特殊螺纹气密封性能评价研究

针对特殊螺纹实现高气密封能力的问题,基于密封接触应力分布及其变化规律建立了锥面对锥面主密封过盈接触应力以及井下载荷工况下扭矩台肩面实际接触应力计算模型,并且基于密封接触能机理和密封面极限屈服条件建立了特殊螺纹气密封性能定性评价方法。以锥面对锥面主密封为例,对比分析了7种井下载荷工况对密封面平均接触应力、密封接触长度以及主密封面和台肩面的密封性能影响规律,绘制了防泄漏安全系数为1.0、1.5和2.0时锥面对锥面密封结构的密封包络线。结果表明:轴向拉伸载荷和环空外压会降低主密封结构和台肩面密封性能,轴向压缩载荷和油管温度升高有利于提高主密封结构和台肩面密封性能,而气体内压对主密封面接触应力有自增强效应,但会降低台肩面接触应力;控制合理环空内压以及上扣时台肩面作用扭矩有利于减小井下载荷工况对油管特殊螺纹密封性能的影响;绘制的密封包络线可以方便地设计锥面对锥面密封结构参数。     

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。     

基于正交试验的气密特殊螺纹油管接头密封性能研究

开发深海油气需要钻探大量超深井、大位移井,井下油管需要承受水下复合载荷的综合作用,这对气密特殊螺纹油管接头的密封性能提出挑战。以?99.25 mm×6.45 mm气密油管特殊螺纹接头为研究对象,以密封面最大接触压力为考核指标,依据ISO 13679标准A系试验载荷包络线对正交优化试验结果进行密封性能分析。分析结果表明：密封面最大接触压力影响因素敏感性由大至小的顺序为：密封面角度>扭矩台肩角度>螺纹承载面角度>螺纹锥度>螺纹螺距;气密特殊螺纹油管接头参数最优组合为密封面角度10°、扭矩台肩角度-12°、螺纹承载面角度12°、螺纹锥度1∶18、螺纹螺距4.8 mm;优组后油管接头在ISO 13679标准A系试验载荷下各加载点密封性能良好。所得结果对气密特殊螺纹油管结构的进一步优化设计具有指导意义。     

特殊螺纹油管接头上扣性能三维有限元分析

特殊螺纹油管接头有限元分析多采用二维轴对称模型,不考虑螺纹升角,以主密封面与台肩处的渗透量模拟上扣时金属-金属间的过盈配合。该方法不能准确反映上扣时过盈量与扭矩的对应关系。鉴于此,考虑螺纹升角的影响,利用Abaqus软件建立了某特殊螺纹油管接头三维有限元模型,模拟分析了接头在最佳、最小、最大上扣扭矩下的上扣过程。分析结果表明,所建特殊螺纹接头模型加载扭矩曲线与标准上扣扭矩曲线基本相符;3种扭矩作用下,密封面与台肩环向路径上接触应力较大且分布较为均匀,螺纹啮合处虽有应力集中,但3种状态下最大等效应力远小于材料屈服强度且大小几乎相等;最佳扭矩拧紧状态下该型特殊螺纹油管接头具有最好的密封性能与足够大的连接强度。研究结果有助于深入了解上扣扭矩与密封性能和连接强度的关系。     

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。     

油套管特殊螺纹接头结构参数对性能的影响

油套管特殊螺纹接头由球面/柱面型主密封结构、反向式台肩结构和螺纹连接部分组成,球面主密封面曲率半径r、主密封面的过盈量δ和台肩的反向角度θ等结构参数对接头的强度和密封性能具有重要影响.基于因数轮换法的基本思想,运用有限元数值仿真方法分别研究了结构参数r、δ和θ对油套管特殊螺纹接头的强度和密封性能的影响,结果表明,r越大接头密封性能越差,θ越大接头密封性能越好,δ越大则接头密封性能越好,但接头应力集中程度则会加重.     

