专利名称：气密封锯齿形油井管螺纹接头结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及油井管螺纹连接技术领域，特别是一种采用锯齿形螺纹并具有高气密封性能的油井管螺纹接头结构。
背景技术：
在开采石油和天然气的过程中，几百根石油油管通过螺纹接头连接起来，组成几千米长的管柱，接头需要承受内压、外压、拉伸、弯曲载荷等，接头部位是整个管柱的最薄弱的环节。随着钻井技术的发展和能源需求的不断增加，越来越多的天然气井陆续投入开采，天然气比油井更容易从油管联接部位泄漏，而且天然气井的井压往往较高，有些天然气井的井压甚至达到上IOOMPa以上，并且井深在5000m以上，这时普通的API油管联接接头已经达不到使用要求。目前，油井管采用的接头通常为API标准接头，套管采用圆螺纹和偏梯形螺纹连接形式，油管采用的是圆螺纹连接形式，但采用API圆螺纹连接的油管的连接强度只相当于管体强度的60% 80%，抗弯曲性能也差，容易发生滑脱事故，并且密封性能也达不到天然气井开采的使用要求，常常发生泄漏，引起严重后果。为了克服API标准接头上述的缺点，目前研究人员已开发了出了大量的特殊螺纹接头。例如专利公开号为CN 2575286Y的“油、套管螺纹接头”实用新型专利，该专利技术对API联接螺纹接头进行了改进，改进后的螺纹接头为一种锥形螺纹接头，由外螺纹件和内螺纹件通过螺纹连接而成，其螺纹为改进的偏梯形螺纹，外螺纹件前端有一个圆柱密封面，内螺纹件的螺纹以外有一个凸起球面密封面，柱面与球面过盈配合构成主密封部分。外螺纹件前端倒成-9°或-15°角，与内螺纹件的-9°或-15°台肩过盈配合构成副密封部分。该实用新型采用了金属/金属密封结构，利用外螺纹件前端的圆柱密封面与内螺纹件后端的球面密封面之间的过盈配合起密封作用，密封性能进一步增强。但其缺点是:1)圆柱面/球面之间的接触属于线接触，接触长度很短，为达到密封效果必须使此处产生很高的接触压力，密封面非常容易损坏；2)扭矩台肩最大为-15°，该角度偏小，辅助密封效果差，对密封不利。
发明内容本实用新型的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种采用锯齿形螺纹并具有高气密封性能的油管螺纹接头结构。本实用新型的技术方案是:一种气密封锯齿形油井管螺纹接头结构，在管体上依次加工有锯齿形外螺纹、圆柱面、圆锥密封面和端面台肩；在接箍上依次加工有锯齿形内螺纹、圆柱孔、圆锥密封孔和止扣扭矩台肩。锯齿形外螺纹和锯齿形内螺纹的螺距分别为每英寸5 8牙，锥度分别为1:16，螺纹母线平行于锥线；锯齿形外螺纹的承载面角为Y1，导向面角为Q1，锯齿形内螺纹的承载面角为Y2，导向面角为θ2，其中Yl= Y2= 1° 7°，Q1 = θ2= 10° 25° ;锯齿形内螺纹的高度为Ii1，锯齿形外螺纹的高度为h2，其中Ii1 = h2+0.2 = 0.98 1.18mm。接箍上圆锥密封孔与止扣扭矩台肩之间采用圆弧光滑过渡，其圆弧半径为R1,R1=0.4 0.7mm ;管体上的圆锥密封面与端面台肩之间采用圆弧光滑过渡，其圆弧半径为R2, R2= Ri+0.1mm ;管体上的圆锥密封面与圆柱面之间采用圆弧光滑过渡，其圆弧半径为R3,R3与R2满足关系:R3=6R2=3 4.2mm，这样有利于管体上的圆锥密封面顺利旋入接箍上的圆锥密封孔。管体上端面台肩与垂线之间的夹角为a 2，接箍上扭矩台肩与垂线之间的夹角为a I，a I与a 2之间丨两足如下关系Ia1=Q2 = IS 30 。这样的台肩角度，使接触压力在径向的分量增大，接头在拉伸、弯曲载荷作用下仍能保证密封效果。接箍上圆锥密封孔与垂线之间的夹角为P1，管体上圆锥密封面与垂线之间的夹角为@2，P1与P2之间满足如下关系:^^=^^=75° 105°。