一种用于高温高压超深井的直连型气密封套管

摘要

本发明涉及一种用于高温高压超深井的直连型气密封套管，包括管体部分和接头部分。接头部分由两级辅助密封(-15°角扭矩台肩、直角扭矩台肩)、两级主密封(圆弧面/锥面密封结构、球面/柱面密封结构)、变形释放空间、减压槽、退刀槽、螺纹连接段等组成。本发明解决了高温高压油气井螺纹接头部分容易出现粘扣，密封失效、扭矩台肩剪切失效，接头抗应力腐蚀性能差、螺纹连接强度差，应力分布不均等技术问题，可用于高温、高压油气井、含腐蚀性气体气井，深井、超深井，定向井,水平井,小井眼井等。

说明书

技术领域

本发明涉及一种油气井用套管，尤其涉及一种可实现高温高压超深油气井安全开采的特殊螺纹气密封套管。

技术背景

随着国内外油气田开采力度的不断加大，非API油套管以其连接强度高、密封性能好、操作方便的优点，在油气田中使用得越来越广泛。当前国内出现了不少深井、超深井、高温高压并含有腐蚀性气体的油气井，传统的API接头和部分特殊螺纹接头的气密封性和耐腐蚀性很难满足要求，目前在高温高压井中使用的部分套管已经发生了粘扣和气体泄漏的现象。针对这样恶劣工况的需要，要求使用的油井管在超深油气井中具有更高的气密封性能、连接强度和耐腐蚀性能。另外在在井眼相对较小，并且井内壁表面不光滑的情况下，带接箍的套管产品下井时相对困难，常常发生入井不到位、遇阻等现象。针对当前油气井趋向的小井眼钻井、小井眼固井以及套损井内下套管等工况，需要一种无节箍套管。因此，开发出一种无节箍直连型气密封套管以满足上述工况具有十分重要的意义。

发明内容

为了解决高温高压油气井螺纹接头容易出现粘扣，密封失效、扭矩台肩剪切失效，接头抗应力腐蚀性能差、螺纹连接强度差，应力分布不均等技术问题；同时为了减少上扣时间，节约钻井成本，本发明提出了一种高温高压超深井直连型气密封套管。

本发明的技术解决方案是：

一种高温高压超深井直连型气密封套管，包括管体部分和接头部分。接头部分包括螺纹连接部分，主密封部分和辅助密封部分。新颖之处在于：所述管体部分不扩径、仅接头部分采用镦锻加粗，使接头外径相对于管体外径增加约5％；所述主密封包括第一级主密封和第二级主密封。第一级主密封靠近扭矩台肩1，为圆弧面/锥面密封结构，第二级主密封靠近扭矩台肩3，为球面/柱面密封结构；所述辅助密封由扭矩台肩构成，扭矩台肩包括第一扭矩台肩1和第二扭矩台肩3。第一主密封和第一扭矩台肩间有变形释放空间，第二扭矩台肩和第一主密封间有减压槽，第二主密封和螺纹起始段间有退刀槽；所述接头螺纹采用倒钩型螺纹，靠近第二密封面的螺纹采用变螺距结构，同时采用变齿高结构。

上述第一扭矩台肩为-15°扭矩台肩，第二扭矩台肩为90°扭矩台肩。

上述变形释放空间是由两段过渡圆弧及第一主密封部分围成的一个密闭空间。外圆弧面和第一扭矩台肩的过渡圆弧半径为1.2mm，内锥面和第一扭矩台肩的过渡圆弧半径为0.6mm。

上述第二级主密封的球面曲率半径为40mm～80mm。

上述倒钩型螺纹承载面角度为-4°～-8°，导向面角度为15°～20°，外螺纹磷化处理，内螺纹镀铜处理。

本发明所具有的的有益效果：

1、本发明采用两级主密封和两级辅助密封结构，-15°扭矩台肩具有较强的抗过扭能力，同时对轴向载荷不敏感，在轴向载荷较大地情况下仍能保持较高的密封性能。直角台肩同时保证在压缩载荷下的密封性能，保护-15°扭矩台肩在压缩载荷下不造成剪切失效。双扭矩台肩组合结构可优化螺纹应力分布，降低螺纹接触应力，防止螺纹粘扣，同时能增强接头的抗疲劳性能。球面/柱面密封结构和圆弧/锥面密封结构相结合，可保证在复合载荷作用下的良好密封性能。各级密封结构间均有一定的过渡空间，可以起到变形缓冲的作用。给各级密封结构提供变形释放空间，是为了降低应力集中，防止密封结构产生屈服失效。

