高密封偏梯形螺纹套管接头

1.一种高密封偏梯形螺纹套管接头，包括通过螺纹连接的接箍（1）及管体（2、32），所述接箍（1）内壁的轴向中部设置有环状的内台阶柱面（10）；其特征是：所述接箍（1）的两端加工有标准偏梯形内螺纹（3），所述标准偏梯形内螺纹（3）靠近所述内台阶柱面（10）的后端设置有楔形内螺纹（5），所述管体（2、32）端部的外壁上加工有标准偏梯形外螺纹（4），所述标准偏梯形外螺纹（4）的前端设置有楔形外螺纹（6），所述楔形内螺纹（5）与所述楔形外螺纹（6）的牙侧角（16）为负角度；所述内台阶柱面（10）的两端面与所述管体（2、32）的端部之间分别设置有金属密封结构，所述金属密封结构包括设置在所述接箍（1）上的内密封结构（7）及设置在所述管体（2、32）上的外密封结构（8）；所述内密封结构（7）包括设置在所述内台阶柱面（10）端面与所述接箍（1）内螺纹端部之间的内密封面（18），所述内台阶柱面（10）的端面的径向中部向内凹入形成凹槽；所述外密封结构（8）包括设置在所述管体（2、
32）端部外壁上的外密封面（19），所述管体（2、32）端面的径向中部向外凸出形成凸起；
所述牙侧角（16）的值为5°~15°；
所述楔形内螺纹（5）与所述楔形外螺纹（6）的牙数为1~5牙；
所述内台阶柱面（10）端面凹槽的一边与所述接箍（1）轴线之间形成的锐角为内密封面倒角（26），所述内密封面倒角（26）的值为10°~30°，其另一边与所述接箍（1）径向之间形成的锐角为内台肩倒角（28），所述内台肩倒角（28）的值为8°~35°；所述管体（2、32）端面凸起的一边与所述管体（2、32）的轴线之间形成的锐角为外密封面倒角（27），所述外密封面倒角（27）与所述内密封面倒角（26）的值相同，其另一边与所述管体（2、32）径向之间形成的锐角为外台肩倒角（29），所述外台肩倒角（29）比所述内台肩倒角（28）小0~2°；
所述内台阶柱面（10）端面凹槽的顶点处设置有内顶点圆弧（24），所述内顶点圆弧（24）的半径为0.20~1.2mm；所述管体（2、32）端面凸起的顶点处设置有外顶点圆弧（25），所述外顶点圆弧（25）的半径比所述内顶点圆弧（24）的半径大0~0.5mm；
所述内密封面（18）的长度为4~10mm，所述外密封面（19）的长度比所述内密封面（18）的长度长半个螺距；
所述内密封结构（7）的内台肩厚度（22）为4~10mm，所述外密封结构（8）的外台肩厚度（23）与所述内台肩厚度（22）相等；
所述管体（2、32）端部的内壁上设置有内圆柱面（30），所述内圆柱面（30）通过过渡锥面（31）与所述管体（2、32）的内孔相连，所述内圆柱面（30）的长度为5~20mm。

高密封偏梯形螺纹套管接头\n技术领域\n[0001] 本发明涉及应用于石油行业的油井管螺纹接头，具体地说是一种高密封偏梯形螺纹套管接头。\n背景技术\n[0002] 油井管行业中的油套管主要是通过螺纹接头连接起来，形成油套管柱，长度达到数千米，其中螺纹接头的连接强度、密封性能、抗弯曲能力、抗扭矩性能及拉伸载荷等性能的优劣直接影响着油井管的连接质量。不同的地质结构需要不同的螺纹连接形式的油井管，以满足使用要求。\n[0003] 随着油田开采的不断发展，对油井管螺纹接头的要求越来越严格，特别是对油井管的相关主要性能指标要求越来越高。现有的API（美国石油学会）偏梯形螺纹接头，存在抗扭矩性能较弱，连接强度低，密封性能差，抗挤毁能力差等不足。世界各油井管加工企业对螺纹接头不断地创新，出现了不同的螺纹结构连接形式，但是还是不能够满足油田开采的使用要求。\n发明内容\n[0004] 本发明针对上述问题，提供一种高密封偏梯形螺纹套管接头，该接头连接强度高，密封性能好，抗压缩载荷能强，同时抗扭矩性能高。\n[0005] 按照本发明的技术方案：一种高密封偏梯形螺纹套管接头，包括通过螺纹连接的接箍及管体，所述接箍内壁的轴向中部设置有环状的内台阶柱面；所述接箍的两端加工有标准偏梯形内螺纹，所述偏梯形内螺纹靠近所述内台阶柱面的后端设置有楔形内螺纹，所述管体端部的外壁上加工有标准偏梯形外螺纹，所述偏梯形外螺纹的前端设置有楔形外螺纹，所述楔形内螺纹与所述楔形外螺纹的牙侧角为负角度；所述内台阶柱面的两端面与所述管体的端部之间分别设置有金属密封结构，所述金属密封结构包括设置在所述接箍上的内密封结构及设置在所述管体上的外密封结构；所述内密封结构包括设置在所述内台阶柱面端面与所述接箍内螺纹端部之间的内密封面，所述内台阶柱面的端面的径向中部向内凹入形成凹槽；所述外密封结构包括设置在所述管体端部外壁上的外密封面，所述管体端面的径向中部向外凸出形成凸起。