一种非常规油气水平井多级压裂用套管特殊螺纹接头

摘要

本发明属于螺纹接头技术领域，公开了一种非常规油气水平井多级压裂用套管特殊螺纹接头，包括采用接箍式连接的外螺纹接头和内螺纹接头；外螺纹接头包括依次相连的外螺纹段、外螺纹密封段和外螺纹台肩段；外螺纹密封段包括外螺纹主密封面和外螺纹密封面引导面；内螺纹接头包括依次相连的内螺纹段、退刀槽段、内螺纹密封段和内螺纹台肩段；内螺纹密封段包括锥面密封面和圆弧密封面，锥面密封面通过圆弧过渡面与退刀槽段连接，圆弧密封面与内螺纹台肩段连接；外螺纹段与内螺纹段的螺纹牙型均采用与API标准偏梯形牙型可互换的牙型。解决了现有API标准螺纹、半特殊螺纹和高端特殊螺纹的工况适用性不足问题。

说明书

技术领域

本发明属于螺纹接头技术领域，具体涉及一种非常规油气水平井多级压裂用套管特殊螺纹接头。

背景技术

页岩气、页岩油属于非常规油气资源，页岩气以游离或吸附状态，储存在富含有机质泥页岩或高碳泥页岩层系的裂缝、孔隙中。页岩油蕴藏于泥页岩孔隙和裂缝、致密碳酸岩或碎屑岩临层和夹层中。这种油气资源没有自然产能，必须采用水平井、多级压裂等特殊开采工艺技术，通过这种方式增加井筒与储层的接触面积，人为制造油气产出缝隙通道，从而获得工业产量，工程技术难度大、成本控制要求严格。目前页岩油气开发水平井段长度平均超过2000米，多级压裂分段超过20个，水平井生产套管用量大、服役性能要求独特。水平井段生产套管在服役全周期过程中分别承受下井时的旋转弯曲与拉压交变载荷、压裂时的液体高内压循环载荷、以及生产过程长期气体低内压作用，对套管特殊螺纹提出了兼顾经济性的工况适用性要求，经济性要求主要表现为：加工容易、检测简单、质量控制宽泛等，工况适用性具体包括：抗粘扣、高抗扭转、高抗压缩、抗疲劳、高压液体/低压气体密封性能等。页岩油气开发用套管螺纹选型过程经历不断探索与曲折发展，早期借鉴北美经验采用API标准螺纹，但是我国的页岩油气埋藏更深、压裂等级更高，API标准螺纹密封性、抗压缩性、抗扭转性及抗疲劳性均不足；进而在API标准螺纹的基础上，升级采用增加台肩的半特殊螺纹，但是扭矩波动范围大导致抗疲劳性无法保证，没有主密封结构导致无法满足高压裂要求；近年来为解决以上问题，普遍采用具有典型径向密封、柱面鼻端和台肩结构的高端特殊螺纹，但是表现出密封性过剩、抗压缩不足、成本居高不下等弊端，不能满足页岩油气安全高效规模开发的工程需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非常规油气水平井多级压裂用套管特殊螺纹接头，解决了现有API标准螺纹、半特殊螺纹和高端特殊螺纹的工况适用性不足问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种非常规油气水平井多级压裂用套管特殊螺纹接头，包括能够采用接箍式连接的外螺纹接头和内螺纹接头；

外螺纹接头包括依次相连的外螺纹段、外螺纹密封段和外螺纹台肩段；外螺纹密封段包括外螺纹主密封面和外螺纹密封面引导面；外螺纹主密封面和外螺纹密封面引导面均为弧面；

内螺纹接头包括依次相连的内螺纹段、退刀槽段、内螺纹密封段和内螺纹台肩段；内螺纹密封段包括锥面密封面和圆弧密封面，锥面密封面通过圆弧过渡面与退刀槽段连接，圆弧密封面与内螺纹台肩段连接；

