[发明专利]双齿型气密封螺纹

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻具连接密封结构，具体为一种双齿型气密封螺纹。

背景技术

随着世界对化石能源需求的急剧攀升和石油可开采量的逐年减小，当前石油开采领域正向深井、超深井、高压油气井、稠油热采井、定向井等的开采方向逐步发展，由此对石油管道和管间的密封提出了越来越苛刻的技术要求。以往大量使用的API (美国石油学会)标准的数字型粗牙螺纹接头在气密封性、连接强度和耐腐蚀性方面都不能很好地满足开采环境条件恶劣的油气井的需求。迫使人们去研究开发性能更加可靠的螺纹特殊扣接头和密封结构。 

目前国内深井和超深油井数量日益增多，非API标准的特殊石油管螺纹连接的使用量逐渐增大。然而在油田的现实应用中钻具螺纹断裂、螺纹刺漏和螺纹脱扣等事故时有发生，给井队施工带来了巨大的经 济损失。这其中，由于螺纹连接密封不严所造成的油田伴生气的泄漏会带来严重的事故隐患。这是因为，在深井、超深井的油气开采过程中，由于螺纹密封不严，泄漏的可燃气体会沿着井壁或者地质层薄弱的地方进行扩散和聚集，并在油井开采口或者远离油井的地质薄弱地方形成突然喷发，如果遇到明火，还会引起燃烧或爆炸，更为可怕的是，泄漏气体在地质层的扩散聚集地点往往不可预测，因此，这种由于螺纹气密封不严所引起的气体泄漏是绝对不允许的。 

钻具失效事故大多数发生在螺纹连接部及密封面处，大体分为下面几种类型:(I)钻具螺纹断裂；⑵密封失效；⑶粘扣:⑷滑脱；(5)扭矩台肩和螺纹表面擦伤；(6)疲劳破坏。 

由于深井和高压气井的工况非常恶劣，井下管体需要经受扭曲、挤压、拉伸、高温高压等恶劣环境考验，通过对油井开采现场中管接头螺纹事故的分析和对各种密封配合管接头螺纹的有限元分析表明，密封面应力过大是产生塑性变形和划伤的原因之一，其次，由于井下复杂工况下密封面在过盈配合时所发生的弹塑性变形缺少形变释放空间或根本没有设置形变释放空间，也会导致密封面个别部位发生塑性变形，引起密封面的划伤和泄漏。 

过去螺纹密封一般靠锥度和台肩面的咬合来实现。我们设计了一种在螺纹齿牙上再加工细小密封螺纹的技术，保证小锥度密封的要求。目前使用的连接结构为螺纹连接，钻柱工作载荷全部是依靠钻杆、钻铤、扶正器、取心外管螺纹逐根往下传递，所以螺纹连接部位就成为一个应力集中区，良好的螺纹连接应该能够抵抗快速多变的回转弯曲力矩，降低疲劳速率，变形小，不脱落的目的。目前使用的三角形螺纹连接形式的螺纹牙型，抗扭力矩=5370N.m。如图5所示意，还有专利号为200910147891.2所述的锯齿形接头，其抗扭力矩仅为6000～20000N.m;专利申请号为200420078613.9记载的螺纹连接钻杆，提出了螺纹为偏梯形螺纹，梯形螺纹，三角螺纹。专利号为200820056719.7公布的斜梯形螺纹。 

这种常规型的螺纹在一些特殊的地质条件下，如永久冻土层、砂土层岩石、中硬地层中，表现不是非常良好，往往达不到目标深度钻具螺纹连接部位就损坏了。 

发明内容

本发明为了解决在特殊底层条件下，常规的钻具螺纹连接部位容易损坏及油气密封失效的技术问题，提供了一种适用于钻具连接的双齿型气密封螺纹。 

本发明的技术方案是，一种双齿型气密封螺纹，所述钻具管体两端分别为锥状三角形的内螺纹、外螺纹；内螺纹上设有凹弧形密封面，在外螺纹上设有凸弧形密封面，所述凸形密封面为椭圆弧形、抛物线弧形、样条曲线状的凸弧形密封面；所述外螺纹凸弧形密封面与内螺纹凹弧形密封面啮合。 

具体地说锥状三角形螺纹牙型角为60°，内、外螺纹分别有具有三级密封面：台肩面、端面有15°角锥面密封、牙侧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R^+0.02₀;，螺纹的牙高为3.095mm 齿顶宽1.66mm，螺距4齿/英寸，锥度1:6，密封槽R=0.5mm。 

本发明所述的螺纹结构，具有高抗扭力矩的功能，其特性是使螺纹的极限抗扭力矩达到45000N.m。 

本发明所述管体两端设有锥状三角形内、外螺纹，二者的螺纹中径互相平行；在管体内、外螺纹牙型侧面设有凹、凸弧形密封面，上扣时，管体的凹、凸弧形密封面从线接触密封开始逐步实现过盈配合，不同于其他密封形式，这种密封面之间的线接触过盈配合可以使得密封面的整体的受力情况得到很大改善；这种要求的目的是为了在深井复杂工况和地质环境下一旦密封面产生变形后在这两段几何空间之间形成了变形的释放空间，起到保护密封面和实现有效密封的目的。