2、本发明套管可满足高温，高压及含腐蚀性介质的苛刻工况，同时在复合载荷下具有较强的连接强度、密封性能和抗疲劳失效能力，具有抗粘扣、抗脱扣、抗过扭矩的优良性能。管体接头处加厚5％,既保证了连接效率(连接效率高达90％以上)，同时相对于API加厚型接头，保证了更大的环隙空间，更方便下井操作。具有100％抗轴向载荷和抗内、外压能力，另外具有较强的抗压缩性能和抗弯矩能力，在井身结构具有一定的狗腿度时，也能保证安全施工。

3、本发明可用于高温、高压油气井，含腐蚀性气体气井，深井、超深井，定向井，水平井，小井眼井等。

附图说明

图1为本发明套管的整体结构示意图。

图2为本发明套管接头连接结构示意图。

图3为本发明密封段结构图。

图4为本发明螺纹结构示意图。

附图标记为：1.第一扭矩台肩，2.第一主密封，3.第二扭矩台肩，4.第二主密封，5.变形释放空间，6.减压槽，7.退刀槽，Ⅰ.大螺距区域，II.正常螺距区域，III.小螺距区域，201.第一主密封圆弧面，202.第一主密封锥面，401.第二主密封柱面，402.第二主密封球面，501.第一主密封圆弧和第一扭矩台肩间的过渡圆弧，502.第一主密封锥面和第一扭矩台肩间的过渡圆弧，801.大螺距区域的外螺纹，802.大螺距区域的内螺纹，803.正常螺距区域的外螺纹，804.正常螺距区域的内螺纹，805.小螺距区域的外螺纹，806.小螺距区域的内螺纹。

具体实施方式

本发明套管是由管体部分A和接头部分B组成，接头部分由两级辅助密封(-15°角扭矩台肩1、直角扭矩台肩3)、两级主密封(圆弧面/锥面密封结构2、球面/柱面密封结构4)、变形释放空间5、减压槽6、退刀槽7、螺纹连接段等等组成。第一主密封圆弧在公扣上，第二主密封球面在母扣上，过渡圆弧501半径为1.2mm；过渡圆弧502半径为0.6mm；第二主密封球面半径为40mm～80mm；第一主密封锥面锥度为1:8～1:10；螺纹导向面角度为15°～20°；螺纹承载面角度为-4°～-6°；Ⅰ区外螺纹的齿高为1.575mm；Ⅰ区内螺纹齿高为1.675mm；Ⅰ区内螺纹齿距为7牙/in，外螺纹齿距为7.2牙/in；II区外螺纹齿高1.775mm；II区内螺纹齿高1.875mm；II区内外螺纹齿距均为7牙/in。III区外螺纹齿高为1.575mm；III区内螺纹齿高1.675mm；III区内螺纹齿距为7牙/in，外螺纹齿距为6.75牙/in。

如图1所示，本直连型套管，一端加工有外螺纹，另一端加工有内螺纹，通过直接将外螺纹和内螺纹拧结，形成井下的套管柱，从而满足油田工作需求，并且该套管在连接时由于不采用结箍，大大降低了下井操作时间和螺纹失效事故的发生。

套管接头部分内径没有采用加厚处理，避免在内径变化处产生压力波动对管体造成冲击应力。内外螺纹旋合后，管体内径齐平，能有效减少气体紊流现象，提高了接头的抗腐蚀能力。

管体接头部分B进行外镦粗加厚处理，这样接头具有更好地连接效率、连接强度和抗内外压能力。

如图2所示，接头部分由第一扭矩台肩1，第一主密封面2，第二扭矩台肩3，第二主密封面4，变形释放空间5，应力卸荷槽6，螺纹退刀槽7，螺纹密封段Ⅰ、II、III等组成。其中靠近管体内壁的密封结构和靠近外壁的密封结构相同，大大增强了管体在内压、外压、轴向载荷、弯矩、扭矩复合载荷下的密封能力，同时也较大地减少了加工难度。

