一種適合擴徑變形的套管及加工方法
【專利摘要】本發明提供了一種適合擴徑變形的套管及加工方法，套管包括管體和與管體為一體的內螺紋接頭和外螺紋接頭，內螺紋接頭和外螺紋接頭的螺紋牙型為相互配合的偏弧形螺紋，螺紋牙型的承載面牙側角為負角度，導向面牙側外形為近似正弦曲線的自然曲線，內螺紋接頭螺紋齒高大于外螺紋接頭螺紋齒高，旋緊上扣后內螺紋齒頂與外螺紋齒底接觸；套管擴徑時，外螺紋由內向外擠壓內螺紋，內螺紋的軸向收縮量大于外螺紋，弧形螺紋更有利于螺紋金屬在塑性變形過程中的金屬流動，擴徑時內外螺紋導向面間的間隙更容易被填充，原本存在于內外螺紋之間的間隙在接頭擴徑后會消失，并在內外螺紋的牙側面產生緊密的接觸而起到輔助密封效果，提高了套管接頭的密封性能。
【專利說明】一種適合擴徑變形的套管及加工方法

【技術領域】
[0001]本發明屬于油氣井建井及修井【技術領域】，涉及石油膨脹套管技術，尤其涉及一種適合擴徑變形的套管及加工方法。

【背景技術】
[0002]石油天然氣井鉆成后，要在井眼中下入鋼制套管加固井眼，單支套管的長度通常在10米左右，通常套管之間通過管螺紋連接而構成長度可達數千米的套管柱。
[0003]近年來出現了一種新技術，稱之為膨脹套管技術，該技術的核心是對下入井眼中的套管柱在井眼中進行擴徑變形，使得套管的內外徑發生大約10%?20%左右的塑性變形，這種擴徑變形通常通過液體壓力在套管柱里面驅動錐形的膨脹工具沿管柱軸線運動而實現，類似于工廠中的鋼管擴徑冷拔加工。膨脹套管技術是石油工程領域重大的新技術，應用前景廣闊。
[0004]膨脹套管技術的核心之一是要求連接套管的管螺紋接頭在隨套管管體在擴徑變形后依然能夠保持其結構及密封完整性，即要求其仍然具有一定的連接強度和對液體的密封能力。普通的標準管螺紋和目前的常規套管特殊螺紋接頭均無法滿足此要求。
[0005]目前的公知膨脹套管接頭是一種內外壁均與管體平齊的直連型螺紋接頭，倒鉤形螺紋，且依靠橡膠圈實現密封。在套管柱膨脹過程中，這種螺紋接頭需要的膨脹液體壓力大致與管體相同，典型情況下需要約20?40MPa的壓力，同時，由于接頭的壁厚與管體相同，沒有進行加厚，所以這種接頭的連接強度也比較低，一般最多只能達到管體強度的50%左右，另外，這種接頭對螺紋上扣時密封橡膠圈的安裝操作要求也很高，細小的操作不慎也可能會導致密封橡膠圈脫離密封槽部位而起不到應有的密封效果。這些因素都使得螺紋接頭部位常常成為膨脹套管柱的薄弱環節，絕大部分套管柱膨脹失敗的原因均與螺紋接頭的擴徑不成功有關。
[0006]好的膨脹套管螺紋接頭應該具備以下特征:(I)、接頭部位易于膨脹，這樣有利于接頭在膨脹過程中的穩定性，使得接頭不易發生結構損壞；(2)、接頭的密封功能容易實現且可靠性高；(3)、接頭的連接強度高。


【發明內容】

[0007]本發明目的在于克服現有技術缺陷，提供一種適合擴徑變形的套管及加工方法，該套管的接頭結構簡單，所需的擴徑變形力小，連接強度高，在擴徑變形過程中不易發生結構損壞，且密封結構可靠、密封性能好。
[0008]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
