大膨脹率下實體膨脹管用高密封性螺紋接頭的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及范圍為石油天然氣工業(yè)鉆完井生產(chǎn)管柱連接螺紋結構設計，特別設及 在套損補貼、地層封堵及裸眼完井中使用的一種大膨脹率實體膨脹管用具有高密封能力的 螺紋接頭設計方法，W保證油氣井安全有效開采。
【背景技術】
[0002] 隨著石油天然氣開發(fā)的進一步深入，鉆井深度越來越深開發(fā)難度越來越大，同時 我國許多老油田進入了開發(fā)的后期，套損問題日益嚴重，為了解決實際勘探開發(fā)過程中所 遇到的困難，提高鉆采的速度，節(jié)約鉆井成本，實體膨脹管技術已經(jīng)被引入鉆完井過程中并 具有非常優(yōu)異的性能表現(xiàn)。
[0003] 實體膨脹管技術的基本原理就是將一種塑性良好的鋼管下到井下預訂的位置，通 過冷加工塑性變形方式使鋼管的內(nèi)徑擴大到所需的尺寸，冷變形是通過膨脹錐（膨脹錐的 外徑大于鋼管的內(nèi)徑）在液壓力和/或機械力的作用下穿過膨脹管使管材發(fā)生永久性的 塑性變形達到擴大管徑的目的。實體膨脹管之間是用螺紋梓接連接組成管柱，因此螺紋是 膨脹管管柱中的最薄弱環(huán)節(jié)，其結構完整性、密封完整性和可靠性，嚴重影響油田的安全生 產(chǎn)和管柱壽命。由于實體膨脹管螺紋在使用過程中需要經(jīng)過一次擴徑變形，變形后需達到 一定的密封和承載性能，對螺紋的密封性和完整性的要求更高，普通API螺紋和一般的套 管特殊螺紋結構根本無法滿足需求。近年來出現(xiàn)了一些膨脹管螺紋結構，但是主要針對的 是低膨脹率（15% W下），密封壓力也不高，導致無法在高膨脹變形率或?qū)γ浐竺芊庑阅芤?求高的工況下使用，大大的制約了膨脹管技術的發(fā)展和應用。目前隨著膨脹管技術的進步， 特別是地層封堵和海洋用膨脹管技術的需求，對膨脹管的膨脹率及膨脹后的密封性和結構 完整性提出更高要求，急需一種滿足大膨脹率下高密封性能的膨脹管特殊螺紋接頭設計方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明一種大膨脹率實體膨脹管用高密封能力的螺紋接頭主要是為了滿足大膨 脹率實體膨脹管應用時高密封性需求，采用單鉤型螺紋牙型和低錐度螺紋設計降低大膨脹 率下螺紋變形程度，通過大量計算試驗后優(yōu)化的雙通道多級密封結構滿足螺紋接頭大膨脹 率變形后（膨脹率10% - 35% )的高密封性能，同時易于加工檢測。
[0005] 本發(fā)明的技術解決方案是：大膨脹率下實體膨脹管用高密封性螺紋接頭，采用直 連型螺紋結構，其特殊之處在于：
[0006] 所述螺紋接頭包括膨脹管母扣1、膨脹管公扣2 ;
[0007] 膨脹管母扣1由端部向內(nèi)依次設置有低錐度單鉤型母螺紋3、退刀槽5、柱面密封 段6、一級密封槽7和/或二級密封槽8、錐面密封段9 W及負角度扭矩臺肩10 ;膨脹管公 扣2由端部向內(nèi)依次設置有負角度扭矩臺肩10、錐面密封段9、柱面密封段6、單鉤型公螺紋 4 ;
[0008] 所述螺紋接頭采用雙通道多級密封結構，具體是膨脹前=級密封結構和膨脹后二 級密封結構的雙通道密封形式；