地下储气库特殊螺纹套管接头密封性分析

以目前国内枯竭油气藏型地下储气库使用的特殊螺纹套管接头为研究对象,利用弹塑性有限元方法,首次建立了地下储气库运行工况下特殊螺纹接头连接的有限元数值模型,分析了不同注采工况下套管接头连接的VonMises等效应力和接触压力分布特点,并对特殊螺纹接头密封面、台肩面及螺纹面的密封性能等进行了评价分析。研究结果表明,地下储气库注气工况下套管接头的泄漏概率要大于采气工况,目前使用的特殊螺纹接头连接基本可以满足储气库安全运行需要;而对于特殊螺纹接头本身,主密封面和台肩面局部出现塑性变形,且接触压力大,是易发生泄漏的部位。     

NCS38气密封钻杆接头应力分析与结构优化研究

为适应更高的钻井环境要求,在NC38钻杆接头的基础上,设计了一种新型气密封钻杆接头NCS38。该新型接头设置了专门的径向金属密封结构以及辅助扭矩台肩,圆锥形密封面通过过盈配合实现密封,辅助扭矩台肩则可保护密封面。为了确定合适的密封锥度和密封过盈量,建立了NCS38接头的有限元模型,运用有限元方法进行了模拟计算。计算结果表明:不同的密封锥度和过盈量对密封面的密封性能和应力分布有较大影响,合理的锥度及过盈量参数可提高接头的密封性能。研究结果对于气密封钻杆接头的现场应用具有一定的指导作用。     

特殊螺纹石油套管接头密封结构优选

为了保证石油套管接头在高温、高压及强腐蚀工作环境下的密封完整性,采用金属对金属的密封方式代替橡胶密封。阐述了金属对金属密封的密封机理,根据厚壁圆筒弹性力学理论,推导出了石油套管接头锥形密封面最大过盈量的计算方法。利用有限元分析软件Marc建立石油套管接头的二维轴对称模型,分析了不同过盈量下密封面锥度和扭矩台肩角度对接头密封性能的影响,并对密封结构参数进行优化。采用有限元法与全尺寸试验相结合的方法验证石油套管接头在机紧、机紧+拉伸、机紧+拉伸+内压3种工况下的密封性能,结果表明该石油套管接头满足密封要求,在机紧+拉伸工况下接头的密封强度最差,设计时应优先考虑该工况。研究结果对特殊螺纹接头的开发和使用具有较高的参考价值。     

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。     

微观泄漏机理在非API套管接头密封性能评估中的应用

将微观泄漏机理引入非API套管接头密封性能研究,旨在建立表面粗糙度和密封结构加工参数与微观气体泄漏率之间的函数映射关系。通过Monte Carlo随机正态分布抽样公式结合密封表面粗糙度加工参数,模拟得到服从正态分布和预设表面粗糙度值的粗糙表面轮廓曲线,依据不同样本容量和表面粗糙度下平均峰角、平均峰高和三角峰数目/样本容量等轮廓曲线形貌特征统计数据,分析得到模拟曲线几何共性特征。结合弹塑性力学接触理论和计算得到的粗糙表面几何形貌参数,建立具有几何共性特征的高硬度管体层锥体压入低硬度软金属镀层平面简化泄漏模型,将气体泄漏看作不可压缩稳定层流,推导出含有密封面微观几何形貌特征（平均峰角和平均峰高）的气泄漏率计算公式。将与套管接头主密封结构重要加工参数相关的总密封预紧压力代入微观气体泄漏率计算公式,得到适用于非API套管接头密封性能定量评估计算方法。泄漏率实例计算结果表明,不同表面粗糙度对应气体泄漏率相差一个数量级,且加工精度等级越高相差越明显。非API套管接头密封设计和性能评估必须考虑金属机加工表面粗糙度。     

某高温高压气井油管泄漏试验研究

某高压气井在酸化压裂后的试喷过程中发生特殊螺纹油管接头泄漏,起出后检查发现扭矩台肩部位有大量腐蚀。对该规格油管进行复合载荷条件下的气密封性能试验和耐腐蚀性评价试验。结果证明,在静态载荷作用下,油管气密封和耐腐蚀性能可满足工况要求。应用排除方法分析了台肩面处的摩振腐蚀和复杂应力状态是导致腐蚀的原因,可较好地解释实际腐蚀现象。提出了今后油管特殊接头设计与应用研究的方向,以解决该类腐蚀问题。     

35MPa环空放气阀设计及试验

环空放气阀是油气井中控制油管和套管环空通道的主要工具.研制了一种新型环空放气阀,密封面为球面金属密封.通过理论计算、有限元分析、室内试验,对环空放气阀进行设计分析和验证.结果表明,内部/外部压力产生的轴向力始终使金属密封面压紧,且内部/外部压力越大,密封面的压紧力越大;在额定工作压力35 MPa条件下,最大应力为193...     