[0009]一種適合擴徑變形的套管，包括管體和連接在管體兩端與管體為一體的內螺紋接頭和外螺紋接頭，所述內螺紋接頭壁厚小于外螺紋接頭壁厚，內螺紋接頭的螺紋牙型和外螺紋接頭的螺紋牙型為相互配合的偏弧形螺紋，螺紋牙型的承載面牙側角為負角度，導向面牙側外形為近似正弦曲線的自然曲線，內螺紋接頭螺紋齒高大于外螺紋接頭螺紋齒高，內螺紋接頭和外螺紋接頭旋緊上扣后內螺紋齒頂與外螺紋齒底接觸。
[0010]所述的內螺紋接頭的外徑大于管體外徑，壁厚小于管體壁厚，所述外螺紋接頭的內外壁與管體平齊；所述的內螺紋接頭小端根部開設有環形密封凹槽或凸緣，外螺紋接頭的前端部開設有與內螺紋接頭端部的凹槽或凸緣相互配合的環形密封凸緣或凹槽，內螺紋接頭和外螺紋接頭旋緊上扣后，該凹槽和凸緣構成密封結構。
[0011]所述內螺紋接頭和外螺紋接頭螺紋牙型的承載面牙側角角度范圍為-5°到-20。。
[0012]所述內螺紋接頭的外徑大于管體外徑5% -15%，壁厚小于管體壁厚約5% -15%。
[0013]所述內螺紋接頭螺紋齒高大于外螺紋接頭螺紋齒高0.2mm。
[0014]本發明套管的內螺紋齒頂與外螺紋齒底在上扣后相互接觸，套管擴徑時，外螺紋由內向外擠壓內螺紋，同時由于內螺紋接頭壁厚小于外螺紋接頭壁厚，內螺紋的軸向收縮量大于外螺紋，由于本發明的弧形螺紋更有利于螺紋金屬在塑性變形過程中的金屬流動，擴徑時內外螺紋導向面間的間隙更容易被填充，原本存在于內外螺紋之間的間隙在接頭擴徑后會消失，金屬對金屬密封結構在擴徑后產生過盈接觸，起到密封效果，并在內外螺紋的牙側面產生緊密的接觸而起到輔助密封效果，提高了套管接頭的密封性能。
[0015]進一步，內螺紋接頭外徑大于管體外徑約5% -15%，壁厚小于管體壁厚，外螺紋接頭的內外壁與管體平齊，相比傳統套管接頭，內外接頭總體壁厚更厚，總體壁厚大于管體，從而提高了接頭的連接強度。同時根據金屬塑性變形的體積不變原理，套管柱在擴徑后由于管體的內外徑變大，管體的長度將減小。由于本發明的內螺紋端的壁厚小于外螺紋端壁厚，這樣，在接頭擴徑過程中內螺紋端的軸向收縮會大于外螺紋端，從而會導致密封凸緣進一步壓迫密封凹槽而形成設計的過盈量，由此原本接觸的密封凸緣和密封凹槽的接觸壓力會進一步增加，接觸面積也會進一步增加而提高密封效果，從而使得接頭的密封壓力在擴徑后進一步提聞。
[0016]一種適合擴徑變形套管的加工方法，包括以下步驟:
[0017](I)、對套管光管兩管端欲加工螺紋的部位先進行擴徑變形，然后對其進行正火或退火熱處理，消除管端的內應力，使得管端材料性能恢復至與管體相同；
[0018](2)、對經步驟(I)熱處理后的管端進行冷減徑加工，使加工內螺紋的管端減徑后的外徑大于管體外徑5%-15%，壁厚小于管體壁厚5%-15%，使加工外螺紋的管端減徑后的內外壁與管體平齊；
[0019](3)、在經步驟(2)減徑的套管的一端加工外螺紋，在套管的另一端加工內螺紋。
[0020]所述步驟(3)中在經步驟(2)減徑的套管的一端加工外螺紋，并在外螺紋前端部加工環形密封凹槽或凸緣，在套管的另一端加工內螺紋，并在內螺紋小端根部加工與外螺紋端部的凹槽或凸緣相互配合的環形密封凸緣或凹槽。
[0021]所述步驟(I)中對套管光管管端欲加工螺紋的部位進行20% -25%的擴徑變形。