当外螺纹接头和内螺纹接头啮合时，外螺纹密封段与内螺纹密封段接触；

外螺纹段与内螺纹段的螺纹牙型均采用与API标准偏梯形牙型能够互换的牙型。

进一步，内螺纹台肩段和外螺纹台肩段的台肩面均采用直角台肩面，或负角度台肩面。

进一步，直角台肩面的台肩角度与套管轴向呈90°，负角度台肩面的台肩角度与管径向呈-3°。

进一步，锥面密封面的锥度角为10～25°，内螺纹密封段的密封面的轴向长度大于或等于3.3mm，粗糙度控制为0.5～0.8um；

圆弧密封面的半径为0.8～1.5mm。

进一步，外螺纹主密封面的圆弧半径为30～80mm，外螺纹密封面引导面的圆弧半径1～2mm；

外螺纹密封段的轴向长度大于或等于3.5mm，粗糙度为0.5～0.8um。

进一步，退刀槽用于退刀和储存螺纹脂，退刀槽的轴向长度为1～1.5倍螺距。

进一步，外螺纹段的锥度为每25.4mm轴向长度上直径增量1.59mm，外螺纹段齿顶和齿底平行于母线。

进一步，内螺纹段采用与外螺纹段相同锥度；

或内螺纹段采用变锥度方案，具体为：

以中径点为轴向边界，设置一个螺距范围内的圆弧过渡段，以不同的锥度公差带在靠近接箍端面一侧为偏大锥度段，在靠近台肩面一侧为偏小锥度段，内螺纹段的齿顶和齿底平行于母线。

进一步，偏大锥度段采用每25.4mm轴向长度上直径增量变化范围为-0.015～+0.114mm的锥度公差带；

设置偏小锥度段采用每25.4mm轴向长度上直径增量变化范围为-0.064～+0.025mm的锥度公差带。

进一步，外螺纹段的完整螺纹轴向长度增加范围为20～30mm；内螺纹段的中径尺寸增加范围为0.1～0.2mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种非常规油气水平井多级压裂用套管特殊螺纹接头，设计了接头的密封面、台肩和螺纹锥度结构，并根据工况参数分级采用不同设计参数组合，旨在以低成本策略针对性解决水平井压裂工况服役全周期要求；外螺纹接头采用了螺纹段、密封段和台肩段的紧凑连接与平滑过渡，省略了柱面鼻端。内螺纹接头采用了与外螺纹相对应的螺纹、密封和台肩部分，采用了退刀槽兼顾避免外螺纹旋入干涉、加工退刀、应力分散和储存螺纹脂等功能。采用了与API标准偏梯形牙型可互换的牙型，以上设计保证了连接性能、密封性能和旋入定位等功能，并大大节约了加工成本和维护成本；内螺纹密封段包括锥面密封面和圆弧密封面，外螺纹密封段包括外螺纹主密封面和外螺纹密封面引导面；锥面密封面与外螺纹主密封面采用弧面对锥面的金属-金属过盈配合密封结构，实现正态分布的接触压力分布；弧面-锥面金属密封面结构使主密封接触点与台肩保持距离，降低上扣过程的机械碰伤风险；大大降低了密封对负角度台肩支撑作用的依赖；优化的外螺纹锥度兼顾了抗粘扣与高拉伸内压复合载荷下的密封性能；密封长度足以保证密封接触压力在接触宽度上的积分值高于泄漏阈值；密封结构的可靠性对表面粗糙度控制没有额外高要求；优化的弧面半径兼顾了接触宽度与峰值接触应力的匹配，满足抗粘扣前提下的密封高性能。

进一步，内螺纹和外螺纹台肩段可采用直角和低负角度，降低了密封结构对台肩支撑作用的依赖，使得主密封位置远离台肩以降低主密封的机械损伤风险，增加台肩段的结构强度以提高螺纹接头的抗压缩和抗扭转性能。

进一步，内螺纹台肩段和外螺纹台肩段的台肩面采用直角台肩或负角度台肩，直角台肩控制鼻端变形，降低应力集中，最大限度的提高了螺纹抗过扭能力，失去对密封面支撑作用的不足可选择性的由内螺纹变锥度方案予以弥补；与此同时，根据工况应用场合和加工成本控制的综合考虑，可选择采用低负角度台肩(-3°)，远低于典型特殊螺纹的台肩负角度(一般采用-10～-15°)，在有限降低抗扭能力的基础上显著提高了密封性能；直角和低负角度台肩均易于清洗。通过省略外螺纹的柱面鼻端结构，增加了外螺纹密封结构的刚度；通过设置退刀槽应力分散增加了内螺纹密封结构的稳定性。由此实现了采用完全90°的直角台肩结构保证高密封和高抗压缩，实现了可选择的-3°低负角度台肩达到高压密封和抗压缩的合理匹配。

进一步，退刀槽长度等尺寸的优化保证了螺纹连接强度的足够长度，实现避免外螺纹旋入干涉、加工退刀、应力分散和储存螺纹脂等功能。

进一步，外螺纹密封面采用双弧面，包括主密封弧面和外螺纹密封面引导面；外螺纹密封面引导面保证了上扣过程内、外密封面的平顺接触和滑移，提高了主密封面刚度，与内螺纹鼻端弧面配合形成密封段螺纹脂存储空间。

