大膨胀率下实体膨胀管用高密封性螺纹接头

摘要

本发明大膨胀率下实体膨胀管用高密封性螺纹接头，采用直连型螺纹结构，螺纹接头包括膨胀管母扣、膨胀管公扣；膨胀管母扣由端部向内依次设置有低锥度单钩型母螺纹、退刀槽、柱面密封段、一级密封槽和/或二级密封槽、锥面密封段以及负角度扭矩台肩；膨胀管公扣由端部向内依次设置有负角度扭矩台肩、锥面密封段、柱面密封段、单钩型公螺纹；螺纹接头采用双通道多级密封结构，具体是膨胀前三级密封结构和膨胀后二级密封结构的双通道密封形式；本发明采用单钩型螺纹牙型和低锥度螺纹设计降低大膨胀率下螺纹变形程度，通过大量计算试验后优化的双通道多级密封结构满足螺纹接头大膨胀率变形后的高密封性能，同时易于加工检测。

说明书

技术领域

本发明涉及范围为石油天然气工业钻完井生产管柱连接螺纹结构设计，特 别涉及在套损补贴、地层封堵及裸眼完井中使用的一种大膨胀率实体膨胀管用 具有高密封能力的螺纹接头设计方法，以保证油气井安全有效开采。

背景技术

随着石油天然气开发的进一步深入，钻井深度越来越深开发难度越来越大， 同时我国许多老油田进入了开发的后期，套损问题日益严重，为了解决实际勘 探开发过程中所遇到的困难，提高钻采的速度，节约钻井成本，实体膨胀管技 术已经被引入钻完井过程中并具有非常优异的性能表现。

实体膨胀管技术的基本原理就是将一种塑性良好的钢管下到井下预订的位 置，通过冷加工塑性变形方式使钢管的内径扩大到所需的尺寸，冷变形是通过 膨胀锥(膨胀锥的外径大于钢管的内径)在液压力和/或机械力的作用下穿过膨 胀管使管材发生永久性的塑性变形达到扩大管径的目的。实体膨胀管之间是用 螺纹拧接连接组成管柱，因此螺纹是膨胀管管柱中的最薄弱环节，其结构完整 性、密封完整性和可靠性，严重影响油田的安全生产和管柱寿命。由于实体膨 胀管螺纹在使用过程中需要经过一次扩径变形，变形后需达到一定的密封和承 载性能，对螺纹的密封性和完整性的要求更高，普通API螺纹和一般的套管特 殊螺纹结构根本无法满足需求。近年来出现了一些膨胀管螺纹结构，但是主要 针对的是低膨胀率(15％以下)，密封压力也不高，导致无法在高膨胀变形率或 对胀后密封性能要求高的工况下使用，大大的制约了膨胀管技术的发展和应用。 目前随着膨胀管技术的进步，特别是地层封堵和海洋用膨胀管技术的需求，对 膨胀管的膨胀率及膨胀后的密封性和结构完整性提出更高要求，急需一种满足 大膨胀率下高密封性能的膨胀管特殊螺纹接头设计方法。

发明内容

本发明一种大膨胀率实体膨胀管用高密封能力的螺纹接头主要是为了满足 大膨胀率实体膨胀管应用时高密封性需求，采用单钩型螺纹牙型和低锥度螺纹 设计降低大膨胀率下螺纹变形程度，通过大量计算试验后优化的双通道多级密 封结构满足螺纹接头大膨胀率变形后(膨胀率10％‐35％)的高密封性能，同时 易于加工检测。

本发明的技术解决方案是：大膨胀率下实体膨胀管用高密封性螺纹接头， 采用直连型螺纹结构，其特殊之处在于：

所述螺纹接头包括膨胀管母扣1、膨胀管公扣2；

膨胀管母扣1由端部向内依次设置有低锥度单钩型母螺纹3、退刀槽5、柱 面密封段6、一级密封槽7和/或二级密封槽8、锥面密封段9以及负角度扭矩台 肩10；膨胀管公扣2由端部向内依次设置有负角度扭矩台肩10、锥面密封段9、 柱面密封段6、单钩型公螺纹4；