[0022]本發明的方法通過特殊的擴減徑方法使得螺紋接頭部位的金屬材料環向拉伸屈服強度降低，從而抵消了由于接頭壁厚增加而導致的擴徑變形力上升，甚至可以低于管體部位，這樣有利于維持接頭部分擴徑變形時的結構完整性。
[0023]內螺紋接頭部位的壁厚小于外螺紋接頭，這樣在接頭擴徑變形過程中內螺紋接頭的軸向收縮量要大于外螺紋接頭而使金屬密封接頭獲得設計的過盈量，從而可以獲得密封結構所需的接觸壓力和接觸面積，使得接頭的密封性能提高。同時由于專門設計的螺紋牙型，可以使得螺紋牙側面在擴徑后的接觸間隙消失，接觸壓力和接觸面積增加，從而使得螺紋部位起到輔助密封效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發明中兩套管光管的端部示意圖；
[0025]圖2為本發明擴徑后的兩套管的端部示意圖；
[0026]圖3為本發明減徑后的兩套管的端部示意圖；
[0027]圖4為本發明的外螺紋接頭結構示意圖；
[0028]圖5為本發明的內螺紋接頭結構示意圖；
[0029]圖6為本發明兩套管的接頭螺紋牙型的結構示意圖；
[0030]圖7為本發明兩套管的接頭凸緣和凹槽互相配合的結構示意圖；
[0031]圖8為本發明兩套管的接頭上扣后的結構；
[0032]圖9為本發明兩套管的接頭在擴徑后的總體結構示意圖；
[0033]圖10為本發明的套管在擴徑后內外螺紋的配合示意圖；
[0034]圖11為本發明中內螺紋凸緣和外螺紋的凹槽過盈接觸的示意圖。

【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖對本發明進行詳細描述:
[0036]如圖8和9所示，本發明的適合擴徑變形的套管，包括管體I和連接在管體I兩端與管體I為一體的內螺紋接頭3和外螺紋接頭4，所述內螺紋接頭3壁厚小于外螺紋接頭4壁厚，如圖6所示，內螺紋接頭3的螺紋牙型7和外螺紋接頭4的螺紋牙型5為相互配合的偏弧形螺紋，螺紋牙型的承載面牙側角為負角度，角度范圍為-5°到-20°。導向面牙側外形為近似正弦曲線的自然曲線，內螺紋接頭3螺紋齒高大于外螺紋接頭4螺紋齒高0.2mm,內螺紋接頭3和外螺紋接頭4旋緊上扣后內螺紋齒頂與外螺紋齒底接觸。
[0037]在油田現場使用時，在井口使外螺紋端向上，內螺紋端向下，然后對接頭進行上扣，由于本發明內螺紋齒高大于外螺紋齒高，上扣后內螺紋齒頂與外螺紋齒底接觸，內螺紋密封凸緣與外螺紋密封凹槽亦相互接觸，螺紋牙型為偏圓弧形螺紋，其承載面角度為負角度，導向面為近似正弦曲線的圓弧形，這種形狀的螺紋在受到擠壓變形力時金屬易于流動從而更易于發生變形。
[0038]進一步，所述的內螺紋接頭3的外徑大于管體外徑5% -15%，壁厚小于管體壁厚約5% _15%，相比傳統接頭，壁厚更厚提高了接頭的連接強度；如圖7所示，所述外螺紋接頭4的內外壁與管體平齊，所述的內螺紋接頭3小端根部開設有環形密封凹槽或凸緣8，外螺紋接頭4的前端部開設有與內螺紋接頭3端部的凹槽或凸緣8相互配合的環形密封凸緣或凹槽6，內螺紋接頭3和外螺紋接頭4旋緊上扣后，該凹槽和凸緣構成密封結構。
[0039]本發明的適合擴徑變形套管的加工方法步驟如下:
[0040](I)對套管光管的兩個管端欲加工螺紋的部位先進行20% -25%的擴徑變形，然后對其進行正火或退火熱處理，以消除由于管端擴徑變形而產生的內應力和材料組織及性能的變化，使得管端材料性能重新恢復至與管體相同；
