特殊扣油管接头的应力及密封特性分析

运用有限元方法对NK-3SB特殊扣油管接头在不同载荷工况下的连接性能进行分析,重点研究了轴向拉力、内部压力对油管接头应力分布、密封性能的影响。计算结果表明,管体螺纹的受力薄弱区域在管体大端第1牙螺纹根部,上扣后仅受轴向拉伸载荷是油管接头的最恶劣工况。密封面上的接触压力随着内压力的增大而增大,但随着轴向载荷的增大而减小,接头的密封性能将主要由点接触(主密封)来保证;另外,在设计轴向载荷下,油管接头可以保证良好的密封性能。研究结果对于NK-3SB油管接头的设计和安全使用具有较好的参考价值。     

非API尺寸套管偏梯形螺纹接头设计

基于油田现场工况设计了φ206.38 mm×15.8 mmC110非API尺寸套管管体及非API偏梯形螺纹接头.对套管管体强度、螺纹接头连接强度和密封性能进行了计算分析.根据力学模型并利用有限元仿真分析方法,对螺纹接头在上扣、内压及拉伸条件下的受力进行了分析.最后对设计的螺纹接头的连接强度和密封性能进行了实物验证.结果...     

无接箍式双台肩油管接头结构设计与分析

为满足油田对特殊油管作业管柱的要求,通过有限元分析以及结构优化,设计出一种新型无接箍式双台肩油管特殊螺纹接头。新型无接箍式双台肩油管接头螺纹采用两级圆柱螺纹,齿顶、齿底平行于管体轴线,齿形为优化的偏梯形螺纹;密封结构采用两级密封,主密封为锥面对锥面的金属密封,次密封为斜面台阶密封;扭矩台阶采用两级直角台阶,抗压缩性能良好。有限元分析结果和实物试验验证表明,此接头抗粘扣性能良好,具有较优异的连接强度及抗内压性能,适合对接头外径有限制且对油管接头性能要求较高的油井使用。     

HST特殊螺纹油套管力学与密封性能有限元分析

为研究HST特殊螺纹油套管接头在机紧工况和拉伸工况下的连接性能和密封性能,采用Abaqus有限元软件,改变管体与接箍密封面过盈量和管体受力,分析2种工况下接头扭矩台肩、密封面和螺纹牙应力及接触压力。通过分析得到机紧工况下管体密封面最大过盈量为0.09 mm,拉伸工况下接头连接性能和密封性能减弱。研究结果可为HST特殊螺纹油套管的实际应用提供理论指导。     

螺杆钻具打捞器特锥扣接头有限元分析

基于弹性力学的有限元接触问题,对设计的LZLT203螺杆钻具专用打捞器的特锥扣螺纹接头建立了有限元力学模型。分析了该接头在受轴向拉伸力和轴向压缩力的作用下,其螺纹附近的应力变化及其接触面上的接触压力分布与变化。分析结果表明,在相同轴向载荷作用下,拉伸时接头内的针对应力为压缩时接头内最大应力的1.45倍,接头内的最大接触压力反而只有压缩时接触压力的40%,接头内的最大应力和最大接触压力发生在接头螺纹两端部的第1扣和第2扣内,这些结果为特锥扣螺纹的结构设计以及该接头的应用提供了理论依据。     

锥面球面密封结构特殊螺纹有限元分析

考虑丛式井多级压裂过程中,套损、螺纹泄漏现象严重,利用ANSYS软件建立锥面-球面特殊螺纹模型,研究了内压一定时,不同轴向力下特殊螺纹接头等效应力变化规律和密封面、台肩面接触压力随接触长度变化规律。结果表明,拉伸载荷过大,接箍密封端第一扣完整螺纹牙附近为危险断裂面,螺纹两端粘扣严重。密封面、台肩面接触压力随拉伸载荷增大而减小,但只要拉伸载荷在600 MPa内,密封面接触长度并不会随拉伸载荷增大持续减小。压缩载荷使特殊螺纹密封面、台肩面接触压力、接触长度增加,但同时也会让特殊螺纹接头应力增加,对螺纹连接不利。     

双台肩钻杆接头三维力学分析

建立了双台肩钻杆接头的三维有限元模型,利用显式动力学有限元方法分析了双台肩钻杆接头在上扣扭矩、轴向拉力和弯矩作用下的力学特性。相比二维轴对称模型,三维有限元模型可以考虑螺纹的螺旋升角,有效地模拟螺纹接头的上扣特性。计算结果表明,上扣扭矩的作用使得接头在螺纹牙、主台肩、副台肩处产生一定的预紧力,从而实现公扣、母扣间的过盈配合;轴向拉力使得螺纹牙上的接触压力上升而主台肩、副台肩上的接触压力下降,这一方面加重了螺纹牙的负担,另一方面也影响了接头的密封性能;在弯矩的作用下,钻杆接头的应力分布呈现出明显的非对称特性。此外,在上扣扭矩和轴向拉力作用下,各螺纹牙的承载很不均匀,两端的几牙螺纹承担了大部分的载荷,而中间段螺纹牙仅承担了小部分载荷。     

