本发明涉及一种螺纹密封技术， 用于石油钻探、 开发和生产时所要用到 的石油油管和套管的气密封螺纹接头。

背景技术

开采地下天然气是我国能源工业的一项重要举 措。用于固定井壁的套管 和用于采气生产的油管都是一根一根用圆锥管 螺纹连接而成的长管柱，每一 个螺纹接头必须保证具有可靠的气密封性能。

几十年来，用于上述目的的螺纹接头无一例外 地都是在管子外螺纹的小 端加工出一段圆锥形或圆球形的密封面，在与 之相配合的接箍的内螺纹的小 端也加工出一段圆锥形或圆球形的密封面，依 靠合理的设计和精确的加工能 够保证当外螺纹和内螺纹旋紧配合时， 两个密封面之间产生合适的过盈量， 实现密封气体的目的， 其连接关系如图 1所示。

通常情况下， 油管和套管的螺纹主要起连接作用， 旋紧配合后， 螺纹牙 的局部区域存在间隙， 从而形成螺旋形的泄漏通道。 如果没有以密封为目的 的密封面， 仅仅依靠螺纹的旋紧配合是不能起到密封高压 气体的作用， 这是 因为当内螺纹和外螺纹配合时， 在螺纹牙的局部区域上存在间隙， 形成一条 或两条螺旋形的泄漏通道 A、 B， 从而造成高压气体的泄漏， 如图 2所示。 发明内容

本发明提供一种气密封螺纹接头， 该接头摈弃了传统的在油管和套管的 公螺纹和母螺纹的小端设计密封面的做法，用 来实现油管和套管连接时封堵 高压气体阻止泄漏的性能为目的。

为实现上述目的， 本发明采用的技术方案是提供一种气密封螺纹 接头， 该接头包括有接箍的母螺纹和管子端部的公螺 纹，所述接箍的母螺纹与管子 端部的公螺纹相互配合， 其中： 所述接箍两端的母螺纹结构对称设置， 每一 端的母螺纹由偏梯形螺纹构成， 在偏梯形螺纹前方设有直角扭矩台肩， 每一 端的母螺纹通过退刀槽与所述直角扭矩台肩相 连接；在所述接箍的母螺纹的 第 4〜7牙螺纹的其中一牙的位置上设有能阻止高� ��气体泄漏的突起螺纹段， 从而起到密封作用。

所述接箍的母螺纹分为连接螺纹和突起螺纹两 部分， 采用连接强度高的 偏梯形螺纹结构， 突起螺纹段的牙形锥度为 1: 16， 螺距为 4牙 /英寸， 齿高 h=l. 78〜2. 03mm， 导入侧角度 β =15〜45 ° ， 承载侧角度 α =0〜4° 。

本发明的效果是该气密封螺纹接结构通过封堵 油管和套管的公螺纹和 母螺纹在旋紧配合后齿顶和齿底存在的泄漏通 道， 起到气密封作用。 提高了 螺纹的连接效率。 同时螺纹的高度比同规格 API的螺纹高度要高， 提高了螺 纹的连接强度。 本气密封螺纹接头的连接螺纹啮合后， 齿侧没有间隙， 使接 头能承受较大的压缩载荷， 提高了接头的抗压缩强度。

附图说明

图 1为传统技术采用密封面密封的特殊扣接头；

图 2为 API偏梯螺纹和圆螺纹齿形图；

图 3为本发明的石油油管和套管的气密封螺纹接� �；

图 4为本发明的石油油管和套管的气密封螺纹接� �的公端；

图 5为本发明的石油油管和套管的气密封螺纹接� �的母端； 图 6为本发明的石油油管和套管的气密封螺纹接� �机紧位置图； 图 7为本发明的石油油管和套管的气密封螺纹接� �手紧位置图； 图 8为本发明的石油油管和套管的螺纹齿形图；

图 9为用有限元方法分析的本发明的螺纹接触应� �的分布；

图 10为本发明的突起螺纹封堵泄漏通道；

图 11为本发明专用量具检验接箍的特殊螺纹。

图中：

1 :公端的密封面 2 :母端的密封面 3 :母端的突起螺纹

A :API偏梯螺纹的一条螺旋形泄漏通道

B :API圆螺纹的两条螺旋形泄漏通道

C :公端的螺纹牙可以用传统技术加工

L：突起螺纹的齿根低于相邻的螺纹

M:突起螺纹的齿顶低于相邻的螺纹

D：突起螺纹堵塞螺旋形泄漏通道

K:螺纹接头的轴向机紧量

α：偏梯螺纹承载侧角度 β：偏梯螺纹导入侧角度

h：偏梯螺纹高度 N：突起螺纹封堵螺旋形泄漏通道

P：螺旋形泄漏通道 Q：专用量具

具体实施方式

结合附图及实施例对本发明的气密封螺纹接头 结构加以说明。

本发明的气密封螺纹接头结构是： 该接头包括接箍的母螺纹和管子端部 的公螺纹， 所述接箍的母螺纹与管子端部的公螺纹相互配 合， 所述接箍两端 的母螺纹结构对称设置， 每一端的母螺纹由偏梯形螺纹构成， 在偏梯形螺纹 前方设有直角扭矩台肩，每一端的母螺纹通过 退刀槽与所述直角扭矩台肩相 连接； 在所述接箍的母螺纹的第 4〜7牙螺纹的其中一牙螺纹的位置上设有 能阻止高压气体泄漏的突起螺纹段， 从而起到密封作用。

