一种高温井用套管的特殊螺纹接头
阅读说明：本技术 一种高温井用套管的特殊螺纹接头 (Special screwed joint of high-temperature well casing pipe ) 是由 余夫 张忠铧 詹先觉 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：一种高温井用套管的特殊螺纹接头,包括,接箍母端及与其啮合的套管管体公端,所述接箍母端设内螺纹、内密封结构和内止退台肩；所述套管管体公端设外螺纹、外密封结构和外止退台肩；其中,所述内密封结构和外密封结构在螺纹进给方向上的长度为18mm～24mm,所述外螺纹与内螺纹之间具有间隙,所述内螺纹与外螺纹、内密封结构与外密封结构形成过盈配合,形成主密封；所述内止退台肩与外止退台肩配合,形成辅密封。本发明所述高温井用套管的特殊螺纹接头在高温条件(250℃以上)下仍能满足服役工况所需要的气密封性能和抗拉性能。(A special threaded joint of a high-temperature well casing comprises a coupling female end and a casing pipe body male end meshed with the coupling female end, wherein the coupling female end is provided with internal threads, an internal sealing structure and an internal retaining shoulder; the male end of the sleeve pipe body is provided with an external thread, an external sealing structure and an external backstop shoulder; the length of the inner sealing structure and the length of the outer sealing structure in the thread feeding direction are 18-24 mm, a gap is formed between the external thread and the internal thread, and the internal thread and the external thread, the inner sealing structure and the outer sealing structure form interference fit to form a main seal; the inner retaining shoulder is matched with the outer retaining shoulder to form auxiliary sealing. The special threaded joint of the high-temperature well casing pipe can still meet the air tightness and tensile strength required by service working conditions under high-temperature conditions (above 250 ℃).)
技术领域
本发明涉及石油套管螺纹连接技术领域，具体涉及一种高温井用套管的特殊螺纹接头。
背景技术
高温井指井内流体(油、气、水)的温度高于250℃，甚至达到400℃以上。目前高温井主要涉及稠油和地热开采，稠油开采主要使用蒸汽驱、蒸汽吞吐和火驱等工艺，蒸汽驱和蒸汽吞吐工艺的特点是需将高温(250℃)、高压(20MPa左右)蒸汽从井口注入井底，油层的稠油吸热后粘度降低易于流动，从而流出井筒。火驱主要是从井口注入空气，油层燃烧，其稠油吸热后，粘度降低易于流动，从而与高温气体一起流出井筒。地热开采向深层干热岩型地热资源开发拓展，流体类型主要为水蒸气，温度范围在300℃～650℃之间。
高温井服役过程中，注采工艺周期性的变化，会造成套管承受周期性的拉、压载荷，接头容易发生泄漏等损坏，从而造成井的报废。
目前国内稠油井如新疆油田、辽河油田；地热井开发中等多数使用API螺纹接头套管产品，这类接头技术成熟，按API螺纹接头标准加工和生产，成本低。但该类接头没有密封面结构，仅靠螺纹及螺纹脂密封，在复合的拉压载荷作用下，内外螺纹会出现分离，导致高温条件下无法对高压流体进行密封而发生泄漏，造成管柱完整性失效。