所述螺纹接头采用双通道多级密封结构，具体是膨胀前三级密封结构和膨 胀后二级密封结构的双通道密封形式；

所述膨胀前三级密封结构包括：

所述膨胀管母扣1的柱面密封段6与膨胀管公扣2的柱面密封段6在膨胀 前构成柱面对柱面一级密封结构；

所述膨胀管母扣1的锥面密封段9与膨胀管公扣2的锥面密封段9在膨胀 前构成锥面对锥面二级密封结构；

所述膨胀管母扣1的负角度扭矩台肩10与膨胀管公扣2的负角度扭矩台肩 10相配合构成膨胀前三级辅助密封结构；

所述膨胀后二级密封结构包括：

所述膨胀管母扣1的一级密封槽7以及设置在一级密封槽7内的弹性密封 胶或者易焊接金属与膨胀管公扣2的柱面密封段6构成一级密封槽结构；

所述膨胀管母扣1的二级密封槽8以及设置在二级密封槽8内的抗暴O型 密封圈与膨胀管公扣2的锥面密封段9构成二级密封槽结构；

所述一级密封槽7和二级密封槽8由端部向内依次设置。

上述膨胀管母扣1还包括由端部向内依次设置且位于低锥度单钩型母螺纹3 外侧的端部台肩12、端部柱面11；

膨胀管公扣2还包括由端部向内依次设置且位于单钩型公螺纹4内侧的端 部柱面11、端部台肩12；

所述膨胀管母扣1的端部台肩12、端部柱面11分别与膨胀管公扣2的端部 台肩12、端部柱面11相匹配。

上述锥面密封段9上增加辅助密封弧面7A，所述膨胀管母扣1的一级密封 槽7以及设置在一级密封槽7内的弹性密封胶或者易焊接金属与膨胀管公扣2 的辅助密封弧面7A构成一级密封槽结构。

上述单钩型母螺纹3和单钩型公螺纹4的锥度为1:18～1:30。

上述单钩型母螺纹3和单钩型公螺纹4的锥度为1:20。

上述锥面对锥面密封段中膨胀管母扣1的锥面密封段9与膨胀管公扣2的 锥面密封段9采用相同或不同的锥度。

上述锥面对锥面密封段中膨胀管母扣1的锥面密封段9的锥度为1:12；

所述膨胀管公扣2的锥面密封段9的锥面锥度为1:16。

上述单钩型公螺纹4包括外螺纹，外螺纹的牙顶13和外螺纹的牙底15均 与螺纹的母线平行，外螺纹的承载面12采用负角度结构，承载面12与管柱轴 线的法线夹角为-3.5～-10°，外螺纹的导向面14与管柱轴线的法线夹角为 10～45°；所述单钩型母螺纹与单钩型公螺纹相匹配。

上述负角度扭矩台肩的负角为15°；所述柱面对柱面密封段的过盈量为 0.07mm；所述外螺纹的承载面12与管柱轴线的法线夹角为-9°，外螺纹的导向 面14与管柱轴线的法线夹角为35°。

本发明优点：通过合理的低锥度单钩型螺纹设计，保证了螺纹有足够的厚 度来保持强度同时大大改善螺纹在大膨胀率变形中的扭曲程度，提高螺纹的承 载能力和密封性，在密封面设计中采用双通道多级密封结构，通过设计膨胀前 三级密封结构和膨胀后二级密封结构双通道密封形式，满足螺纹接头经过大膨 胀率变形(膨胀率10％‐35％)后对高密封性和高承载能力的要求，并且密封结 构和密封能力在膨胀管柱收到拉伸和压缩载荷时不受影响，极大的提高了螺纹 接头的膨胀率和密封性能。

同时在锥面对锥面密封段中公扣端锥面和母扣端锥面可采用不同的锥度以 控制过盈点位置和最大密封接触压力，改善螺纹的抗粘扣性能，防止因损伤造 成的螺纹密封失效。可根据工况要求在膨胀后二级密封结构中可选用任何一种 密封槽或者全部二级结构，结构灵活，便于提高加工检测效率和降低成本。