所述母螺纹段分为连接螺纹和突起螺纹两部分 ， 并采用连接强度高的偏 梯形螺纹结构， 所述突起螺纹的牙形齿高 h=1. 78〜2. 03mm， 承载侧角度 α =0〜4° ， 导入侧角度 β =20〜45 ° 。

本发明的接箍的母螺纹与直角扭矩台肩通过退 刀槽相连， 该直角扭矩台 肩能使油管和套管的公螺纹和母螺纹旋紧配合 时准确定位。本气密封螺纹接 头的油管和套管的公螺纹端部没有密封面，端 部厚度比传统气密封连接形式 厚 1mm 以上， 刚度较大， 在拧接力矩过大的时候， 所述的公螺纹端部不容 易产生变形。

如图 5所示， 本气密封螺纹接头的母螺纹的连接螺纹部分起 连接作用， 与公螺纹啮合后，在公螺纹和母螺纹齿侧没有 间隙，在齿底和齿顶存在间隙， 形成两条螺旋形的泄漏通道； 母螺纹的突起螺纹处的中径略小， 与公螺纹旋 紧配合后， 与相啮合位置的公螺纹之间产生较大的径向过 盈量， 消除了啮合 螺纹齿底和齿顶存在间隙， 封堵公母螺纹配合之间的泄漏通道， 实现密封高 压气体的功能。 密封结构是一个完整的齿形， 呈凹凸形，密封的总长度远大 于传统油管和套管的公螺纹和母螺纹的小端采 用密封面结构的密封长度，密 封效果更加可靠。

一般来说， 螺纹的螺距越大， 上扣时就越不容易错扣。 API圆螺纹的螺 螺距是 10牙 /英寸和 8牙 /英寸， API偏梯形螺纹的螺距是 5牙 /英寸， 在管 子直径较大时， 公、 母螺纹稍微偏斜就容易错扣， 为此， 本气密封螺纹接头 采用 4牙 /英寸的大螺距和高于 API螺纹的齿高， 使接头更容易对扣。

本气密封螺纹接头螺纹的导入侧角度与接头的 上扣性能有关， 导入侧角 度越大， 越容易上扣， 本气密封螺纹接头的螺纹的导入侧角度 β为 15〜45 ° ， 这样能使降低接头错扣的可能性。螺纹承载侧 角度《为0〜4° ，这样在套管 受到拉伸载荷时， 轴向载荷产生的径向分力较小， 提高了螺纹的连接效率。 同时螺纹的高度比同规格 API的螺纹高度要高， 提高了螺纹的连接强度。

本气密封螺纹接头的油管和套管的公螺纹和母 螺纹的连接螺纹啮合后， 齿侧没有间隙， 使接头能承受较大的压缩载荷， 提高了接头的抗压缩强度。 以石油油管和套管的气密封螺纹接头为例，在 接箍的内螺纹的规定位置上设 计出不同于其它螺纹的突起螺纹， 如图 5所示。 加工时， 通过在数控车床上 改变切削轨迹的编程方法可以加工出满足设计 要求的突起螺纹。管端的外螺 纹按照常规的螺纹加工方法加工， 如图 4所示。

本气密封螺纹接头的适用范围： 可适于管子直径为 Φ 60. 32〜 Φ 273. 05mm之范围。

本气密封螺纹接头的螺纹基本参数： 螺纹锥度 1： 16， 螺距 6. 35mm

适当的螺纹接头的轴向机紧量 k是实现上述功能的充分条件， 如图 7所 示。 适当的牙形角度 α和 β， 牙形高度 h是实现上述功能的必要条件， 如图 8所示。

如图 9所示， 用有限元分析方法分析上述结构， 纵坐标为油管和套管的 公母螺纹旋紧配合后每个齿的完整轮廓上的接 触应力，横坐标为距离油管和 套管的管端的距离，相啮合的螺纹接触应力可 以得出与预期目的相一致的结 论， 在突起螺纹处， 在该螺纹的完整轮廓上的接触应力都大于零， 当气体通 过泄漏通道达到该突起螺纹处时， 被该突起螺纹封堵住。 如图 10所示。

用专用量具 Q检验这段突起螺纹， 如图 11所示。

本气密封螺纹接头已经得到实验室中多个规格 的实物试验验证。

实现本气密封螺纹接头的螺纹加工技术：

本气密封螺纹接头的石油油管和套管螺纹接头 ， 其管子的公螺纹与普通 API偏梯螺纹加工类似； 加工接箍的母螺纹时， 要加工出一段突起螺纹， 在 接箍螺纹的小端部位加工退刀槽和直扭矩台肩 。

实现本气密封螺纹接头的螺纹检验技术， 即对于石油油管和套管螺纹接 头及管端的公螺纹均使用常规方法检验，接箍 的母螺纹非突起螺纹处使用常 规方法检验， 突起螺纹处使用专用量具检验。