雙齒型氣密封螺紋的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及石油鉆具連接密封結(jié)構(gòu)，具體為一種雙齒型氣密封螺紋。特點是內(nèi)螺紋上設(shè)有凹弧形密封面，在外螺紋上設(shè)有凸弧形密封面，所述凸形密封面為橢圓弧形、拋物線弧形、樣條曲線狀的凸弧形密封面；所述外螺紋凸弧形密封面與內(nèi)螺紋凹弧形密封面嚙合。本發(fā)明的優(yōu)點是：1、接頭連接強度高，可以與管體等強度匹配，甚至有的高于管體，適用于深井、超深井；2、抗彎能力強，適用于斜井、大位移井和水平井；3、上扣容易，可快速上扣且不易錯扣，適用于沙漠、海洋上等惡劣環(huán)境下的鉆井作業(yè)；4、抗粘扣性能好，可以反復(fù)上卸扣而不損傷螺紋；5、抗過扭矩能力強。
【專利說明】雙齒型氣密封螺紋
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石油鉆具連接密封結(jié)構(gòu)，具體為一種雙齒型氣密封螺紋。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界對化石能源需求的急劇攀升和石油可開采量的逐年減小，當前石油開采領(lǐng)域正向深井、超深井、高壓油氣井、稠油熱采井、定向井等的開采方向逐步發(fā)展，由此對石油管道和管間的密封提出了越來越苛刻的技術(shù)要求。以往大量使用的API (美國石油學(xué)會)標準的數(shù)字型粗牙螺紋接頭在氣密封性、連接強度和耐腐蝕性方面都不能很好地滿足開采環(huán)境條件惡劣的油氣井的需求。迫使人們?nèi)パ芯块_發(fā)性能更加可靠的螺紋特殊扣接頭和密封結(jié)構(gòu)。
[0003]目前國內(nèi)深井和超深油井數(shù)量日益增多，非API標準的特殊石油管螺紋連接的使用量逐漸增大。然而在油田的現(xiàn)實應(yīng)用中鉆具螺紋斷裂、螺紋刺漏和螺紋脫扣等事故時有發(fā)生，給井隊施工帶來了巨大的經(jīng)濟損失。這其中，由于螺紋連接密封不嚴所造成的油田伴生氣的泄漏會帶來嚴重的事故隱患。這是因為，在深井、超深井的油氣開采過程中，由于螺紋密封不嚴，泄漏的可燃氣體會沿著井壁或者地質(zhì)層薄弱的地方進行擴散和聚集，并在油井開采口或者遠離油井的地質(zhì)薄弱地方形成突然噴發(fā)，如果遇到明火，還會引起燃燒或爆炸，更為可怕的是，泄漏氣體在地質(zhì)層的擴散聚集地點往往不可預(yù)測，因此，這種由于螺紋氣密封不嚴所引起的氣體泄漏是絕對不允許的。
[0004]鉆具失效事故大多數(shù)發(fā)生在螺紋連接部及密封面處，大體分為下面幾種類型:(I)鉆具螺紋斷裂；⑵密封失效；⑶粘扣:⑷滑脫；(5)扭矩臺肩和螺紋表面擦傷；(6)疲勞破壞。
[0005]由于深井和高壓氣井的工況非常惡劣，井下管體需要經(jīng)受扭曲、擠壓、拉伸、高溫高壓等惡劣環(huán)境考驗，通過對油井開采現(xiàn)場中管接頭螺紋事故的分析和對各種密封配合管接頭螺紋的有限元分析表明，密封面應(yīng)力過大是產(chǎn)生塑性變形和劃傷的原因之一，其次，由于井下復(fù)雜工況下密封面在過盈配合時所發(fā)生的彈塑性變形缺少形變釋放空間或根本沒有設(shè)置形變釋放空間，也會導(dǎo)致密封面?zhèn)€別部位發(fā)生塑性變形，引起密封面的劃傷和泄漏。
[0006]過去螺紋密封一般靠錐度和臺肩面的咬合來實現(xiàn)。我們設(shè)計了 一種在螺紋齒牙上再加工細小密封螺紋的技術(shù)，保證小錐度密封的要求。目前使用的連接結(jié)構(gòu)為螺紋連接，鉆柱工作載荷全部是依靠鉆桿、鉆鋌、扶正器、取心外管螺紋逐根往下傳遞，所以螺紋連接部位就成為一個應(yīng)力集中區(qū)，良好的螺紋連接應(yīng)該能夠抵抗快速多變的回轉(zhuǎn)彎曲力矩，降低疲勞速率，變形小，不脫落的目的。目前使用的三角形螺紋連接形式的螺紋牙型，抗扭力矩=5370N.m。如圖5所示意，還有專利號為200910147891.2所述的鋸齒形接頭，其抗扭力矩僅為6000?20000N.m;專利申請?zhí)枮?00420078613.9記載的螺紋連接鉆桿，提出了螺紋為偏梯形螺紋，梯形螺紋，三角螺紋。專利號為200820056719.7公布的斜梯形螺紋。
[0007]這種常規(guī)型的螺紋在一些特殊的地質(zhì)條件下，如永久凍土層、砂土層巖石、中硬地層中，表現(xiàn)不是非常良好，往往達不到目標深度鉆具螺紋連接部位就損壞了。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明為了解決在特殊底層條件下，常規(guī)的鉆具螺紋連接部位容易損壞及油氣密封失效的技術(shù)問題，提供了一種適用于鉆具連接的雙齒型氣密封螺紋。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種雙齒型氣密封螺紋，所述鉆具管體兩端分別為錐狀三角形的內(nèi)螺紋、外螺紋；內(nèi)螺紋上設(shè)有凹弧形密封面，在外螺紋上設(shè)有凸弧形密封面，所述凸形密封面為橢圓弧形、拋物線弧形、樣條曲線狀的凸弧形密封面；所述外螺紋凸弧形密封面與內(nèi)螺紋凹弧形密封面嚙合。