如图2和图3,所示，当公扣和母扣旋合预紧时，螺纹密封段Ⅰ、II、III间的螺纹开始连接，外圆弧面201和内锥面202形成第一主密封2，外柱面401和内球面402形成第二主密封4。随着上扣扭矩的增加，外圆弧面201和内锥面201产生过盈，第一主密封2具有较高的接触应力，接着第二主密封4的两部分和第一扭矩台肩1的两部分分别接触，产生接触应力，最后第二扭矩台肩3两部分接触。随着内外螺纹不断拧接，密封面过盈量不断增大，直到上扣扭矩达到最佳，靠近管体内壁和外壁处，形成了两级主密封、两级辅助密封的四级密封结构，大大提高了管体的气密封性能。

上述第一主密封2在上扣过程中，外圆弧面201和内锥面202线性接触，逐渐达到过盈配合，此时，由于过渡圆弧501半径比过渡圆弧502半径大，两者在第一主密封和第一扭矩台肩间形成了一个变形释放空间，该变形释放空间能使第一密封面2在很大过盈量下得到变形释放，缓解应力集中。同时隔开第一扭矩台肩和第一密封面，减小第一扭矩台肩1在高应力下的影响。另外该变形释放空间能使得主密封面2在深井复合载荷下依然能保持高效的密封性能。上述第二主密封4采用球面/柱面密封结构，能产生很强的接触应力，同时密封性能受轴向载荷影响较小，密封能力很强。第二主密封面4通过应力卸荷槽6与第二扭矩台肩隔开，通过螺纹退刀槽7与螺纹连接段隔开，这样在缓解应力集中保证密封能力的同时，也保护了第二扭矩台肩和螺纹连接段。

上述螺纹退刀槽能降低内螺纹刚性并增加其弹性变形能力，如此附在也可转移至后续螺纹，从而使应力分布更加均匀，也增加了连接螺纹的抗疲劳寿命。同时避免了母扣大端内初始螺纹应力集中，造成粘扣。

辅助密封结构采用-15°扭矩台肩和直角扭矩台肩的组合，双扭矩台肩除了辅助密封作用外，还能承载扭矩，容易上扣定位，同时控制上扣扭矩和过盈量，提高螺纹的抗粘扣能力，提高螺纹和密封面的抗粘结能力。

上述螺纹密封段分成Ⅰ、II、III三个部分，其中内螺纹的螺距均为标准螺距，而外螺纹的螺距分为3个部分，且每部分的螺距各不相同：螺纹中段II部分的外螺纹螺距为标准螺距，是主要承载区；螺纹连接段III的外螺纹螺距较大，轴向承受拉力时，承载面间的间隙缩小；靠里的螺纹连接段Ⅰ的外螺纹螺距较小，上扣后承载面间的缝隙紧密。上扣扭矩和套管质量产生的轴向载荷使以上不同的承载面间间隙变得相近，里段和外段螺纹减少负载，主要由中段螺纹优先承受载荷，因而周向干涉小、螺纹黏结风险降低。同时三个螺纹连接段的螺纹采用变齿高设计，相对于API偏梯形螺纹，大大增强了承载能力。Ⅰ区外螺纹的齿高为1.575mm；Ⅰ区内螺纹齿高为1.675mm；II区外螺纹齿高1.775mm；II区内螺纹齿高1.875mm；III区外螺纹齿高为1.575mm；III区内螺纹齿高1.675mm。变齿高有三个方面的作用：第一、和螺纹退刀槽配合作用，共同降低初始螺纹段的高应力(由有限元分析得知，该处有很大的应力集中)第二、使得中部螺纹承载更大的载荷，有效地优化了螺纹段应力分布。第三、内螺纹齿高比外螺纹高，内外螺纹啮合时产生一定的间隙，降低螺纹的粘扣风险。

如图4所示，连接螺纹采用倒钩型螺纹，倒钩型螺纹具有很强的连接性能。螺纹导向面角度为15°～20°，有利于快速上扣且螺纹不易粘扣，在压缩载荷下，也具有一定的承载能力。承压面角度为-4°～-6°，大大增强了管体在抗拉强度和抗弯曲能力，同时也控制径向分力不至过大造成滑脱失效。

上述螺纹齿顶/齿根方向平行于管体轴线，更易于上扣，不易错扣；同时很大程度上降低了螺纹磨损和黏结的风险。

上述外螺纹喷砂处理，内螺纹进行镀铜处理，大大提高螺纹的抗粘扣能力。

上述接头不需涂抹螺纹密封脂，降低成本同时减少环境危害。