浅析特殊螺纹接头油套管检测与质量控制

介绍了特殊螺纹油套管的发展和现状,对常见的特殊螺纹接头结构进行了分析,指出起连接作用的螺纹的参数、起密封作用的金属面的外观及尺寸和起抗过扭作用的台肩的深度和角度是特殊螺纹接头检测的主要质量控制要点.根据特殊螺纹油套管的生产工序,提出了特殊螺纹油套管制造质量控制的重点.     

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。     

非API螺纹特点及检测相关性探讨

分析了油套管特殊螺纹的密封结构、扭矩台肩和螺纹形状,探讨了特殊螺纹检测方法的特殊性,以及影响特殊螺纹油套管质量的关键因素,以期建立石油天然气行业特殊螺纹接头的检测方法及验收标准。     

特殊螺纹接头密封性能与结构分析

油气井环境的日益苛刻对油套管的密封性能和连接强度提出了更高的要求。采用有限元方法分析了特殊螺纹接头的密封性能及结构特点,重点研究了现有结构在上扣转矩、轴向拉伸及内部内压作用下接头的应力分布和密封效果,获得了在各种工况下的失效载荷,并在此基础上,对此种特殊螺纹接头主密封结构、螺纹牙型进行设计、对比与分析。分析结果表明,在主密封结构的设计上需要综合考虑接触应力及接触面积等因素才能得到较好的密封效果;在螺纹牙型设计上,需要考虑螺纹加工对成本的影响,使用加工刀具及量具比较成熟的偏梯形螺纹是较好的选择。     

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。     

油套管特殊螺纹接头的研制与应用

针对API Spec 5CT油套管螺纹存在的联接强度低，密封性能差，上螺纹控制难，接头应力高，耐应力腐蚀性能差等问题，研制了油、套管特殊螺纹WSP—1T。文章介绍了WSP—1T型设计因素和应力分析。现场应用表明WSP—1T型特殊螺纹能上、卸螺纹30次以上而不粘结，气密封性能100％，复合承载能力3600kN以上。     

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。     

铝合金直连型套管接头密封性能分析

铝合金直连型套管接头具有压裂后钻磨效率高、下入性好等优点。当前国内外对铝合金材料套管接头研究较少,而压裂工况下对接头的密封性能又有较高的要求。针对上述问题,通过有限元模拟仿真与现场试验相结合的方法,分析铝合金直连接头的结构参数,接头过盈量以及载荷对密封性能的影响,从而得到最佳的接头螺纹过盈量和结构参数以及不同载荷对接头密封性能的影响。研究结果表明：密封面角度为16°,密封面长度为3.5 mm,扭矩台肩角度为逆向角-15°,密封面过盈量为0.4 mm,扭矩台肩面过盈量为0.06～0.08 mm时密封性能较好;在有轴向拉力作用时,密封性能会有明显下降,而轴向压力、内压和外压对密封性能影响可以不予考虑。所得结论可为铝合金直连型接头的设计和进一步改进提供指导。     

特殊螺纹油套管设计及国内产品现状

分析了特殊螺纹油套管与API标准产品的不同之处,指出应通过优化和改进螺纹、密封以及扭矩台肩3个部分的相关参数,以保证管柱结构完整性和密封完整性。介绍了国内发展比较成熟的特殊螺纹油套管及其相关技术特点。针对目前国内研究和生产现状,提出了特殊螺纹油套管的发展建议。     

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。     

油井管接头密封方法及机理综述

高温高压天然气井的管柱密封性至今无法完全保障。油井管最常用的四种密封方法是螺纹密封、台肩密封、弹性密封环密封和金属接触密封。大部分特殊螺纹接头采用金属接触密封,密封面接触压力决定了密封能力。正确的金属接触密封会显示出一种压力激发效应。将密封面设计在远离螺纹端部的位置,螺纹端部刚性增强了密封接触力。金属接触密封的泄漏概率为10^-2,泄漏速度取决于密封面的接触应力宽度、粗糙度、损伤程度、密封脂、涂层等。特殊螺纹接头在振动后,即使产生疲劳裂纹,也不发生泄漏。一些接头台肩刻槽后作密封性试验,结果发生泄漏。很多气井管柱扭矩台肩发生了腐蚀,证明金属接触密封存在泄漏通道,即扭矩台肩起密封作用。接触压应力设计法无法完全解决特殊螺纹接头的密封问题,发展全新的设计理论和制造技术,是保障特殊螺纹接头密封性的重要发展方向。     