目前，国内外针对温度低于180℃井的服役工况开发了多种不同的气密封螺纹接头，且能满足ISO 13679标准要求，适用于现场的服役工况；而该类接头不适用于高温(250℃以上)井服役工况的主要原因是，套管材料在高温(250℃以上)下会发生屈服，而温度低于180℃井的套管材料是弹性状态。材料处于屈服状态，其技术性能上仍需满足气密封性能；仍需满足抗拉强度要求；高温(250℃以上)井用螺纹接头需满足ISO 12835标准要求，与温度低于180℃井用螺纹接头适用的标准不一样。
现有高温井用套管特殊螺纹接头如：
中国专利公开号CN201013256Y公开的一种稠油热采井用套管接头，内锥面密封结构的锥度是1:9，锥面长度是8～10mm；外锥面密封结构的锥度是1:10，锥面长度是8～10mm；钩式内螺纹的导向面是10°，承载面角是-3～5°，螺纹高度1.657mm；钩式外螺纹的导向面角是10°，承载面角是-3～5°，螺纹高度1.575mm。该接头拧接后，外螺纹与内螺纹互相啮合，提供与管体相当的连接强度；外密封锥面与内密封锥面形成过盈配合，从而保证其良好的密封性能。与API螺纹接头相比，该专利的密封性能、抗热应力的能力有明显提高。其不足之处在于，密封结构的锥度不一样，且接触长度短，易造成密封失效。
中国专利公开号CN2700542Y公开了一种热采井套管接头，其锥度为1:16，螺纹牙型为API偏梯形螺纹，外螺纹为API偏梯形外螺纹并增加外密封柱面和端面台肩，内螺纹为API偏梯形内螺纹并增加内密封球面和应力释放台肩。API偏梯形内外螺纹互相啮合，保证连接强度与管体相当；外密封柱面与内密封球面形成过盈配合，保证其良好的密封性能。其不足之处是：球面/柱面密封结构的接触长度短，圆周方向上有一处损坏，则密封失效。
对于高温井，API标准螺纹接头的力学性能不能满足服役工况要求，特别是不能防止高压高温气体的窜出。因此，实际服役工况下，需要一种既具有结构完整性，又具备气密封完整性的螺纹接头。
发明内容
本发明的目的在于设计一种高温井用套管的特殊螺纹接头，在高温条件(250℃以上)下仍能满足服役工况所需要的气密封性能和抗拉性能。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种高温井用套管的特殊螺纹接头，包括，接箍母端及与其啮合的套管管体公端，所述接箍母端设内螺纹、内密封结构和内止退台肩；所述套管管体公端设外螺纹、外密封结构和外止退台肩；其中，所述内密封结构和外密封结构在螺纹进给方向上的长度为18mm～24mm，所述外螺纹与内螺纹之间具有间隙，所述内螺纹与外螺纹、内密封结构与外密封结构形成过盈配合，形成主密封；所述内止退台肩与外止退台肩配合，形成辅密封；该特殊螺纹接头的适用的外径规格在之间。
优选的，所述内密封结构和外密封结构在齿高方向上的深度为0.60mm～1.2mm。
优选的，所述内止退台肩、外止退台肩与接头径向之间的角度范围为0～10°。
优选的，所述外螺纹和内螺纹的齿形均为偏梯形齿形。
优选的，所述内螺纹的齿高高于外螺纹的齿高，所述内螺纹的齿底存在间隙，且充填螺纹脂。
优选的，所述内螺纹的齿高1.775～1.975mm，外螺纹的齿高1.575～1.770mm，间隙大小为0.15～0.2mm。
优选的，所述内螺纹、外螺纹的导向面角间存在间隙，且充填螺纹脂。
优选的，所述的内螺纹、外螺纹的导向面角是15°，承载面角是-5.71°，螺距是每英寸5牙。
优选的，所述内密封结构、外密封结构的锥度是1:4.5～1:9.5。
优选的，所述内止退台肩与外止退台肩配合为过盈配合。
在本发明所述高温井用套管的特殊螺纹接头设计中：
所述特殊螺纹接头的螺纹锥度为1:16，管体公端的外螺纹与接箍母端的内螺纹啮合，可保证高的连接强度；外螺纹和内螺纹的齿形均为改进的偏梯形，且外螺纹与内螺纹之间具有间隙。内螺纹内密封结构与外螺纹外密封结构过盈配合，形成主密封，接触长度长，提供优良的密封性能。内螺纹止退台肩与外螺纹止退台肩配合，形成辅密封，同时有效缓解高温产生的热应力。该特殊螺纹接头的适用的外径规格在之间。
为保证高温下，材料处于屈服状态下仍有可靠的气密封性能。对密封面的技术要求：内密封结构与外密封结构的锥度均是1:4.5～1:9.5，在螺纹进给方向上的长度为18mm～24mm，在齿高方向上的深度为0.60mm～1.2mm。
为保证高温下，螺纹接头有足够的抗拉强度，缓解高温产生的热应力。对螺纹尺寸的技术要求：内螺纹齿高1.775～1.975mm，外螺纹的齿高1.575～1.770mm，间隙大小为0.15～0.2mm。内外螺纹的导向面角是15°，承载面角是-5.71°，螺距是每英寸5牙。
所述特殊螺纹接头不依靠螺纹实现密封，为保证高的连接强度且具有良好的使用性能，内螺纹的齿高高于外螺纹的齿高；接箍母端和管体公端拧接后，内螺纹的齿底存在间隙，内外螺纹的导向面角间也存在间隙，为实现更好的密封性能，间隙间会充填螺纹脂，以此达到辅助气密封的作用。
内外止退台肩与接头径向方向间的角度范围为0～10°，接箍母端和管体公端拧接后，内止退台肩与外止退台肩具有过盈配合，形成辅密封。同时，内外止退台肩的设定保证了该特殊螺纹接头的抗扭能力和抗压缩能力。