[0009] 所述膨脹前=級密封結構包括：
[0010] 所述膨脹管母扣1的柱面密封段6與膨脹管公扣2的柱面密封段6在膨脹前構成 柱面對柱面一級密封結構；
[0011] 所述膨脹管母扣1的錐面密封段9與膨脹管公扣2的錐面密封段9在膨脹前構成 錐面對錐面二級密封結構；
[0012] 所述膨脹管母扣1的負角度扭矩臺肩10與膨脹管公扣2的負角度扭矩臺肩10相 配合構成膨脹前=級輔助密封結構；
[0013] 所述膨脹后二級密封結構包括：
[0014] 所述膨脹管母扣1的一級密封槽7 W及設置在一級密封槽7內(nèi)的彈性密封膠或者 易焊接金屬與膨脹管公扣2的柱面密封段6構成一級密封槽結構；
[0015] 所述膨脹管母扣1的二級密封槽8 W及設置在二級密封槽8內(nèi)的抗暴0型密封圈 與膨脹管公扣2的錐面密封段9構成二級密封槽結構；
[0016] 所述一級密封槽7和二級密封槽8由端部向內(nèi)依次設置。
[0017] 上述膨脹管母扣1還包括由端部向內(nèi)依次設置且位于低錐度單鉤型母螺紋3外側 的端部臺肩12、端部柱面11 ;
[0018] 膨脹管公扣2還包括由端部向內(nèi)依次設置且位于單鉤型公螺紋4內(nèi)側的端部柱面 11、 端部臺肩12 ;
[0019] 所述膨脹管母扣1的端部臺肩12、端部柱面11分別與膨脹管公扣2的端部臺肩 12、 端部柱面11相匹配。
[0020] 上述錐面密封段9上增加輔助密封弧面7A，所述膨脹管母扣1的一級密封槽7 W 及設置在一級密封槽7內(nèi)的彈性密封膠或者易焊接金屬與膨脹管公扣2的輔助密封弧面7A 構成一級密封槽結構。
[0021] 上述單鉤型母螺紋3和單鉤型公螺紋4的錐度為1:18~1:30。
[0022] 上述單鉤型母螺紋3和單鉤型公螺紋4的錐度為1:20。
[0023] 上述錐面對錐面密封段中膨脹管母扣1的錐面密封段9與膨脹管公扣2的錐面密 封段9采用相同或不同的錐度。
[0024] 上述錐面對錐面密封段中膨脹管母扣1的錐面密封段9的錐度為1:12 ;
[0025] 所述膨脹管公扣2的錐面密封段9的錐面錐度為1:16。
[00%] 上述單鉤型公螺紋4包括外螺紋，外螺紋的牙頂13和外螺紋的牙底15均與螺 紋的母線平行，外螺紋的承載面12采用負角度結構，承載面12與管柱軸線的法線夾角 為-3. 5~-10°，外螺紋的導向面14與管柱軸線的法線夾角為10~45° ;所述單鉤型母 螺紋與單鉤型公螺紋相匹配。
[0027] 上述負角度扭矩臺肩的負角為15° ;所述柱面對柱面密封段的過盈量為0.07mm; 所述外螺紋的承載面12與管柱軸線的法線夾角為-9°，外螺紋的導向面14與管柱軸線的 法線夾角為35。。
[0028] 本發(fā)明優(yōu)點：通過合理的低錐度單鉤型螺紋設計，保證了螺紋有足夠的厚度來保 持強度同時大大改善螺紋在大膨脹率變形中的扭曲程度，提高螺紋的承載能力和密封性， 在密封面設計中采用雙通道多級密封結構，通過設計膨脹前=級密封結構和膨脹后二級密 封結構雙通道密封形式，滿足螺紋接頭經(jīng)過大膨脹率變形（膨脹率10% - 35% )后對高密 封性和高承載能力的要求，并且密封結構和密封能力在膨脹管柱收到拉伸和壓縮載荷時不 受影響，極大的提高了螺紋接頭的膨脹率和密封性能。