进一步，外螺纹采用了单一锥度，内螺纹采用了可选择性的变锥度技术，实现螺纹接头设计、制造和使用的柔性化。在刚度较小的靠近外螺纹管端，通过减缓内螺纹锥度降低上扣后外螺纹鼻端的变形量，降低粘扣风险，弥补密封面没有柱面过渡易于过量变形的不足，充分保证足够的密封面接触压力；在刚度较大的靠近外螺纹消失端，增加内螺纹锥度提高上扣过程的螺纹部分扭矩，保证螺纹上扣到位和抗过扭能力。通过选择性采用内螺纹变锥度组合，实现了抗扭和密封性能的合理匹配。由台肩面角度和螺纹锥度的变化组合形成适于不同内压等级的经济型密封结构，实现了螺纹接头设计和制造的柔性化。针对不同的密封和抗扭工况需要，提供综合考虑成本与性能的多种组合变化。

进一步，在采用API标准螺纹牙型基础上，增加完整牙型有效长度、降低螺纹中径过盈，通过锥度的变化实现柔性设计，既提高了对水平井多级压裂工况的适用性，又实现了加工通用性、操作互换性及制造经济性要求；通过增加外螺纹的完整螺纹轴向长度提高了螺纹承载面积；优化了内、外螺纹的中径尺寸，在考虑台肩承受90％总扭矩的情况下，通过降低螺纹过盈配合显著提高了抗粘扣性能，大大降低了现场按最终扭矩上扣不到位的风险。

附图说明

图1是本发明特殊螺纹接头剖面结构示意图；

图2是本发明特殊螺纹接头直角台肩螺纹及密封形式示意图；

图3是本发明特殊螺纹接头负角度台肩螺纹及密封形式示意图；

图4是本发明特殊螺纹接头内螺纹分段变锥度形式示意图。

图中：1为内螺纹接头，11为内螺纹段，12为退刀槽段，13为内螺纹密封段，14为内螺纹台肩段；

131为锥面密封面，132为圆弧密封面；

14-1为内螺纹台肩段的直角台肩面，14-2为内螺纹台肩段的负角度台肩面；

2为外螺纹接头，21为外螺纹段，22为外螺纹密封段，23为外螺纹台肩段；221为外螺纹主密封面，222为外螺纹密封面引导面；

23-1为外螺纹台肩段的直角台肩面，23-2为外螺纹台肩段的负角度台肩面；

15为偏大锥度段，16为圆弧过渡段，17为偏小锥度段。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明公开了一种非常规油气水平井多级压裂用套管特殊螺纹接头，包括采用接箍式连接的外螺纹接头2和内螺纹接头1；外螺纹接头2包括依次相连的外螺纹段21、外螺纹密封段22和外螺纹台肩段23；外螺纹密封段22包括外螺纹主密封面221和外螺纹密封面引导面222；内螺纹接头1包括依次相连的内螺纹段11、退刀槽段12、内螺纹密封段13和内螺纹台肩段14；内螺纹密封段13包括锥面密封面131和圆弧密封面132，锥面密封面131通过圆弧过渡面与退刀槽段12连接，圆弧密封面132与内螺纹台肩段14连接；外螺纹段21与内螺纹段11的螺纹牙型均采用与API标准偏梯形牙型互换的牙型。

内螺纹接头1和外螺纹接头2均为钢制套管接头，外螺纹接头2的外径可为139.7mm，内螺纹接头1的外径可为160mm，内螺纹接头1和外螺纹接头2之间采用锥度螺纹配合，内螺纹接头1和外螺纹接头2采用弧面-锥面形式的金属干涉密封结构，内螺纹接头1和外螺纹接头2采用直角或低负角度台肩结构。

外螺纹主密封面221和外螺纹密封面引导面222均为弧面，外螺纹主密封面221的圆弧半径为30～80mm，外螺纹密封面引导面222的圆弧半径1～2mm。

具体地，从管体外螺纹的端面起始，构造由小半径圆弧(半径1～2mm)与大半径圆弧(半径30～80mm)组成的径向弧面密封面，小半径圆弧即外螺纹密封面引导面222，大半径圆弧即外螺纹主密封面221，外螺纹主密封面221自然消失于螺纹部分。外螺纹密封段22由简单的鼻端倒角加工方式完成，保证外螺纹密封段22的轴向长度不低于3.5mm，粗糙度控制为0.5～0.8um。

外螺纹密封段22采用了小半径圆弧(半径1～2mm)作为上扣引导面，在上扣过程密封面开始接触时分散接触压力，大大降低密封面粘扣风险；外螺纹密封段22采用大半径圆弧(半径30～80mm)作为径向弧面主密封面，增加密封接触宽度，提高密封结构稳健性。