[0041](2)再對熱處理后的管端進行冷減徑加工，使加工內螺紋的管端減徑后的外徑大于管體外徑5%-15%，壁厚小于管體壁厚5%-15%，使加工外螺紋的管端減徑后的內外徑與管體平齊，壁厚與管體壁厚相同；
[0042](3)在經減徑的套管的一端加工外螺紋，并在外螺紋前端部加工環形密封凹槽或凸緣，在套管的另一端加工內螺紋，并在內螺紋小端根部加工環形密封凹槽或凸緣相配合的凸緣或凹槽，構成本接頭的密封結構，當兩支套管的內外螺紋上扣后即構成本發明的套管螺紋接頭結構。
[0043]由于金屬材料的包辛格效應，當金屬材料發生塑性變形后，反向加載時其屈服強度會降低，管端減徑后其環向拉伸屈服強度會降低，這會降低下一次擴徑所需的變形力。由于接頭部位在加工過程中經過減徑處理工藝，接頭部位材料的拉伸屈服強度低于管體部位，當對接頭由內向外進行擴徑變形時，由于材料屈服強度降低，將會抵消由于接頭壁厚增加而導致的擴徑變形力上升，甚至可以低于管體部位，這樣有利于維持螺紋接頭部分擴徑變形時的結構完整性。本發明的套管具有制造加工簡單，接頭連接強度高，密封性能好，容易擴徑，且擴徑過程中結構不易損壞等特點。
[0044]以下結合具體實施例，詳細說明本發明的方法:
[0045]實施例1
[0046]圖1為兩套管光管，一套管光管的一端為本發明的外螺紋接頭4，另一套管光管的一端為本發明的內螺紋接頭3。外螺紋接頭4與內螺紋接頭3的長度大約在200mm-300mm。
[0047]圖2中，利用金屬管擴徑加工方法對外螺紋接頭4和內螺紋接頭3分別進行擴徑，使其直徑增加20% -25%，可以通過冷變形或熱變形實現擴徑變形。擴徑后通過正火或退火熱處理消除由于金屬冷變形產生的內應力，并使其組織細化，機械性能恢復至與管體相當的程度。具體的熱處理制度需視膨脹套管金屬材料的性質來確定，以消除冷變形的內應力并使其機械性能恢復至與管體相當為原則。圖2中分別為擴徑變形后的內螺紋接頭3和外螺紋接頭4。
[0048]圖3中，對經過熱處理的內內螺紋接頭4進行冷減徑加工，減小其直徑，減小后的外徑大于管體外徑5%，壁厚約小于管體壁厚5%。對經過熱處理的外螺紋接頭4進行冷減徑加工，減小其直徑，減小后的外徑及壁厚均與管體部位相同。
[0049]圖4為本發明的外螺紋接頭的結構，接頭上已經加工了外螺紋和密封凹槽6。
[0050]圖5為本發明的內螺紋接頭的結構，接頭上已經加工了內螺紋和密封凸緣8。
[0051]圖6中，本發明的螺紋牙型為偏圓弧形螺紋，其承載面角度為負角度，導向面為近似正弦曲線的圓弧形，這種形狀的螺紋在受到擠壓變形力時金屬易于流動從而更易于發生變形。螺紋上扣后，內外螺紋的承載面相互接觸，導向面之間有微小間隙，螺紋齒頂和齒底之間亦有微小間隙。
[0052]圖7中，在內螺紋根部加工有環形凸緣8，在外螺紋的端部對應位置加工有凹槽6，凸緣8和凹槽6互相配合，構成本發明的金屬對金屬密封結構。
[0053]圖8中，為本發明的接頭上扣后的結構。
[0054]圖9中，為本發明的接頭在擴徑后的總體結構。
