[发明专利]一种适合扩径变形的套管及加工方法

说明书

技术领域

本发明属于油气井建井及修井技术领域，涉及石油膨胀套管技术，尤其涉及一种适合扩径变形的套管及加工方法。

背景技术

石油天然气井钻成后，要在井眼中下入钢制套管加固井眼，单支套管的长度通常在10米左右，通常套管之间通过管螺纹连接而构成长度可达数千米的套管柱。

近年来出现了一种新技术，称之为膨胀套管技术，该技术的核心是对下入井眼中的套管柱在井眼中进行扩径变形，使得套管的内外径发生大约10％～20％左右的塑性变形，这种扩径变形通常通过液体压力在套管柱里面驱动锥形的膨胀工具沿管柱轴线运动而实现，类似于工厂中的钢管扩径冷拔加工。膨胀套管技术是石油工程领域重大的新技术，应用前景广阔。

膨胀套管技术的核心之一是要求连接套管的管螺纹接头在随套管管体在扩径变形后依然能够保持其结构及密封完整性，即要求其仍然具有一定的连接强度和对液体的密封能力。普通的标准管螺纹和目前的常规套管特殊螺纹接头均无法满足此要求。

目前的公知膨胀套管接头是一种内外壁均与管体平齐的直连型螺纹接头，倒钩形螺纹，且依靠橡胶圈实现密封。在套管柱膨胀过程中，这种螺纹接头需要的膨胀液体压力大致与管体相同，典型情况下需要约20～40MPa的压力，同时，由于接头的壁厚与管体相同，没有进行加厚，所以这种接头的连接强度也比较低，一般最多只能达到管体强度的50％左右，另外，这种接头对螺纹上扣时密封橡胶圈的安装操作要求也很高，细小的操作不慎也可能会导致密封橡胶圈脱离密封槽部位而起不到应有的密封效果。这些因素都使得螺纹接头部位常常成为膨胀套管柱的薄弱环节，绝大部分套管柱膨胀失败的原因均与螺纹接头的扩径不成功有关。

好的膨胀套管螺纹接头应该具备以下特征：(1)、接头部位易于膨胀，这样有利于接头在膨胀过程中的稳定性，使得接头不易发生结构损坏；(2)、接头的密封功能容易实现且可靠性高；(3)、接头的连接强度高。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种适合扩径变形的套管及加工方法，该套管的接头结构简单，所需的扩径变形力小，连接强度高，在扩径变形过程中不易发生结构损坏，且密封结构可靠、密封性能好。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种适合扩径变形的套管，包括管体和连接在管体两端与管体为一体的内螺纹接头和外螺纹接头，所述内螺纹接头壁厚小于外螺纹接头壁厚，内螺纹接头的螺纹牙型和外螺纹接头的螺纹牙型为相互配合的偏弧形螺纹，螺纹牙型的承载面牙侧角为负角度，导向面牙侧外形为近似正弦曲线的自然曲线，内螺纹接头螺纹齿高大于外螺纹接头螺纹齿高，内螺纹接头和外螺纹接头旋紧上扣后内螺纹齿顶与外螺纹齿底接触。

所述的内螺纹接头的外径大于管体外径，壁厚小于管体壁厚，所述外螺纹接头的内外壁与管体平齐；所述的内螺纹接头小端根部开设有环形密封凹槽或凸缘，外螺纹接头的前端部开设有与内螺纹接头端部的凹槽或凸缘相互配合的环形密封凸缘或凹槽，内螺纹接头和外螺纹接头旋紧上扣后，该凹槽和凸缘构成密封结构。

所述内螺纹接头和外螺纹接头螺纹牙型的承载面牙侧角角度范围为-5°到-20°。

所述内螺纹接头的外径大于管体外径5％-15％，壁厚小于管体壁厚约5％-15％。

所述内螺纹接头螺纹齿高大于外螺纹接头螺纹齿高0.2mm。

本发明套管的内螺纹齿顶与外螺纹齿底在上扣后相互接触，套管扩径时，外螺纹由内向外挤压内螺纹，同时由于内螺纹接头壁厚小于外螺纹接头壁厚，内螺纹的轴向收缩量大于外螺纹，由于本发明的弧形螺纹更有利于螺纹金属在塑性变形过程中的金属流动，扩径时内外螺纹导向面间的间隙更容易被填充，原本存在于内外螺纹之间的间隙在接头扩径后会消失，金属对金属密封结构在扩径后产生过盈接触，起到密封效果，并在内外螺纹的牙侧面产生紧密的接触而起到辅助密封效果，提高了套管接头的密封性能。

进一步，内螺纹接头外径大于管体外径约5％-15％，壁厚小于管体壁厚，外螺纹接头的内外壁与管体平齐，相比传统套管接头，内外接头总体壁厚更厚，总体壁厚大于管体，从而提高了接头的连接强度。同时根据金属塑性变形的体积不变原理，套管柱在扩径后由于管体的内外径变大，管体的长度将减小。由于本发明的内螺纹端的壁厚小于外螺纹端壁厚，这样，在接头扩径过程中内螺纹端的轴向收缩会大于外螺纹端，从而会导致密封凸缘进一步压迫密封凹槽而形成设计的过盈量，由此原本接触的密封凸缘和密封凹槽的接触压力会进一步增加，接触面积也会进一步增加而提高密封效果，从而使得接头的密封压力在扩径后进一步提高。