\n[0006] 所述牙侧角的值为5°~15°。\n[0007] 所述楔形内螺纹与所述楔形外螺纹的牙数为1~5牙。\n[0008] 所述内台阶柱面端面凹槽的一边与所述接箍轴线之间形成的锐角为内密封面倒角，所述内密封面倒角的值为10°~30°，其另一边与所述接箍径向之间形成的锐角为内台肩倒角，所述內台肩倒角的值为8°~35°；所述管体端面凸起的一边与所述管体的轴线之间形成的锐角为外密封面倒角，所述外密封面倒角与所述内密封面倒角的值相同，其另一边与所述管体径向之间形成的锐角为外台肩倒角，所述外台肩倒角比所述內台肩倒角小\n0~2°。\n[0009] 所述内台阶柱面端面凹槽的顶点处设置有内顶点圆弧，所述内顶点圆弧的半径为\n0.20~1.2mm；所述管体端面凸起的顶点处设置有外顶点圆弧，所述外顶点圆弧的半径比所述内顶点圆弧的半径大0~0.5mm。\n[0010] 所述内密封面的长度为4~10mm，所述外密封面的长度比所述内密封面的长度长半个螺距。\n[0011] 所述内密封结构的内台肩厚度为4~10mm，所述外密封结构的外台肩厚度与所述内台肩厚度相等。\n[0012] 所述管体端部的内壁上设置有内圆柱面，所述内圆柱面通过过渡锥面与所述管体的内孔相连，所述内圆柱面的长度为5~20mm。\n[0013] 本发明的技术效果在于：本发明在标准偏梯形螺纹的端部增加了楔形螺纹及金属与金属的非平面台肩密封结构，增加了接头的连接强度、密封性能、抗弯曲能力、抗压缩载荷能力和抗扭矩性能。\n附图说明\n[0014] 图1为本发明的结构示意图。\n[0015] 图2为本发明分解后的结构示意图。\n[0016] 图3为本发明中的楔形的牙型图。\n[0017] 图4为本发明中的内密封结构的放大图。\n[0018] 图5为本发明中的外密封结构的放大图。\n具体实施方式\n[0019] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。\n[0020] 图1~图5中，包括接箍1、管体2、偏梯形内螺纹3、偏梯形外螺纹4、楔形内螺纹5、楔形外螺纹6、内密封结构7、外密封结构8、中径线9、内台肩柱面10、锥度11、螺距12、齿高\n13、齿型牙宽14、齿型槽宽15、牙侧角16、齿型圆弧17、内密封面18、外密封面19、内密封面倒角长度20、外密封面倒角长度21、内台肩厚度22、外台肩厚度23、内顶点圆弧24、外顶点圆弧25、内密封面倒角26、外密封面倒角27、内台肩倒角28、外台肩倒角29、内圆柱面30，过渡锥面31、管体32等。\n[0021] 如图1、图2所示，本发明是一种高密封偏梯形螺纹套管接头，包括通过螺纹连接的接箍1及管体2、32，接箍1和管体2、32是以虚拟的中径线9为基准，以内外螺纹进行旋合，以管体2与管体34通过接箍1进行若干连接形成油、套管柱，满足油气田生产使用要求。\n[0022] 接箍1内壁的轴向中部设置有环状的内台阶柱面10。内台阶柱面10的长度范围是50~200mm，可增加接头的连接强度和抗弯曲能力。\n[0023] 接箍1的两端加工有标准偏梯形内螺纹3，偏梯形内螺纹3靠近内台阶柱面10的后端设置有楔形内螺纹5。管体2、32端部的外壁上加工有标准偏梯形外螺纹4，偏梯形外螺纹4的前端设置有楔形外螺纹6。偏梯形内螺纹3与偏梯形外螺纹4采用API标准。\n[0024] 如图3所示，楔形内螺纹5与楔形外螺纹6尺寸相同公差不同以达到过渡配合时的密封要求。楔形内螺纹5与楔形外螺纹6的牙侧角16为负角度，牙侧角16的值为\n5°~15°。楔形内螺纹5与楔形外螺纹6的锥度11为1:16、螺距12为5.08mm，其锥度、螺距与API标准相同，楔形螺纹旋合时，在偏梯形螺纹的引导下旋合自如，不会发生任何干涉。\n楔形内螺纹5与楔形外螺纹6的齿高13为1.00mm~1.43mm、齿型牙宽14为1.50mm~2.07mm、齿型槽宽15为2.55mm~3.03mm、齿型圆弧17半径为0.40mm~0.50mm。楔形内螺纹5与楔形外螺纹6的牙数为1~5牙。\n[0025] 在加工时，偏梯形螺纹向楔形螺纹过渡变形时应平滑过渡，过渡面长度不能超过1个螺距的长度。