P1与P2相同，可以使两个锥面完全紧密接触，接触压力均匀分布，最大限度地提高密封可靠性。内螺纹和外螺纹之间的直径方向过盈量控制在0.08 0.28mm之间，该过盈量远小于普通API油管螺纹的过盈量，因螺纹过盈量减少而损失的上扣扭矩将由端面台肩和止扣扭矩台肩共同分担，这样，螺纹部位产生的应力集中程度得以缓解，有利于提高接头的抗应力腐蚀能力。密封由圆锥密封面和圆锥密封孔配合及端面台肩和止扣扭矩台肩配合来实现，其中:圆锥密封面和圆锥密封孔配合起主要密封作用，其直径方向过盈量在0.25 0.55mm之间；端面台肩和止扣扭矩台肩配合起辅助密封作用，其轴向过盈量在0.05 0.1mm之间。这两个密封结构可以起到同样的密封效果，如果其中一个密封结构损坏，另一个仍然可以起到同样的密封性效果。管体上的圆柱面与接箍上的圆柱孔之间存在0.2 0.6mm的间隙，这个间隙可以储存拧紧过程中多余的螺纹脂，也方便加工过程刀具的退出。接头使用时，外螺纹与内螺纹、圆锥密封面与圆锥密封孔分别发生径向过盈，端面台肩与止扣扭矩台肩形成轴向过盈配合，管体与接箍旋合后内通孔平齐。本实用新型与现有技术相比具有如下特点:1、螺纹采用锯齿形螺纹，承载面角1° 7°，导向面角10° 25°，既保证了管柱在拉伸和压缩状态下的性能，同时，内、外螺纹采用齿高不一致，并采用小径过盈，能最大限度地降低螺纹在在拧紧状态下得应力集中，因此，该接头连接强度能达到或超过管体的连接强度。2、将主密封结构设计为内螺纹锥面和外螺纹锥面密封，外螺纹锥面由光滑圆弧引导，主密封面上的接触压力分布均匀，密封效果明显增强。3、优化了端面台肩与止扣扭矩台肩的角度，使得台肩的辅助密封效果大大增强，辅助密封可以达到与主密封同样的密封效果。4、管体与接箍采 用内通孔平齐的设计，保证了油气在传输的过程中不发生紊流现象，有效的减小传输阻力。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型的详细结构作进一步描述。
[0021]附图1为本实用新型的结构示意图；附图2为锯齿形内螺纹的结构示意图；附图3为锯齿形外螺纹的结构示意图；附图4为附图1中的I部放大图。
具体实施方式
实施例一、一种气密封锯齿形油井管螺纹接头结构，本实施例是用于Φ73.0X5.51 mm的油管，钢级为L80，油管管体I的几何尺寸包括外径、壁厚等均采用API标准规定值，油管管体I材料满足API标准对L80钢级油管材料的要求。接箍6和油管管体I的螺距每英寸8牙，锥度1:16，其中:接箍6上内螺纹7的齿高Ii1为0.98mm，导向面角02为15°，承载面角为Y2为3°，接箍6上圆锥密封孔9与止扣扭矩台肩10之间的圆弧半径R1为0.4 mm,止扣扭矩台肩10与垂线之间的夹角a i为18°，圆锥密封孔9与垂线之间的夹角β i为80° ;油管管体I上外螺纹2的齿高h2为0.78mm,导向面角G1SlS0，承载面角为Y1为3°，管体I上的圆锥密封面4与圆柱面3之间的圆弧半径R3为3mm,圆锥密封面4与端面台肩5之间的圆弧半径R2为0.5mm,端面台肩5与垂线之间的夹角α2为18°，圆锥密封面4与垂线之间的夹角为β2=80°。管体I上的圆柱面3与接箍6上的圆柱孔8之间存在0.3mm的间隙，这个间隙可以储存拧紧过程中多余的螺纹脂，也方便加工过程刀具的退出。该接头的气密封抗力可达104.2MPa以上。实施例二、一种气密封锯齿形油井管螺纹接头结构，本实施例是用于Φ 114.3 X 8.65mm的油管，钢级为Pl 10，油管管体I的几何尺寸包括外径、壁厚等均采用API标准规定值，油管管体I材料满足API标准对PllO钢级油管材料的要求。