用于鈦合金油井管用的特殊螺紋接頭連接結構的制作方法

本發明涉及一種用于鈦合金油井管的特殊螺紋接頭連接結構。

背景技術：

石油天然氣在世界能源乃至整個經濟領域均占有極其重要的戰略地位，伴隨著世界經濟的快速發展以及對能源需求的不斷增加，石油天然氣的勘探開發力度也在不斷加大。隨著地質結構的愈加復雜和鉆井深度的不斷增加，流體的溫度和壓力升高，含硫量增加，對于油井管的材料和技術要求更為嚴格。鈦合金具有高比強度、高比模量、耐腐蝕等一系列優點，其作用和優勢越來越明顯。高強度、耐腐蝕的鈦合金，尤其是鈦合金油井管的需求越來越多，所以設計開發適用于鈦合金油井管用的特殊螺紋接頭連接結構非常有必要。由于鈦合金表面硬度低、耐磨性能差、彈性模量低，對應力集中非常敏感。常規的錐面-錐面的密封面形式和過盈量設計在擰接后，局部區域密封面接觸壓力非常大，非常容易發生粘扣從而造成密封面的失效。

中國專利號為ZL201310085604.6，公開了一種鈦合金油井管的生產方法，該方法首次采用連軋的方式進行鈦合金無縫管的制造，突破了傳統熱擠壓和冷軋工藝的限制，以及相對熱擠壓等其他工藝，成材率較高，可達85％以上。

中國專利號為ZL201210377714.5，公開了一種高強高韌耐腐蝕環境的鈦合金油井管及其制造方法，該方法能保證其屈服強度滿足110ksi要求，沖擊韌性良好，并具有良好的抗H₂S、CO₂腐蝕的性能。

但是以上兩個專利均未涉及到適用于鈦合金材質的螺紋接頭，由于鈦合金材質的自身特點和使用環境，現有的API螺紋和常規特殊螺紋均不適用。因此，開發適用于鈦合金油井管用的特殊螺紋接頭連接結構成為急需解決的技術問題。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種用于鈦合金油井管用的特殊螺紋接頭連接結構，以解決API螺紋和常規特殊螺紋不適用于鈦合金材質的問題。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是提供一種專用于鈦合金油井管的氣密封特殊螺紋接頭結構，該結構包括有油井管的公端，包括有帶錐度的公螺紋、公螺紋端部的公密封面以及公密封面頂點處的公臺肩，還包括有油井管的公端對稱結構接箍的母端，包括有帶錐度的母螺紋、母螺紋端部的母密封面以及母密封面后面的母臺肩組成，所述公螺紋和母螺紋相互擰接在一起，公密封面、母密封面相互接觸；其中：公密封面采用弧面的形式，母密封面采用錐面的形式，公母密封面通過過盈配合實現密封能力，弧面-錐面的過盈量由弧面和錐面過盈后形成的剖面圖的玄高決定，的范圍是：

$\▿l\≤kpD(\frac{D^2+d^2}{D^2-d^2}+\frac{W^2+D^2}{W^2-D^2})$

其中k＝6.67×10^-4

式中：p——公密封的最大接觸壓力，D——管體外徑，d——管體內徑，W——接箍外徑，σ_s——材料屈服強度，k——材料系數。

本發明的效果是能保證鈦合金油井管的接頭的抗粘扣能力和氣密封能力。采用弧面-錐面的密封形式，能大幅度降低密封面接觸壓力，減少應力集中，在實際井場的使用中，鈦合金油井管的接頭能保證9次上卸扣擰接不發生粘扣，超過了API 5B規定的4次上卸扣不粘扣。另外合理的密封面過盈量可以保證接頭的優異的氣密封能力。接頭的氣密封能力與管體內屈服壓力相當。在進行ISO 13679復合力評價試驗中，鈦合金油井管的接頭能通過A系評價試驗，即接頭在承受100％管體等效應力曲線上的14個載荷點，包括拉伸+內壓、壓縮+內壓、壓縮+外壓、拉伸+外壓，不發生任何泄漏，從而保證接頭的結構完整性。

附圖說明

圖1是本發明的適用于鈦合金油井管用的特殊螺紋接頭連接結構的示意圖；

圖2是本發明的適用于鈦合金油井管用的特殊螺紋接頭連接結構的密封部分放大示意圖。

圖中：

A、公端 B、母端 C、公螺紋 E、母螺紋 F、公密封面 G、母密封面 H、公臺肩 J、母臺肩 W、接箍外徑 D、管體外徑 d、管體內徑

Δl、弧面-錐面的過盈量由弧面和錐面過盈后形成的剖面圖的玄高

R、公密封面的圓弧半徑 θ、母密封面與軸線的夾角

α、公母臺肩與螺紋軸線的垂線的夾角

具體實施方式

結合附圖對本發明的用于套管的氣密封特殊螺紋接頭結構加以說明。

如圖1所示，本發明的用于鈦合金油井管用的特殊螺紋接頭連接結構包括公端A和母端B兩部分組成，所述套管公端A由公螺紋C和含有公密封面F和公臺肩H部分組成，所述接箍B部分在兩根套管間連接，兩邊結構對稱，包括母螺紋E和與公密封面對應的母密封面G和母臺肩J。管體的外徑為D，管體內徑為d，接箍外徑為W。

如圖2所示，所述公密封面F為弧面，圓弧半徑為R，所述母密封面G為錐面，錐面與軸線的夾角為θ，公母密封面配合后過盈形成的陰影部分為弧面-錐面的過盈量由弧面和錐面過盈后形成的剖面圖的玄高

的范圍是：

$\▿l\≤kpD(\frac{D^2+d^2}{D^2-d^2}+\frac{W^2+D^2}{W^2-D^2})---\left(1\right)$

其中k＝6.67×10^-4

式中：p——公密封的最大接觸壓力，D——管體外徑，d——管體內徑，W——接箍外徑，σ_s——材料屈服強度，k——材料系數

本發明的用于鈦合金油井管用的特殊螺紋接頭連接結構是這樣實現的：

鈦合金油管規格如下：外徑為88.9mm，壁厚為7.34mm，鋼級110Ksi(屈服強度758MPa)，接箍外徑為102mm，根據公式1計算可知，即密封面設計的過盈最大位置處的值不能超過0.38mm。螺紋為鉤型螺紋，錐度1:16，螺距6牙/英寸，公螺紋齒高1mm，母齒高1.1mm。管體內屈服壓力為109.5MPa，管體拉伸屈服強度為1425KN；接頭能保證的內壓強度為109.5MPa，接頭能保證的拉伸屈服強度為1425KN，與管體相當。

套管規格如下：鈦合金套管規格如下：外徑為177.8mm，壁厚為9.19mm，鋼級95Ksi(屈服強度655MPa)，接箍外徑為200mm，根據公式1計算可知，即密封面設計的過盈最大位置處的值不能超過0.75mm。螺紋為鉤型螺紋，錐度1:16，螺距5牙/英寸，公螺紋齒高1.5mm，母齒高1.6mm。管體內屈服壓力為59.2MPa，管體拉伸屈服強度為3186KN；接頭能保證的內壓強度為59.2MPa，接頭能保證的拉伸屈服強度為3186KN，與管體相當。