内螺纹密封段13包括锥面密封面131和圆弧密封面132，锥面密封面131的锥度角为10～25°，圆弧密封面132的半径为0.8～1.5mm。具体地，从接箍内螺纹的台肩面起始，构造由小半径圆弧(0.8～1.5mm)与锥面(锥度角10～25°)组成的径向锥面密封面131，通过倒角消失于螺纹退刀槽，密封面的轴向长度不低于3.3mm，粗糙度控制为0.5～0.8um。

内螺纹密封段13从台肩面起始，构造由小半径圆弧密封面132(0.8～1.5mm)与锥面密封面131(锥度角10～25°)组成的径向锥面密封面131，内螺纹密封段13密封面的轴向长度不低于3.3mm，优化了密封面接触后的总滑移距离，既保证了密封面的完整又实现高拉伸状态下的高压密封能力。锥面密封面131通过粗车和精车两道工序即可完成，密封直径测量控制点轴向变化导致的测量值变化呈简单线性关系，有利测量控制准确度，总体实现了易于加工和质量控制。

如图2所示，内螺纹接头1的密封面为锥面，锥度角采用15°，采用1mm半径圆弧与台肩面相连，通过倒圆角消失于螺纹退刀槽，密封面的轴向长度为3.4mm；外螺纹接头2的密封面为圆弧面，采用45mm半径圆弧面构成主密封面，采用2mm半径圆弧面为引导面连接于台肩面，自然消失于螺纹部分，密封面的轴向长度为3.6mm。

更优地，套管内螺纹靠近密封面的末级齿位置设置兼顾退刀和螺纹脂储存功能的退刀槽，并实现上扣后与外螺纹鼻端不形成干涉。内螺纹退刀槽具体设置轴向长度为1～1.5倍螺距(即5.08～7.62mm)。

如图2和图3所示，内螺纹台肩段14和外螺纹台肩段23的台肩面可选择为直角(0°)或负角度台肩面(-3°)，管体和接箍连接的内表面相平。当采用如图2所示内螺纹台肩段的直角台肩面14-1时，外螺纹台肩段的直角台肩面23-1也相应与内螺纹台肩段的直角台肩面14-1匹配；当如图3所示内螺纹台肩段的负角度台肩面14-2时，外螺纹台肩段的负角度台肩面23-2也相应与内螺纹台肩段的负角度台肩面14-2匹配。

如图4所示，套管外螺纹和内螺纹的螺纹牙型采用与API标准偏梯形牙型可互换的牙型，API标准偏梯形牙型的螺纹承载面角度为3°，螺纹导向面角度为10°。

外螺纹段21的锥度为每25.4mm轴向长度上直径增量1.59mm(每25.4mm轴向长度上直径增量变化范围为：完整螺纹段-0.038～+0.089mm和不完整螺纹段-0.038～+0.114mm)，外螺纹段21的齿顶和齿底平行于母线。

内螺纹可选择采用外螺纹相同锥度，可选择采用变锥度方案。内螺纹变锥度采用以轴向距离台肩40mm位置的中径点为轴向边界，按照每英寸5牙的螺距，以一个的螺距(5.08mm)的轴向范围设置圆弧过渡，圆弧半径可采用95～110mm，在靠近接箍端面一侧实际设置偏大锥度，即采用每25.4mm轴向长度上直径增量变化范围为-0.015～+0.114mm的锥度公差带；在靠近接箍台肩面一侧实际设置偏小锥度，即采用每25.4mm轴向长度上直径增量变化范围为-0.064～+0.025mm。

内螺纹段11可选择性采用螺纹变锥度方案，在保证螺纹抗扭转性能的前提下，控制接箍的周向变形，可选择性的提高主密封径向接触压力，进一步降低对台肩负角度的依赖，优化螺纹密封和抗扭性能，实现螺纹接头结构的柔性设计；螺纹变锥度通过圆弧过渡段实现平顺连接，避免出现局部应力集中。以螺纹锥度公差带的控制变化实现螺纹变锥度方案，优化的锥度公差参数保证了柔性设计的性能和可加工性；采用锥度螺纹的大公差带设置，采用更容易加工控制的螺纹锥面平行母线结构，在保证螺纹连接性能的前提下降低了加工成本。

优化外螺纹的完整螺纹轴向长度可选择为增加20～30mm，内螺纹的中径尺寸可增加0.1～0.2mm。优化外螺纹的完整螺纹轴向长度以及内螺纹的中径尺寸，保证上扣的平顺性和上扣后的连接性能。以上设计在满足工况参数的前提下实现加工通用性、操作互换性及制造经济性要求。