[0029] 同時在錐面對錐面密封段中公扣端錐面和母扣端錐面可采用不同的錐度W控制 過盈點位置和最大密封接觸壓力，改善螺紋的抗粘扣性能，防止因損傷造成的螺紋密封失 效?？筛鶕?jù)工況要求在膨脹后二級密封結構中可選用任何一種密封槽或者全部二級結構， 結構靈活，便于提高加工檢測效率和降低成本。
【附圖說明】
[0030] 圖1 (a)、圖1化）是大膨脹率實體膨脹管用高密封能力的螺紋接頭結構示意圖；
[0031] 圖2是本發(fā)明螺紋接頭膨脹變形前結構示意圖；
[0032] 圖3是本發(fā)明膨脹變形后的螺紋接頭密封槽結構示意圖；
[0033] 圖4是本發(fā)明二級密封槽結構8內(nèi)抗暴0型密封圈產(chǎn)生的高密封壓力示意圖；
[0034] 圖5是本發(fā)明螺紋接頭公扣輔助密封弧面結構示意圖；
[0035] 圖6是螺紋牙型結構示意圖；
[0036] 圖7是本發(fā)明螺紋接頭上扣后的結構示意圖；
[0037] 圖8是實施例一28%膨脹率下0型橡膠圈沿槽壁的接觸壓力示意圖；
[0038] 圖9是實施例二20%膨脹率下0型橡膠圈沿槽壁的接觸壓力示意圖；
【具體實施方式】
[0039] 本發(fā)明的特殊螺紋接頭結構設計示意圖見圖1，螺紋接頭采用直連型螺紋結構，其 中1為膨脹管母扣，2為膨脹管公扣，在膨脹管母扣1和公扣2上分別加工低錐度單鉤型母 螺紋3和公螺紋4,與單鉤型母螺紋3左邊相連的是端部柱面11和端部臺肩12,用于控制 上扣位置；與單鉤型母螺紋3右邊相連的是退刀槽5,用于加工螺紋時螺紋梳刀退刀，同時 在螺紋上扣后起儲存多余螺紋脂，降低螺紋脂壓力對接頭密封性能的負面影響；與退刀槽 5相連的是一對柱面對柱面密封段6,在柱面對柱面密封段6上設計有一級密封槽結構7,在 柱面對柱面密封段6右邊與之相連的是二級密封槽結構8,在二級密封槽結構8右邊是一對 錐面對錐面密封段9,與錐面對錐面密封段9通過一個過渡倒角連接的是負角度扭矩臺肩 10,用于控制上扣位置同時具有輔助密封作用。
[0040] 在本發(fā)明中，柱面對柱面密封段6、錐面對錐面密封段9和負角度扭矩臺肩10組成 膨脹前=級密封結構，上扣后柱面對柱面密封段6及錐面對錐面密封段9具有較高的密封 性，當螺紋接頭受到拉伸載荷和較高的內(nèi)壓時密封性能不受影響，可W滿足膨脹管施工時 管柱下放和初始壓力建立，并且由于合理的過盈量設計可W防止粘扣發(fā)生，負角度扭矩臺 肩10不但可W控制上扣扭矩，同時具有輔助=級密封作用，合理的負角度設計使負角度扭 矩臺肩10在一定拉伸載荷作用下仍可保持輔助密封效果。
[0041] 本發(fā)明所述錐面對錐面密封段9中公扣端錐面和母扣端錐面可采用不同的錐度 W控制過盈點位置和最大密封接觸壓力，改善螺紋的抗粘扣性能，防止因損傷造成的螺紋 密封失效。
[0042] 考慮到大的膨脹率下膨脹后螺紋結構變形較大，柱面對柱面密封段6、錐面對錐面 密封段9和負角度扭矩臺肩10在膨脹后均發(fā)生較大變形發(fā)生密封失效，如圖2所示，本發(fā) 明特別設計了膨脹后二級密封結構：一級密封槽結構7和二級密封槽結構8,通過專口設計 可W保證運2種密封槽結構在大膨脹率變形后依然可W保持結構完整不發(fā)生大的改變，如 圖3所示。膨脹前，在內(nèi)填