[0010]具體地說錐狀三角形螺紋牙型角為60°，內(nèi)、外螺紋分別有具有三級密封面:臺肩面、端面有15°角錐面密封、牙側(cè)表面凸弧形密封面和凹弧形密封面形成的密封槽R0-0.02和礦°_°20;，螺紋的牙高為3.095mm齒頂寬1.66mm，螺距4齒/英寸，錐度1:6，密封槽R=0.5mmο
[0011]本發(fā)明所述的螺紋結(jié)構(gòu)，具有高抗扭力矩的功能，其特性是使螺紋的極限抗扭力矩達到45000N.m。
[0012]本發(fā)明所述管體兩端設(shè)有錐狀三角形內(nèi)、外螺紋，二者的螺紋中徑互相平行；在管體內(nèi)、外螺紋牙型側(cè)面設(shè)有凹、凸弧形密封面，上扣時，管體的凹、凸弧形密封面從線接觸密封開始逐步實現(xiàn)過盈配合，不同于其他密封形式，這種密封面之間的線接觸過盈配合可以使得密封面的整體的受力情況得到很大改善；這種要求的目的是為了在深井復(fù)雜工況和地質(zhì)環(huán)境下一旦密封面產(chǎn)生變形后在這兩段幾何空間之間形成了變形的釋放空間，起到保護密封面和實現(xiàn)有效密封的目的。
[0013]本發(fā)明所述的石油鉆具螺紋連接結(jié)構(gòu)具有高抗扭矩及多級密封功能。本發(fā)明的優(yōu)點是:1、接頭連接強度高，可以與管體等強度匹配，甚至有的高于管體，適用于深井、超深井；2、抗彎能力強，適用于斜井、大位移井和水平井；3、上扣容易，可快速上扣且不易錯扣，適用于沙漠、海洋上等惡劣環(huán)境下的鉆井作業(yè)；4、抗粘扣性能好，可以反復(fù)上卸扣而不損傷螺紋；5、抗過扭矩能力強。
[0014]該種鉆具產(chǎn)品主要是針對俄羅斯國客戶，客戶的反映良好:以往在索賓斯克和伊爾庫次克州的維爾赫涅瓊斯克、科維克金以及薩哈共和國的塔拉甘斯克、恰揚金斯克、中博圖奧賓斯克、中維柳伊斯克、中瓊格斯克等油氣田鉆探中所使用的鉆管連接螺紋結(jié)構(gòu)只能在扭力矩為10500N.m?18000N.m內(nèi)使用?，F(xiàn)在客戶用了我公司的氣密型特殊螺紋鉆具，鉆進時的扭力矩最高達到32000N.m時，無需更換新管。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明所述的鉆具的結(jié)構(gòu)示意圖 圖2為母接頭螺紋結(jié)構(gòu)示意圖
圖3為公接頭螺紋結(jié)構(gòu)示意圖 圖4為公接頭和母接頭咬合狀態(tài)圖。
【具體實施方式】
[0016]如圖1所示意鉆具，兩端分別為公接頭、母接頭；所述的公接頭、母接頭為雙齒型氣密封螺紋，如圖2、圖3所示意，所述公接頭和母接頭的螺紋為錐狀三角形螺紋，牙型角為60°，內(nèi)、外螺紋分別具有三級密封面:臺肩面、端面有15°角錐面密封、牙側(cè)表面凸弧形密封面和凹弧形密封面形成的密封槽Rtl-Cltl2和IT';，螺紋的牙高為3.095mm齒頂寬
1.66mm,螺距4齒/英寸，錐度1: 6，密封槽R=0.5mm。
[0017]如圖4所示意，在預(yù)緊力9000N.m~12000N.m作用下螺紋副緊密旋接，此時外螺紋的大徑與內(nèi)螺紋大徑的間隙只有0.032~0.068mm (標準是0.10~0.30mm)
以圖1、2、3所示結(jié)構(gòu)為例，該螺紋連接抗扭矩最大極限計算分析:
在鉆具連接螺紋中，由于上扣扭矩的作用，使連接螺紋預(yù)緊，并產(chǎn)生預(yù)緊力F，同時，
由于預(yù)緊力的存在，又使連接螺紋的螺旋副間產(chǎn)生螺紋力矩A，端面之間產(chǎn)生摩擦力矩
[0018]扭矩:
【權(quán)利要求】
1.一種雙齒型氣密封螺紋，所述鉆具管體兩端分別為錐狀三角形的內(nèi)螺紋、外螺紋；其特征在于:內(nèi)螺紋上設(shè)有凹弧形密封面，在外螺紋上設(shè)有凸弧形密封面，所述凸形密封面為橢圓弧形、拋物線弧形、樣條曲線狀的凸弧形密封面；所述外螺紋凸弧形密封面與內(nèi)螺紋凹弧形密封面嚙合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙齒型氣密封螺紋，其特征在于:錐狀三角形螺紋牙型角為60°，內(nèi)、外螺紋分別具有三級密封面:臺肩面、端面有15°角錐面密封、牙側(cè)表面凸弧形密封面和凹弧形密封面形成的密封槽Rtl-Cltl2和IT';，螺紋的牙高為3.095mm齒頂寬1.66mm,螺距4齒/英寸，錐度1: 6，密封槽R=0.5mm。
【文檔編號】E21B17/042GK103696704SQ201310580629
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月19日
【發(fā)明者】宮晉文, 魏曉波, 成三琴, 張永紅, 扎哈羅夫·謝爾蓋·尤里耶維奇 申請人:山西環(huán)界石油鉆具制造股份有限公司