一种可膨胀的套管连接螺纹有限元研究

膨胀套管技术的研究是一项系统工程，它涉及石油钻井、采油、完井、修井等各个领域，以及材料学、力学等各个方面。其中膨胀套管连接螺纹的设计、加工是实施膨胀套管技术的重点和难点之一。针对膨胀套管膨胀前后和膨胀过程中要求套管连接强度和密封性能的要求，设计开发了一种可膨胀的套管连接螺纹，利用大型非线性有限元分析软件MSC/MARC对其在上扣、膨胀、扭矩等不同工况下的性能进行了模拟分析，表明该螺纹能够满足膨胀套管螺纹使用要求。     

膨胀套管螺纹连接技术研究

膨胀套管螺纹连接技术作为膨胀套管技术的关键核心技术之一,影响到膨胀套管发生膨胀后的连接
和密封效果,对其成功膨胀及作业具有至关重要的影响。在完成膨胀套管螺纹的基本结构和密封结构设计基础
上,对该膨胀螺纹进行有限元分析、室内膨胀、斜井膨胀及抗拉实验,完善优化膨胀套管螺纹结构,并在套管内和裸
眼井内实现现场应用。应用效果表明,所设计的膨胀套管螺纹在套管膨胀前后具有良好的密封性能和机械完整
性,能满足设计及现场应用要求。     

端面金属自密封特殊钩形螺纹有限元分析

针对常规API套管螺纹在膨胀时不能保持其结构和密封性能的问题,设计了一种端面金属自密封的膨胀套管特殊钩形螺纹结构,根据弹塑性有限元理论,建立了该特殊螺纹的有限元模型,模型结构中包括膨胀锥、膨胀套管及其特殊螺纹结构,研究了膨胀过程中特殊螺纹部分的Von Mises应力分布大小,结果表明该螺纹满足力学要求。分析了套管膨胀后端面金属自密封处的密封性和特殊螺纹部分的密封性,最终提出在预留退刀槽部分设计安装1个橡胶密封圈,增加1个密封圈后,能够保证该特殊钩形螺纹的密封完整性,为膨胀套管特殊螺纹结构设计提供了理论依据。     

膨胀筛管螺纹连接技术研究

螺纹连接技术是膨胀管的核心技术之一,突破该技术对膨胀筛管技术的研究具有至关重要的意义。利用ANSYS软件对带有割缝的倒钩齿螺纹进行有限元计算,得到螺纹膨胀变形后的有限元分析结果,找出模拟螺纹结构的设计缺陷,提出了相应的解决方法,并对改进后的膨胀筛管螺纹进行了膨胀试验、抗拉试验、井下模拟试验及管内防砂试验。试验结果表明,膨胀筛管螺纹采用配合槽和销钉紧固设计,能够较好地满足筛管连接及膨胀要求,可以作为膨胀筛管的连接螺纹。     

膨胀套管非API特殊螺纹端面金属自密封结构设计

可膨胀套管螺纹连接是膨胀套管技术中的关键技术之一,开展膨胀套管螺纹连接技术的研究有助于该技术在国内的发展和应用。借助于有限元力学分析软件,设计了一种非API特殊钩形螺纹端面金属自密封可膨胀螺纹结构,并对其进行了有限元力学分析,详细讨论了其密封完整性。结果表明：在膨胀前,金属密封性非常好,但在膨胀后,由于内密封面和外密封面变形不协调,使得膨胀后密封性能有所下降;在母螺纹根部设计密封槽,并安装1个橡胶密封圈,能有效地保证其密封的完整性。     

等井径膨胀套管螺纹接头的应力分析

等井径膨胀套管技术可实现无内径损失钻井,是钻井完井领域的革命性技术。作为其核心技术之一的膨胀套管螺纹接头在膨胀成形时易发生断裂或漏失,这是制约该技术发展的主要难点。鉴于此,根据塑性变形的基本理论,选取新型孪生诱发塑性钢TWIP作为螺纹接头材料,采用ABAQUS有限元分析软件建立模型,模拟膨胀套管螺纹接头的成形过程,并分析螺纹接头成形过程中应力-应变的变化规律以及膨胀后螺纹接头的残余应力分布情况。分析结果表明,螺纹接头成形过程中根部和螺纹顶部为薄弱环节,成形后轴向及周向存在较大残余应力。研究结果可为等井径膨胀套管螺纹接头承载性能的后续研究提供参考。     