[0055]圖10中，為本發明的螺紋在擴徑后的結構，由于內螺紋接頭部位的壁厚小于外螺紋部位，在接頭擴徑變形后，內螺紋的軸向收縮量大于外螺紋接頭，同時，內螺紋在外螺紋的擠壓下發生塑性變形，螺紋牙側面和螺紋齒頂與齒底已經相互過盈接觸。
[0056]圖11中，為本發明的密封結構在接頭擴徑后的結構，由于內螺紋接頭部位的壁厚小于外螺紋接頭部位，在接頭擴徑變形后，內螺紋接頭的軸向收縮量大于外螺紋接頭，圖中內螺紋凸緣8和外螺紋的凹槽6已經完全過盈接觸。
【權利要求】
1.一種適合擴徑變形的套管，其特征在于:包括管體(I)和連接在管體兩端與管體(I)為一體的內螺紋接頭(3)和外螺紋接頭(4)，所述內螺紋接頭(3)壁厚小于外螺紋接頭(4)壁厚，內螺紋接頭(3)的螺紋牙型(7)和外螺紋接頭(4)的螺紋牙型(5)為相互配合的偏弧形螺紋，螺紋牙型的承載面牙側角為負角度，導向面牙側外形為近似正弦曲線的自然曲線，內螺紋接頭(3)螺紋齒高大于外螺紋接頭(4)螺紋齒高，內螺紋接頭(3)和外螺紋接頭(4)旋緊上扣后內螺紋齒頂與外螺紋齒底接觸。
2.根據權利要求1所述的適合擴徑變形的套管，其特征在于:所述的內螺紋接頭(3)的外徑大于管體外徑，壁厚小于管體壁厚，所述外螺紋接頭(4)的內外壁與管體平齊；所述的內螺紋接頭(3)小端根部開設有環形密封凹槽或凸緣(8)，外螺紋接頭(4)的前端部開設有與內螺紋接頭(3)端部的凹槽或凸緣(8)相互配合的環形密封凸緣或凹槽(6)，內螺紋接頭(3)和外螺紋接頭(4)旋緊上扣后，該凹槽和凸緣構成密封結構。
3.根據權利要求1或2所述的適合擴徑變形的套管，其特征在于:所述內螺紋接頭(3)和外螺紋接頭(4)螺紋牙型的承載面牙側角角度范圍為-5°到-20°。
4.根據權利要求1或2所述的適合擴徑變形的套管，其特征在于:所述內螺紋接頭(3)的外徑大于管體外徑5% -15%，壁厚小于管體壁厚約5% -15%。
5.根據權利要求1或2所述的適合擴徑變形的套管，其特征在于:所述內螺紋接頭(3)螺紋齒高大于外螺紋接頭(4)螺紋齒高0.2mm。
6.一種適合擴徑變形套管的加工方法，其特征在于包括以下步驟: (1)、對套管光管兩管端欲加工螺紋的部位先進行擴徑變形，然后對其進行正火或退火熱處理，消除管端的內應力，使得管端材料性能恢復至與管體相同； (2)、對經步驟(I)熱處理后的管端進行冷減徑加工，使加工內螺紋的管端減徑后的外徑大于管體外徑5%-15%，壁厚小于管體壁厚5%-15%，使加工外螺紋的管端減徑后的內外壁與管體平齊； (3)、在經步驟(2)減徑的套管的一端加工外螺紋，在套管的另一端加工內螺紋。
7.根據權利要求6所述的套管加工方法，其特征在于:所述步驟(3)中在經步驟(2)減徑的套管的一端加工外螺紋，并在外螺紋前端部加工環形密封凹槽或凸緣，在套管的另一端加工內螺紋，并在內螺紋小端根部加工與外螺紋端部的凹槽或凸緣相互配合的環形密封凸緣或凹槽。
8.根據權利要求6或7所述的套管加工方法，其特征在于:所述步驟(I)中對套管光管管端欲加工螺紋的部位進行20% -25%的擴徑變形。
【文檔編號】C21D9/08GK104074474SQ201410177951
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年4月29日 優先權日:2014年4月29日
【發明者】張建兵 申請人:西安石油大學