附图说明

图1(a)、图1(b)是大膨胀率实体膨胀管用高密封能力的螺纹接头结构 示意图；

图2是本发明螺纹接头膨胀变形前结构示意图；

图3是本发明膨胀变形后的螺纹接头密封槽结构示意图；

图4是本发明二级密封槽结构8内抗暴O型密封圈产生的高密封压力示意 图；

图5是本发明螺纹接头公扣辅助密封弧面结构示意图；

图6是螺纹牙型结构示意图；

图7是本发明螺纹接头上扣后的结构示意图；

图8是实施例一28％膨胀率下O型橡胶圈沿槽壁的接触压力示意图；

图9是实施例二20％膨胀率下O型橡胶圈沿槽壁的接触压力示意图；

具体实施方式

本发明的特殊螺纹接头结构设计示意图见图1，螺纹接头采用直连型螺纹结 构，其中1为膨胀管母扣，2为膨胀管公扣，在膨胀管母扣1和公扣2上分别加 工低锥度单钩型母螺纹3和公螺纹4，与单钩型母螺纹3左边相连的是端部柱面 11和端部台肩12，用于控制上扣位置；与单钩型母螺纹3右边相连的是退刀槽 5，用于加工螺纹时螺纹梳刀退刀，同时在螺纹上扣后起储存多余螺纹脂，降低 螺纹脂压力对接头密封性能的负面影响；与退刀槽5相连的是一对柱面对柱面 密封段6，在柱面对柱面密封段6上设计有一级密封槽结构7，在柱面对柱面密 封段6右边与之相连的是二级密封槽结构8，在二级密封槽结构8右边是一对锥 面对锥面密封段9，与锥面对锥面密封段9通过一个过渡倒角连接的是负角度扭 矩台肩10，用于控制上扣位置同时具有辅助密封作用。

在本发明中，柱面对柱面密封段6、锥面对锥面密封段9和负角度扭矩台肩 10组成膨胀前三级密封结构，上扣后柱面对柱面密封段6及锥面对锥面密封段 9具有较高的密封性，当螺纹接头受到拉伸载荷和较高的内压时密封性能不受影 响，可以满足膨胀管施工时管柱下放和初始压力建立，并且由于合理的过盈量 设计可以防止粘扣发生，负角度扭矩台肩10不但可以控制上扣扭矩，同时具有 辅助三级密封作用，合理的负角度设计使负角度扭矩台肩10在一定拉伸载荷作 用下仍可保持辅助密封效果。

本发明所述锥面对锥面密封段9中公扣端锥面和母扣端锥面可采用不同的 锥度以控制过盈点位置和最大密封接触压力，改善螺纹的抗粘扣性能，防止因 损伤造成的螺纹密封失效。

考虑到大的膨胀率下膨胀后螺纹结构变形较大，柱面对柱面密封段6、锥面 对锥面密封段9和负角度扭矩台肩10在膨胀后均发生较大变形发生密封失效， 如图2所示，本发明特别设计了膨胀后二级密封结构：一级密封槽结构7和二 级密封槽结构8，通过专门设计可以保证这2种密封槽结构在大膨胀率变形后依 然可以保持结构完整不发生大的改变，如图3所示。膨胀前，在内填充弹性密 封胶或者易焊接金属如锡等，在二级密封槽结构8内安装抗暴O型密封圈，在 上扣过程中一级密封槽结构7内的弹性密封胶与公扣柱面密封段6反应粘接， 或者公扣与一级密封槽结构7相应部位也表面涂覆易焊接金属如锡等，在上扣 过程中公扣上的金属与一级密封槽结构7内的金属摩擦生热产生金属焊接，当 螺纹经过大膨胀率变形后，由于2种密封槽依然结构完整，在一级密封槽结构7 内存在弹性密封胶密封或者金属焊接，在二级密封槽结构8内存有抗暴O型密 封圈产生的高密封压力(如图4所示)，因此经过大的膨胀变形后，在2个密封 槽的二级密封作用下该螺纹结构依然具备高密封能力。