一种新型膨胀管螺纹的连接可靠性分析及试验

螺纹连接的问题是膨胀管技术中一个重要课题,能否保证膨胀管螺纹在膨胀前后膨胀管连接的结构完整性和密封完整性是整个膨胀作业成功与否的关键。设计的一种新型膨胀管螺纹具有连接可靠、膨胀率高的特点。为确保该螺纹能安全使用,采用弹塑性有限元接触方法建立了膨胀管螺纹可靠性分析的力学模型,对该螺纹的非线性膨胀过程进行了数值模拟,分析了膨胀过程中螺纹的应力及变形特征。结果表明该螺纹膨胀后具有较好的结构完整性及强度。通过全尺寸试验进一步验证该膨胀管螺纹膨胀后连接安全可靠,能满足膨胀工艺的需要。理论分析及试验结果为膨胀管螺纹的优化提供了指导。     

实体可膨胀管螺纹连接的非线性数值模拟

基于弹塑性理论,建立了实体可膨胀管(SET)膨胀过程的非线性有限元模型,对套管的非线性膨胀过程进行了数值计算和模拟。分析了膨胀过程中所需的驱动力,讨论了螺纹连接在膨胀过程中的连接强度以及螺纹密封的变化,并根据计算结果提出了建议。     

非API规格偏梯形套管螺纹的开发

为了满足特殊井况结构螺纹接头的需要,提出了非API规格套管设计方法,在原有API偏梯形螺纹齿形和参数的基础上,重新设计计算了中径、完整螺纹长度、管端至消失点总长度、接箍镗孔直径、管端至三角形标志长度和全顶螺纹长度等6项参数,对设计的非API规格偏梯形螺纹套管进行了有限元分析,并进行了拉伸试验和静水压试验。结果表明,设计的非API规格偏梯形螺纹套管性能满足相关标准要求,其抗拉伸及抗内压性能达到管体100％,抗压缩性能达到管体40%。     

膨胀管关键技术研究及首次应用

膨胀管技术作为一种新兴技术越来越受到石油工程界的重视,采用该技术可以改善现有井身结构以及增大完井井眼直径,利于后续的钻井及采油工程作业。运用有限元模拟方法对膨胀管技术的重点和难点即膨胀锥和连接螺纹进行了研究,设计了膨胀锥模型和膨胀套管连接螺纹,确定了膨胀锥的几何形状、尺寸、锥角以及连接螺纹的形式、形状、密封面、扭矩台肩。通过2口井的膨胀管技术现场试验,成功地验证了膨胀管技术在现场应用的可靠性,为今后在石油钻井及完井过程中优化井身结构、减少井下复杂情况、增大完井井径及套管修复,提供了一套最新的解决方案。     

非API规格偏梯形螺纹接头套管连接强度计算

通过对塔里木油田250.83 mm套管使用情况调研,发现目前使用的250.83 mm套管采用API 244.48 mm偏梯形螺纹接头,其连接强度远低于管体。设计了与250.83 mm套管管体匹配的250.83 mm非API规格偏梯形螺纹套管接头。通过力学计算和有限元分析,证实250.83 mm管体配250.83 mm非API规格偏梯形螺纹接头套管比现有250.83 mm管体配API 244.48 mm标准偏梯形螺纹接头的套管连接强度大幅度提高。通过对API标准套管接头连接强度公式进行分析,得出了既可满足API套管连接强度计算,又可满足非API标准套管接头连接强度计算的公式。     

我国油套管特殊螺纹接头的发展现状

近年来我国各钢管加工企业非常重视特殊螺纹接头油套管的开发,通过引进国外专利或者自主开发,设计出了一些特殊螺纹接头,但与国外产品相比,国内特殊螺纹接头的性能和品种规格还存在不小差距。介绍了特殊螺纹接头的结构特点,分析了我国特殊螺纹接头的研究开发现状,指出了存在的一些问题,可为我国开发特殊螺纹接头油套管提供参考。     

正确选用套管提高深井和超深井套管的安全可靠性

API标准规定的套管钢级、螺纹连接强度已不能满足深井、起深井的要求,由世界各大厂家生产的非API标准蠢管解决了这一难题。文中论述了套管柱失效情况和提高深井、起深井套管柱安全可靠性的途径,提出了选择合适的钢级和高技济的套管;选用有特殊螺纹接头的套管,对特殊螺纹密封结构进行了分析。并对深井、超深井、高压井、定向并、水平开、热采井、有腐蚀性介质的井,如何选用套管和特殊螺纹接头进行了论述。     