接箍6和油管管体I的螺距每英寸6牙，锥度1:16，其中:接箍6上内螺纹7的齿高Ii1为1.12mm，导向面角02为15°，承载面角为Y2为3°，接箍6上圆锥密封孔9与止扣扭矩台肩10之间的圆弧半径R1为0.5 mm,止扣扭矩台肩10与垂线之间的夹角a i为25°，圆锥密封孔9与垂线之间的夹角β i为95° ;油管管体I上外螺纹2的齿高h2为0.98mm,导向面角G1SlS0，承载面角为Y1为3°，管体I上的圆锥密封面4与圆柱面3之间的圆弧半径R3为3.6mm,圆锥密封面4与端面台肩5之间的圆弧半径R2为0.6mm,端面台肩5与垂线之间的夹角α2为25°，圆锥密封面4与垂线之间的夹角为β2=95°。管体I上的圆柱面3与接箍6上的圆柱孔8之间存在0.5mm的间隙，这个间隙可以储存拧紧过程中多余的螺纹脂，也方便加工过程刀具的退出。该接头的气密封抗力可达142.2MPa以上。
权利要求1.一种气密封锯齿形油井管螺纹接头结构，其特征是:在管体上依次加工有锯齿形外螺纹、圆柱面、圆锥密封面和端面台肩；在接箍上依次加工有锯齿形内螺纹、圆柱孔、圆锥密封孔和止扣扭矩台肩； 锯齿形外螺纹和锯齿形内螺纹的螺距分别为每英寸5 8牙，锥度分别为1:16，螺纹母线平行于锥线；锯齿形外螺纹的承载面角为Y1，导向面角为Q1，锯齿形内螺纹的承载面角为Y2，导向面角为e2，其中Y1= Y2 = 1° r ,S1= e2 = 10° 25° ;锯齿形内螺纹的高度为hi，锯齿形外螺纹的高度为h2，其中hi = h2+0.2 = 0.98 1.18mm ； 接箍上圆锥密封孔与止扣扭矩台肩之间采用圆弧光滑过渡，其圆弧半径为R1,R1=0.4 0.7mm ;管体上的圆锥密封面与端面台肩之间采用圆弧光滑过渡，其圆弧半径为R2, R2= Ri+0.1mm ;管体上的圆锥密封面与圆柱面之间采用圆弧光滑过渡，其圆弧半径为R3,R3 与 R2 满足关系:R3=6R2=3 4.2mm ; 管体上端面台肩与垂 线之间的夹角为a 2，接箍上扭矩台肩与垂线之间的夹角为Ci1,a:与a 2之间满足如下关系:a丨=a 2 = 15。 30。； 接箍上圆锥密封孔与垂线之间的夹角为P1，管体上圆锥密封面与垂线之间的夹角为^2, P1与P2之间满足如下关系:3:=^2=75° 105°。
2.根据权利要求1所述的一种气密封锯齿形油井管螺纹接头结构，其特征是:密封由圆锥密封面和圆锥密封孔配合及端面台肩和止扣扭矩台肩配合来实现，其中:圆锥密封面和圆锥密封孔配合起主要密封作用，其直径方向过盈量在0.25 0.55mm之间；端面台肩和止扣扭矩台肩配合起辅助密封作用，其轴向过盈量在0.05 0.1mm之间。
3.根据权利要求1或2所述的一种气密封锯齿形油井管螺纹接头结构，其特征是:内螺纹和外螺纹之间的直径方向过盈量控制在0.08 0.28mm之间；管体上的圆柱面与接箍上的圆柱孔之间存在0.2 0.6mm的间隙。
专利摘要一种气密封锯齿形油井管螺纹接头结构，在管体上依次加工有锯齿形外螺纹、圆柱面、圆锥密封面和端面台肩；在接箍上依次加工有锯齿形内螺纹、圆柱孔、圆锥密封孔和止扣扭矩台肩。外螺纹和内螺纹的螺距为每英寸5～8牙，锥度为1:16，螺纹母线平行于锥线。接箍上圆锥密封孔与止扣扭矩台肩之间的圆弧半径为R1，R1=0.4～0.7mm；管体上的圆锥密封面与端面台肩之间的圆弧半径为R2，R2=R1+0.1mm；管体上的圆锥密封面与圆柱面之间的圆弧半径为R3，R3=6R2=3～4.2mm。管体端面台肩与垂线的夹角为α2，接箍扭矩台肩与垂线的夹角为α1，α1＝α2＝15°～30°。接箍上圆锥密封孔与垂线之间的夹角为β1，管体上圆锥密封面与垂线之间的夹角为β2，β1=β2=75o～105°。
文档编号E21B17/02GK202946041SQ20122068243
公开日2013年5月22日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者谢凯意, 李建亮, 李小兵, 张垂贵, 吴丹, 夏佑广, 付强 申请人:衡阳华菱钢管有限公司