本发明所述螺纹锥度为1:16，管体公端的外螺纹与接箍母端的内螺纹啮合，可保证高的连接强度；外螺纹和内螺纹的齿形均为改进的偏梯形，且外螺纹与内螺纹之间具有间隙。
本发明所述内螺纹、内密封结构与外螺纹、外密封结构过盈配合，形成主密封，接触长度长，提供优良的密封性能。
本发明所述内螺纹止退台肩与外螺纹止退台肩配合，形成辅密封，同时有效缓解高温产生的热应力。
本发明所述特殊螺纹接头不依靠螺纹实现密封，为保证高的连接强度且具有良好的使用性能，内螺纹的齿高高于外螺纹的齿高；接箍母端和管体公端拧接后，内螺纹的齿底存在间隙，内外螺纹的导向面角间也存在间隙。
通过上述本发明实施例的方法，设计并制造该特殊螺纹接头，可为高温油气井及地热井的开发提供良好的密封完整性和结构完整性，以有效阻止钻进施工及开发过程中井下复杂事故的发生。
本发明的优点在于：高温(超过250℃)条件下，套管材料会发生塑性变形，已有的螺纹设计是基于弹性密封机理开展的，且密封结构短，塑性变形后密封结构不能有效的接触，造成密封失效。本发明中考虑了材料的塑性变形，将内密封结构与外密封结构在螺纹进给方向上的长度设为18mm～24mm，形成软性密封，同时配合齿高方向上的深度为0.60mm～1.2mm，塑性变形后仍可有效的接触并密封。根据密封结构的设计，内、外止退台肩与接头径向方向间的角度范围为0～10°，角度更陡，扭矩更大，可更好的保证内止退台肩与外止退台肩具有过盈配合，形成辅密封。已有的止退台肩与接头径向方向间的角度范围没有考虑密封结构的设计，且角度设计一般大于15°，扭矩小，辅密封存在失效的可能。
本发明所述内密封结构与外密封结构在螺纹进给方向上的长度为18mm～24mm，形成软性密封，并配合齿高方向上的深度为0.60mm～1.2mm；同时，根据密封结构的设计，设计内、外止退台肩与接头径向方向间的角度范围为0～10°，内止退台肩与外止退台肩具有过盈配合，形成辅密封。该特殊螺纹接头的适用的外径规格在之间。基于上述三点的结构设计及相互配合，使本发明所述特殊螺纹接头具有良好的抗拉伸、抗压缩和抗扭能力，同时具有优良的防粘扣性能和气密封性能。更重要的是，该接头通过了ISO12835(热采井套管接头试验标准)的国际认证标准，在复合加载的工况条件下，其密封完整性和结构完整性能满足高温井的钻井开发，实现了在高温条件(250℃以上，甚至可达350℃)下仍能满足服役工况所需要的气密封性能和抗拉性能。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明所述的高温井用套管的特殊螺纹接头，其包括，接箍母端1及与其啮合的套管管体公端2，所述接箍母端1设内螺纹11、内密封结构12和内止退台肩13；所述套管管体公端2设外螺纹21、外密封结构22和外止退台肩23；其中，
所述内密封结构12和外密封结构22在螺纹进给方向上的长度为18mm～24mm，所述外螺纹21与内螺纹11之间具有间隙，所述内螺纹11与外螺纹21、内密封结构12与外密封结构22形成过盈配合，形成主密封；所述内止退台肩13与外止退台肩23配合，形成辅密封。
所述特殊螺纹接头的螺纹锥度为1:16，管体公端的外螺纹与接箍母端的内螺纹啮合，可保证高的连接强度；外螺纹和内螺纹的齿形均为偏梯形，且外螺纹与内螺纹之间具有间隙；内螺纹、内密封结构与外螺纹、外密封结构过盈配合，形成主密封，接触长度长，提供优良的密封性能。内螺纹止退台肩与外螺纹止退台肩配合，形成辅密封，同时有效缓解高温产生的热应力。
内螺纹齿高1.775～1.975mm，外螺纹的齿高1.575～1.770mm，间隙大小为0.15～0.2mm。内外螺纹的导向面角是15°，承载面角是-5.71°，螺距是每英寸5牙。
该特殊螺纹接头不依靠螺纹实现密封，为保证高的连接强度且具有良好的使用性能，内螺纹的齿高高于外螺纹的齿高；接箍母端和管体公端拧接后，内螺纹的齿底存在间隙，内外螺纹的导向面角间也存在间隙，为实现更好的密封性能，间隙间会充填螺纹脂，以此达到辅助气密封的作用。
内密封结构与外密封结构的锥度均是1:4.5～1:9.5，在螺纹进给方向上的长度为18mm～24mm，在齿高方向上的深度为0.60mm～1.2mm。
内外止退台肩与接头径向方向间的角度范围为0～10°，接箍母端和管体公端拧接后，内止退台肩与外止退台肩具有过盈配合，形成辅密封。同时，内外止退台肩的设定保证了该特殊螺纹接头的抗扭能力和抗压缩能力。
本发明所述特殊螺纹接头具有良好的抗拉伸、抗压缩和抗扭能力，同时具有优良的防粘扣性能和气密封性能。更重要的是，该接头通过了ISO12835(热采井套管接头试验标准)的国际认证标准，在复合加载的工况条件下，其密封完整性和结构完整性能满足高温井的钻井开发。
通过上述本发明所述特殊螺纹接头，可为高温油气井及地热井的开发提供良好的密封完整性和结构完整性，以有效阻止钻进施工及开发过程中井下复杂事故的发生。
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