以上诸多设计元素，体现了制造经济性和工况的适用性。诸如，采用与标准牙型可互换的牙型，节约螺纹加工成本50％以上，同时通过增加完整螺纹轴向长度增加螺纹承载面积，通过改变螺纹中径优化螺纹过盈量，从而提高上扣的抗粘扣性能，上扣后的轴向连接效率可实现100％管体等强，在满足工况参数的前提下实现加工通用性、操作互换性及制造经济性要求。

采用弧面-锥面金属干涉密封结构，该密封面结构在外螺纹采用了小半径圆弧作为上扣引导面，在上扣过程密封面开始接触时分散接触压力，大大降低密封面粘扣风险；外螺纹采用大半径圆弧作为径向弧面主密封面，增加密封接触宽度，上扣啮合后接触压力为正态分布，提高密封结构稳健性；与此同时，主密封接触点与台肩保持距离，降低上扣过程的机械碰伤风险。外螺纹密封面由简单的鼻端倒角加工方式完成，保证密封面的轴向长度不低于3.5mm，外螺纹密封面自然消失于螺纹部分，没有采用由柱面过渡的一般性设计，一方面螺纹密封面的加工成本大大降低，另一方面螺纹鼻端的抗压缩性能大大提高。内螺纹密封面从台肩面起始，构造由小半径圆弧与小角度锥面组成的径向锥面密封面131，既优化了密封面接触后的总滑移距离从而提高密封面的抗粘扣性，又实现高拉伸状态下的高压密封能力，主密封锥面易于加工控制。

该螺纹设计采用-3°及0°角度的台肩结构，带来螺纹抗扭和抗压缩性能的显著提升，通过降低螺纹鼻端的应力集中效应提升了螺纹的抗循环载荷疲劳性能，显著降低机加工成本，便于现场清洗等维护作业。综合考虑台肩负角度的增加提高密封性和降低压缩性的矛盾关系，采用两种台肩角度组合，满足不同的工况参数需求。与此同时，可对接箍内螺纹采用固定锥度和变锥度两种方案，变锥度方案即在靠近外螺纹管端采用减缓内螺纹锥度，降低粘扣风险，提高密封面接触压力；在靠近外螺纹消失端采用增加内螺纹锥度保证螺纹上扣到位和抗过扭能力。通过选择性采用内螺纹变锥度组合，实现了抗扭和密封性能的合理匹配。进而由台肩面角度和螺纹锥度的变化组合进一步强化了螺纹整体的各分项特性，形成适于不同内压和压缩性能等级的经济型密封结构，实现了螺纹接头设计和制造的柔性化。

该特殊螺纹接头可适应选择不同外径、壁厚及钢级的套管，采用数控机床加工，内螺纹涂镀层厚度控制在15～25um范围。上扣时两端均匀涂抹通用套管螺纹脂，夹持螺纹靠近管体侧和接箍靠近工厂端侧，现场采用最佳控制扭矩上扣。

装配完成后，套管外螺纹端管体内壁对接口设置有扩张的锥面，与套管内螺纹端对接的交界处平齐，提高接头内表面抗流体冲蚀性能。

装配完成后，套管外螺纹与内螺纹之间形成圆弧面-锥面的径向密封结构，由于此密封结构不需要柱面与螺纹部分过渡，因此实现了简易的径向密封，并由台肩面角度和螺纹锥度的变化组合形成适于不同内压等级的经济型密封结构。

根据工况参数的不同需要，尤其是对螺纹接头抗气体内压和抗扭转综合性能的不同要求，通过内螺纹变锥度和不同台肩角度的组合后配合简易密封结构，实现不同的特色性能的细分，即从不同抗内压和抗扭转工况需求出发，选择不同的内螺纹变锥度和台肩角度匹配方案，体现产品的柔性设计、制造工艺与工况适用性，如下表所示。

通过以上设计保证上扣的平顺性和上扣后的拉伸和压缩性能。该项发明适于页岩气和页岩油井长距离水平及大狗腿度井眼套管下入过程上提下压、旋转弯曲过程，提高页岩气井和页岩油井压裂载荷循环条件的水密封性能，满足页岩气井生产阶段的气密封性能要求。尤其改变外螺纹密封面与螺纹部分由柱面过渡的一般设计，外螺纹密封面直接始于管体端部，消失于螺纹部分。

本发明采用上述技术方案，螺纹接头易加工、好上扣，轴向拉伸/压缩、内压/外压性能可达到与管体等强，适于我国页岩油气藏埋藏较深、压裂压力高、排量大、生产目标周期长等工况条件需求。

以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。