考虑温度影响的特殊螺纹油管接头有限元分析

为了解不同温度下依靠主密封面密封的特殊螺纹油管接头的力学行为,为特殊螺纹油管接头的设计和使用提供依据,采用Abaqus有限元软件建立了特殊螺纹油管接头三维有限元模型,分析了温度对接头密封面、扭矩台肩及螺纹段Mises应力和接触压力分布规律的影响。分析结果表明:不同温度下,沿螺纹锥度方向螺纹段扣牙最大接触压力及最小接触压力分别位于螺纹段第1扣和第11扣处,符合螺纹扣牙接触压力分布规律;油管接头最大Mises应力均出现在接头密封面及扭矩台肩处;随着温度升高,各螺纹牙Mises应力逐渐增大,而螺纹牙接触压力增加幅度较小;随着温度升高,密封面接触压力呈先增大后减小的趋势;扭矩台肩处接触压力随温度升高而增大。因此,应用于高温高压气井的特殊螺纹油管接头,在设计和实际应用中应考虑温度的影响。     

锥度设计对套管特殊螺纹接头密封性能影响

为进一步研究锥度设计对套管特殊螺纹接头密封性能的影响,利用ABAQUS有限元分析软件对不同锥度设计的套管特殊螺纹接头进行了上扣、拉伸、压缩条件下密封接触压力及接触长度的数值模拟。结果表明:内螺纹收尾处平切处理可有效提高密封面的接触压力和接触长度,扩大螺纹锥度的取值范围,但会减少全顶螺纹数量,平切深度越大,全顶螺纹数量越少,设计平切深度值时应全面考虑,避免影响接头连接强度;设计退刀槽可增加密封面接触压力和长度,但需注意其结构设计,避免造成配合螺纹的划伤或粘扣。     

特殊螺纹接头密封可靠性数值分析

在实际加工中,金属对金属密封结构的特殊螺纹接头的参数是变化的,金属密封面上接触压力也是变化的。利用有限元概率分析功能建立了研究密封面上接触压力分布的方法,分析了特殊接头在锥度、密封直径、载荷等多个参数在随机变化条件下的密封面接触压力的分布规律,计算了密封可靠性。结果表明,不合适的螺纹参数匹配将导致密封面在拉伸载荷作用下失去密封能力。使用该特殊螺纹接头可靠性分析方法有助于优化螺纹密封结构与参数加工公差设计,进行管柱的可靠性设计与剩余寿命评估,提高接头的密封可靠性。     

一种适用于钛合金油管气密封螺纹接头的开发

为了适应国内某“三高”(高温、高压、超高压高温)工况的油气区块的需求,开发了一种适用于钛合金油管的高性能油管特殊螺纹接头。螺纹接头采用负角度承载面和不同内外螺纹齿高参数的牙型、合理的锥面/锥面密封面角度和密封过盈量配合以及接箍内螺纹的负角度扭矩台肩的螺纹接头设计。有限元分析结果表明:该设计可保证螺纹接头具有良好的抗螺纹粘扣性能,以及在室温和高温复合载荷下具有优异的气密封能力。全尺寸实物评价试验表明:设计开发的特殊螺纹接头具有良好的抗螺纹粘扣性能、优异的室温和高温复合载荷条件下气密封性能、较高的抗弯曲能力以及较高的抗压缩能力。     

复杂载荷作用下套管特殊螺纹 接头密封性能有限元分析

为了探究一体化管柱套管特殊螺纹接头在复杂载荷作用下的密封性能,以徐深9-平4井完井管柱的某套管气密封螺纹为例,进行其受力变形的有限元分析。结果表明,轴向拉力及外压作用均会导致接头密封性能下降; 轴向压力与内压在一定程度上会提升接头的密封性能; 弯矩作用会导致接头应力分布产生不对称性,接头受拉侧最后一齿易产生应力集中。分析结果可为套管特殊螺纹接头的应用提供参考。     

基于密封性能要求的超深井钻柱极限提升力的确定

为了评估大轴向载荷作用下的钻杆接头密封性能,保证钻杆接头的使用性能,采用三维有限元方法建立了双台肩钻杆接头高精度有限元模型,研究了钻杆接头的密封机理,并分析了其在上扣扭矩和轴向拉力作用下的力学特性。研究结果表明,双台肩钻杆接头的密封以主台肩、副台肩为主,只有当上扣扭矩使主、副台肩上产生一个合理的接触压力后,才能保证接头的密封性能;轴向拉力的作用将降低主、副台肩上的接触压力,从而影响接头的密封性能;当轴向拉力超过2 500 kN时,主、副台肩将失去密封性能,从而增加接头发生应力腐蚀的风险。该研究结果对超深井钻杆接头使用性能的提高和钻柱极限提升力的确定具有一定的参考价值。     