转盘钻井条件下套管钻井管柱连接技术

大庆油田为了实现对外围未动用储量的经济有效开采,开展了转盘钻井条件下的套管钻井技术研究。研究开发了固定式和铰接式套管夹持器、方套转换接头、偏梯扣加止扭台肩套管,以及特殊扣型加止扭台肩套管,详细介绍了其结构及工作机理,并对偏梯扣加止扭台肩套管的受力进行了计算分析,结果证明套管丝扣强度完全满足安全钻井的要求。室内检测和7口井的现场试验结果表明,转盘钻井条件下套管钻井管柱连接技术能满足现场使用要求。     

摩擦因数对膨胀套管影响的有限元模拟研究

应用ABAQUS大型通用有限元软件和数值模拟分析方法,建立了膨胀套管膨胀过程的三维弹塑性非线性接触问题的有限元力学分析模型,直观地对膨胀套管的膨胀过程进行了模拟。分析得到摩擦因数与膨胀套管的总轴向位移、所需膨胀力和膨胀套管膨胀后壁厚减薄量的关系曲线以及定量关系的拟合计算式。分析还认为摩擦因数对膨胀后套管的最大等效残余应力和膨胀过程中的接触应力影响很小。     

复杂结构井磨损套管连接螺纹的三维力学行为

随着水平井、定向井、大位移井及大斜度井钻井技术在石油钻井工程中的广泛应用,由钻柱与套管间侧向接触力引起的套管连接螺纹磨损问题日益突出,导致了修井周期缩短,开采成本增加,成为制约钻采工程效益的主要因素之一。近年来,不少学者对套管磨损问题进行了大量研究,但均集中于套管非连接部分,而复杂结构井中磨损套管连接螺纹的三维力学行为研究鲜见报道。针对上述问题,基于虚功原理、Von Mises屈服准则以及接触非线性理论,建立了磨损套管连接螺纹的三维数值仿真模型,研究了复杂结构井中套管的上扣特性以及固井条件下磨损深度、磨损开度与井眼曲率对套管连接螺纹的影响。研究结果表明:磨损与井眼曲率对套管连接螺纹的应力状态影响极大,常见的某些工况会导致套管螺纹的连接性能和密封性能降低,考虑到服役后开采时的压力波动,常规的水平井、定向井、大位移井及大斜度井弯曲段套管连接螺纹的设计和选型应着重考虑磨损和井眼曲率的影响;针对设计曲率井眼中的每种待选螺纹类型,都应考虑可预见的磨损进行精细化数值计算,以确保其安全工作。     

新型快速上扣套管螺纹的设计与应用

基于海上钻井作业特殊工况的要求,设计了新型快速上扣套管螺纹,新型螺纹锥度为1∶12,螺距为6.35 mm,导向面为30°,承载面为0°,并且采用台肩结构进行位置约束,采用内平设计避免紊流。有限元力学分析结果表明,新型螺纹的等效应力分布均匀,连接强度高于管体本身;室内全尺寸实物试验结果表明,新型螺纹具有良好的上卸扣特性,无粘扣现象,具有较高的连接强度,密封性能好。新型快速上扣套管螺纹在渤海某油田的现场应用效果良好,下套管过程快速、平顺,没有发生错扣现象,上扣速度比同规格API偏梯形螺纹提高20%以上,大大提高了下套管作业效率。     

SEW J55 钢级LC套管螺纹连接质量影响因素探讨

为了进一步分析SEW J55 LC套管螺纹连接质量的影响因素以及套管发生异常脱扣失效的原因,以Φ139.7 mm×7.72 mm SEW J55 LC套管为例,从套管使用工况、螺纹加工参数、拧接扭矩控制等方面进行了试验研究。结果显示,SEW套管在弯曲状态拉脱试验、螺纹参数极限匹配下拉脱试验的拉脱载荷均高于API TR 5C3标准要求。研究表明,按照内控标准生产加工的SEW套管满足标准要求,弯曲工况、螺纹加工工艺、存放时间和J值均不是套管异常脱扣失效的原因。为提升SEW J55 LC套管螺纹连接质量,预防套管在油田使用中出现异常反拧退扣,建议将拧接扭矩在推荐标准基础上增大10％执行。