高压对气井套管接头螺纹接触应力的影响研究

高温高压气井对螺纹密封性的要求要比油井更为严格。对于高压气井中的整个管柱,每一段处于不同的力学环境中,发生泄漏的可能性也不同,因此研究压力对气井套管接头螺纹接触应力的影响,对高压气井套管的合理使用尤为重要。利用弹塑性有限元分析方法,建立了API偏梯型螺纹套管接头的有限元模型,分析了气井压力对套管接头接触应力的影响,提供了研究压力对套管接头螺纹接触应力影响的方法。对于井口压力或井底压力超过34MPa的高压气井,应选用气密性良好的特殊螺纹接头,建议采用金属对金属的螺纹接头套管,以加强螺纹部位的连接强度和密封性能。     

油管悬挂器U形金属圈密封性能研究

在油气开采向深水、高温、高压环境发展的大趋势下,密封技术决定了水下生产系统的可靠性和安全性。 设计了一种水下油管悬挂器出油口处U形金属圈,以密封性能和结构强度2个评判指标来评定金属密封圈的性能。参考AMSE Ⅷ-2中的结构塑性垮塌分析和局部失效的分析方法,结合有限元数值模拟研究U形金属圈在1.5倍额定工作压力的测试压力下的密封性能和结构强度。结果表明:在预紧和生产工况下,U形金属圈的密封性能满足设计要求,其接触唇有效接触宽度上的接触压力均满足预紧比压和工作比压要求。在测试工况下,密封圈整体结构满足防止塑性垮塌和局部失效评定的要求,但密封圈接触唇处易发生局部失效,应重点设计其接触唇的圆弧曲率半径。     

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。     

特殊螺纹接头锥面/锥面结构密封特性研究

API螺纹接头由于本身的结构设计以及加工公差已不能满足高温、高压的密封需要,而国内对气密封接头的密封特性研究较少。为此,对锥面/锥面结构密封采用有限元软件进行模拟,研究特殊螺纹接头锥面/锥面结构密封接触压力分布规律和密封性能,分析并讨论密封结构对主密封接触压力的影响。结果认为,特殊螺纹接头锥面/锥面结构密封主密封上具有很高的接触压力;密封面结构参数的变化对接触压力值的变化影响较大,但是对有效接触长度基本没有影响;单纯采用锥面/锥面结构密封,主密封面上存在应力集中,接触压力分布极不均匀,有效接触长度很短,密封面没有得到充分利用,需要对接头进行改进,以改善接头的密封特性。     

WSP特殊螺纹接头油井管的研制

介绍了WSP特殊螺纹接头的基本结构和设计思想,运用有限元方法,重点论述了密封设计和连接强度设计的方法和准则,并通过全尺寸试验进行了验证。计算和试验结果表明,该接头具有先进的螺纹形式、合理的扭矩台肩和金属/金属密封结构,有效地克服了API圆螺纹和偏梯形螺纹的不足,螺纹达到了与管体等强度,气密封能力达到了管体的内壁屈服压力。研究结果可以为开发更多适合油气田实际的特殊螺纹接头油井管提供参考。     

加有单侧挡圈的O形密封圈有限元分析

借助于有限元软件MSC．MARC建立了某推进系统密封结构中辅助密封圈的二维轴对称模型,分析了该结构在安装和使用时的接触变形、接触面上的接触应力分布等,并与实际工况及前期的研究成果进行了对比。初步确定了O形密封圈及挡圈的易失效区域,验证了其接触面上的接触应力随介质压力的增加而增加的结论。研究结果表明,加有单侧挡圈的。形密封圈不但密封性能好,而且能有效防止密封圈的挤出。此分析可为承受高压的辅助密封圈的结构优化设计提供一些理论基础。