偏梯形螺纹与楔形螺纹的总长度可以通过减少或增加偏梯形螺纹牙数，也可通过减少或增加楔形螺纹牙数来满足管体2、32端部加工的总长度要求，但其增加或减少的牙数不能超过4牙，其接箍1螺纹的加工相同。\n[0026] 再参见图1及图2，在接箍1内台阶柱面10的两端面与管体2、32的端部之间分别设置有金属密封结构。金属密封结构包括设置在接箍1上的内密封结构7及设置在管体\n2、32上的外密封结构8。\n[0027] 如图4所示，内密封结构7包括设置在内台阶柱面10端面与接箍1内螺纹端部之间的内密封面18，内密封面18的长度为4~10mm，内密封结构7的内台肩厚度22为4~10mm。\n内台阶柱面10的端面的径向中部向内凹入形成凹槽，凹槽的一边与接箍1轴线之间形成的锐角为内密封面倒角26，内密封面倒角26的值为10°~30°，其另一边与接箍1径向之间形成的锐角为内台肩倒角28，內台肩倒角28的值为8°~35°。内台阶柱面10端面凹槽的顶点处设置有内顶点圆弧24，内顶点圆弧24的半径为0.20~1.2mm。\n[0028] 如图5所示，外密封结构8包括设置在管体2、32端部外壁上的外密封面19，外密封面19的长度比内密封面18的长度长半个螺距，以满足楔形内螺纹5与楔形外螺纹6在大扭矩下的紧密配合不发生干涉。外密封结构8的外台肩厚度23与内台肩厚度22相等，以满足其紧密配合后在同一个平面，不会造成油气在管体内紊流现象，达到平滑顺利通过。\n管体2、32端面的径向中部向外凸出形成凸起，凸起的一边与管体2、32的轴线之间形成的锐角为外密封面倒角27，外密封面倒角27与内密封面倒角26的值相同，其另一边与管体\n2、32径向之间形成的锐角为外台肩倒角29，外台肩倒角29比內台肩倒角28小0~2°，以\n0.5°~1°最佳，满足内、外台肩在机紧情况下造成的塑性变形状态下达到过盈配合状态。\n管体2、32端面凸起的顶点处设置有外顶点圆弧25，外顶点圆弧25的半径比内顶点圆弧24的半径大0~0.5mm，，以满足内、外台肩在机紧状态下，内外圆弧配合时造成塑性变形状态下达到过盈配合状态。管体2、32端部的内壁上设置有内圆柱面30，内圆柱面30通过过渡锥面31与管体2、32的内孔相连，内圆柱面30的长度为5~20mm，过渡锥面31长度不作要求，其内圆柱面30和过渡锥面31的长度可以根据管体2、32壁厚来规定，使其能够在紧密配合后能够和内台阶柱面10保持同一个平面并平滑过渡即可。\n[0029] 本发明操作时，将接箍1的任意一端先套入管体2上，套入时应将接箍1的内螺纹与管体2的外螺纹先套入3~7扣，套扣时应轻缓将外外螺纹对扣然后人力旋入，以人力旋合不动是为止，将已经手紧旋合在一起的接箍1和管体2用石油管道拧接机器进行进一步的机器拧接达到机器拧接时的过盈配合状态。\n[0030] 当接箍1与管体2在机器拧接过盈旋紧配合后，其楔形内螺纹5、楔形外螺纹6在偏梯形螺纹的旋合引导下，能够顺利自如旋入配对达到过渡配合状态型成一定的密封性，楔形螺纹能够显著增加其连接强度及抗弯曲能力，其楔形螺纹齿型具有高密封性能，有效提高螺纹接头的高复合承载能力，可提供与管体相当的内压抗力；同时内台肩厚度22、外台肩厚度23达到了过盈配合，大大增加了其高抗扭矩性能和压缩载荷能力及拉伸载荷的能力。同时内密封面18与外密封面19两者的外径形成径向过盈配合，大大增加其配合的密封性能，使接头具有多重密封结构，有效提高螺纹接头的高复合承载能力；机紧的位置和扭矩大小可以按照API标准操作或工艺文件另行规定，但是必须满足内台肩厚度22、外台肩厚度23在机紧旋合后不得有任何间隙。同样的紧固方法将其接箍1和管体32是以虚拟的中径线9为基准进行紧密配合，达到管体32与管体2通过接箍1进行若干连接形成油、套管柱满足油气田生产使用要求。在油田下井时将其一个个的连接件机紧连接形成数千米的油套管柱。\n[0031] 本发明在标准偏梯形螺纹的端部增加了楔形螺纹密封结构，楔形螺纹能够显著增加接头的连接强度及抗弯曲能力，其楔型螺纹齿型具有高密封性能，有效提高螺纹接头的高复合承载能力，可提供与管体相当的内压抗力，楔型螺纹有效提高螺纹接头的防脱扣性能及拉伸载荷性能；本发明同时采用了金属与金属的非平面台肩密封结构，达到了螺纹接头的多重密封结构，大大增加了抗压缩载荷能力和抗扭矩性能及高密封性能。本发明非常适合深井、超深井、高压油井及高压气井使用。