特殊螺纹油管接头现场端接箍胀大原因分析

针对某西部油田商检时发现的特殊螺纹油管接头现场端接箍胀大问题,进行调查研究、有限元分析、上扣验证试验和密封验证试验。结果表明:特殊螺纹油管接头工厂端上扣后,现场端接箍的螺纹中径胀大很小,但密封面直径胀大较大; 接头的壁厚越厚、上扣转矩越大、拐点转矩越低和台肩宽度越窄,密封面直径胀大就越明显。研究还发现接箍过大的胀大量会导致接头密封失效。为防止接箍胀大而影响密封性能,建议生产厂严格控制拐点转矩、适当延长转矩台肩宽度,并将这两项指标列入检验标准; 同时,建议油田制订验收标准时限定接箍密封面直径胀大量,并据此调整验收标准的公差范围。     

油套管螺纹接头密封面粘扣试验与分析

为了研究油套管螺纹接头不同密封结构参数与密封面粘扣的关系,以Φ346.08 mm×15.88 mm P110套管特殊螺纹接头为例,设计了不同的密封面参数,并进行实物上、卸扣试验,通过试验分析提出可以用摩擦功这一量化指标来表征密封面抗粘扣性能。研究表明,当摩擦功小于387 kJ时,粘扣风险较低;密封结构不匹配会导致密封面接触发生“犁削效果”,即使摩擦功很小也会发生粘扣,属于非正常摩擦磨损。     

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。     

特殊螺纹油管与套管的上扣扭矩构成与密封性能研究

通过大量上卸扣试验与气密封试验,研究了影响特殊螺纹上扣扭矩构成及其各部分比例与总上扣扭矩比值的因素;研究了上扣扭矩构成对特殊螺纹密封完整性及结构完整性的影响。结果表明:螺纹螺距、锥度、中径、紧密距偏差以及螺纹粘着磨损等因素明显影响上扣扭矩构成及其各部分比例,而较低的台肩扭矩与总上扣扭矩比值将明显降低拉伸载荷下的螺纹密封完整性,以及腐蚀介质存在时的螺纹结构完整性。提出了上扣扭矩构成及其各部分比例与特殊螺纹油套管的制造质量及螺纹连接质量的相关性,提出用上扣扭矩构成及其各部分比例作为评判特殊螺纹完整性的快速有效方法,用上卸扣试验及复合载荷密封性试验的方法确定特殊螺纹的最佳上扣扭矩及其各部分的构成比例。     

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。     

基于ANSYS的套管特殊螺纹接头密封结构设计

分析了API套管螺纹接头的泄漏机理以及特殊螺纹接头的密封机理,在API套管螺纹接头的结构基础上进行了一定改进,提出了一种新型的双台肩、三锥度套管特殊螺纹接头的密封结构形式,并利用ANSYS软件对设计的密封结构在上扣和拉伸两种工况下进行了分析研究,得出了不同工况下螺纹接头各扣牙的受力曲线。分析结果表明,该特殊螺纹接头结构合理,各扣牙受力分布较为均匀,可延长套管接头的使用寿命。关键词:螺纹接头;泄漏机理;密封机理;受力分析     

特殊螺纹接头的研究现状分析

介绍了特殊螺纹接头发展历史及现状,国内外主要生产供应商生产的特殊螺纹接头类型及其特点。对特殊螺纹接头研究的重点和难点如：金属接触的密封结构及过盈量控制、螺纹受力优化和螺纹抗黏扣技术等进行了实例专利分析。指出了目前我国在研究特殊螺纹接头过程中存在的主要问题,为特殊螺纹接头的国产化提出了一些建议。     

油套管特殊螺纹接头工厂端上扣对现场端接箍参数及性能的影响

针对油套管特殊螺纹接头工厂端上扣前后出现的现场端接箍参数发生变化这一现象,进行了全尺寸实物试验和有限元分析,并对现场端接箍参数发生显著变化的样管进行了气密封试验。有限元分析显示,工厂端上扣后,现场端接箍应力水平提高,并会发生一定的膨胀,表现为现场端接箍的密封面直径变化远大于螺纹直径变化,且距离现场端越近表现越明显,这与上扣试验测量数据相吻合。气密封试验结果显示,现场端接箍公差发生显著变化的样管仍然可以保证其在复合加载下的气密封性能;已经经过全尺寸实物评价试验的油套管特殊螺纹接头,在上卸扣试验中同样存在工厂端上扣对现场端密封参数造成影响,整个试验过程已经包含了一端上扣对另一端接箍密封参数带来的影响。研究表明,只要接箍在工厂端上扣前螺纹及密封参数公差在规定范围内,在油田现场应允许现场端接箍参数超出规定范围,此结论可为油田用户提供参考。