本发明中所述公扣与一级密封槽结构7相对部位可加工为辅助密封弧面 7A，如图5所示，可以进一步提高密封效果。

本发明中所述可以去掉端部柱面11和端部台肩12不影响本发明结构和密 封效果。

本发明中所述一级密封槽结构7和二级密封槽结构8可根据使用需求全部 加工或者选取其中一个进行加工。

本发明所述在螺纹设计上，采用低锥度结构，低锥度单钩型母螺纹3和公 螺纹4的锥度均远小于API螺纹的锥度，锥度为1:18～1:30，这种设计可以显著 的减小螺纹锥度带来的壁厚减薄，提高螺纹结构的承载能力，在牙型上采用单 钩型螺纹牙型设计，如图6所示，外螺纹的牙顶13和外螺纹的牙底15，均与螺 纹的母线平行，外螺纹的承载面12采用负角度结构设计，承载面12与管柱轴 线的法线夹角为-3.5～-10°，外螺纹的导向面14与管柱轴线的法线夹角为 10～45°，这种结构可以大大改善螺纹在大膨胀率变形中的扭曲程度，提高螺纹 的承载能力和密封性。

本设计螺纹接头上扣后的结构示意图见图7。

螺纹结构组成及尺寸要求参见表1；

表1

具体实施可根据具体工况的要求，选用不同规格的实体膨胀管进行螺纹制 备。采用数控机床加工，加工时，首先使用粗车刀片加工端部台肩12和整理螺 纹锥度，然后使用精车刀片依次加工柱面对柱面密封段6，一级密封槽结构7、 二级密封槽结构8和锥面对锥面密封段9，再加工负角度扭矩台肩10，最后使 用螺纹成形梳刀加工螺纹，最后倒毛刺并检验螺纹参数。

螺纹上扣后使用配置工具将螺纹结构沿直径方向膨胀10％～35％，使用水压 机在膨胀管内部打压并检测螺纹部分是否发生泄漏，使用拉伸试验机对带本发 明所述螺纹接头的实体膨胀管进行整管拉伸试验，检测螺纹承载能力。

实施例一：可膨胀28％的140mm×8mm实体膨胀管螺纹接头

采用140mm×8mm实体膨胀管管体加工本发明螺纹接头，具体参数见表2， 一级密封槽结构7内填充弹性密封胶密封，二级密封槽结构8内装防爆O型橡 胶圈。

加工后母扣磷化10um厚。上扣时两端均匀涂抹螺纹脂，工厂端采用最大扭 矩上扣，现场端采用最佳扭矩上扣。实施例一螺纹加工参数参见表2：

表2

对上好扣的螺纹接头进行28％膨胀率的膨胀作业，膨胀后二级密封槽结构8 内防爆O型橡胶圈沿槽壁的接触压力见图8。

对膨胀后的螺纹进行水压试验，打压40MPa保压30分钟无压力降低，同时 拉伸试验加载1700kN轴向载荷没有泄露发生，螺纹结构满足结构完整性、高密 封性要求。

实施例二：可膨胀20％的245mm×12mm实体膨胀管螺纹接头

采用245mm×12mm实体膨胀管管体加工本发明螺纹接头，具体参数见表2， 一级密封槽结构7内和公扣与一级密封槽结构7相对部位涂覆锌合金层，二级 密封槽结构8内装防爆O型橡胶圈。

加工后母扣磷化10um厚。上扣时两端均匀涂抹螺纹脂，工厂端采用最大扭 矩上扣，现场端采用最佳扭矩上扣。实施例二螺纹加工参数参见表3：

表3

对上好扣的螺纹接头进行20％膨胀率的膨胀作业，膨胀后二级密封槽结构8 内防爆O型橡胶圈沿槽壁的接触压力见图9。

对膨胀后的螺纹进行水压试验，打压35MPa保压30分钟无压力降低，同时 拉伸试验加载3234kN轴向载荷没有泄露发生，螺纹结构满足结构完整性、高密 封性要求。