异锥度气密特殊螺纹油管接头密封特性研究

基于虚位移原理,建立了异锥度气密特殊螺纹接头(简称接头)的连接控制方程,并建立三维有限元模型,分析其在不同的机紧转矩和井下复杂工况条件下的力学响应特性。结果表明：在常见的工况下,接头的最大应力均小于材料的屈服应力;对于接头的密封结构,其主密封面的密封性能优于次密封面的密封性能;随着机紧转矩的增加,接头密封结构的平均接触压力与机紧转矩呈线性关系;轴向拉力和弯矩对接头密封结构的主、次密封面有不同程度的影响,但当机紧转矩值大于一定值后,其影响力将缓慢减弱并最终趋于稳定。分析结果对于接头的现场应用具有参考意义。     

隔水管接头密封圈有限元分析

针对海洋石油开采不断向超深水发展,隔水管长度增加导致钻井液压力急剧增大的问题,对隔水管接头密封展开研究。以隔水管接头主管和辅助管线密封圈为研究对象,利用大型有限元分析软件ABAQUS建立其密封有限元模型,对密封圈在不同工作压力下的变形与受力情况进行了分析研究。结果表明,随着工作压力的增加,主管和辅助管线密封圈的接触应力都相应增加,辅助管线密封的应力峰区位置随工作压力的变化而变化;随着工作压力的增加,密封圈的最大剪切应力增大。分析结果可为隔水管接头密封圈的优化设计提供参考。     

水龙头中心管螺纹连接承载能力与密封性能分析

在石油钻井中,水龙头中心管的载荷主要是由中心管螺纹来承担,所以螺纹连接的可靠性就直接决定了水龙头工作的可靠性。针对内压、轴向力和旋螺纹转矩3种载荷形式,采用有限元法,对中心管和接头螺纹连接在3种不同工况下进行了研究,分别得出了中心管螺纹Von Mises应力分布,轴向位移分布规律,以及螺纹接触应力分布曲线。结果表明,在最大工况下,中心管各啮合螺纹仍然具有承受载荷的能力,整个中心管不会被拉断;螺纹自身密封性很好,可以代替密封圈起密封泥浆的作用。     

钻杆接头多轴疲劳寿命

在实际钻井过程中,钻杆接头以螺纹连接处的疲劳破坏为主,导致钻井成本显著增加。现有对钻杆接头的研究主要集中于钻杆接头的静力学特性分析,少有涉及钻杆接头的疲劳破坏的研究。基于虚功原理、Von Mises屈服准则及接触非线性理论,考虑螺纹升角的影响,建立了钻杆接头的三维有限元计算模型,分析了钻杆接头的上扣特性及其在复合载荷作用下的力学特性。基于材料S-N曲线,综合考虑尺寸系数、应力集中系数、表面加工系数及表面强化系数的影响,确定了钻杆接头的弯曲疲劳S-N曲线理论模型,通过对比验证建立了满足工程要求的钻杆接头疲劳有限元计算模型。运用多轴疲劳算法,计算了钻杆接头在复合交变载荷下的疲劳寿命,分析了残余应力和表面质量对疲劳寿命的影响。研究结果表明,在上扣扭矩或复合载荷作用下,钻杆接头最大Mises应力均出现在公扣第1有效啮合螺纹牙根处;弯曲井段API钻杆接头的疲劳寿命较小,建议开发适合超深井、水平井、大位移井及大斜度井的专用钻杆接头;残余应力与表面质量对钻杆接头的疲劳寿命影响较大,在钻杆接头螺纹根部引入可控的残余压应力和改善表面质量可以大幅提高其疲劳寿命。     

磨损套管螺纹接头密封面力学特性

螺纹接头磨损是影响套管密封完整性的主要原因之一。由于套管螺纹接头结构特征复杂,常规计算模型无法得到解析解,实验研究也较困难,因此针对磨损条件下接头密封面力学特性的研究很少。鉴于此,建立了均匀磨损、偏心筒型磨损和月牙型磨损3种磨损形式的套管螺纹接头三维弹塑性有限元模型,基于ABAQUS软件分析了磨损深度为5 mm时套管螺纹接头在复杂载荷条件下的应力应变特征,研究了上扣扭矩、轴向拉力和弯矩作用下3种磨损形式对套管螺纹接头密封面力学特性的影响。研究结果表明,均匀磨损套管螺纹接头的密封面上存在较大塑性应变,且接触力比其他磨损形式大,密封失效风险较高。偏心筒型和月牙型磨损使得套管螺纹接头密封面接触面积、环形密封带最窄处接触宽度都有所降低,增加了接头局部漏失风险,影响套管螺纹接头的密封可靠性。