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。     

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...     

磨损对套管接头拉伸与内压强度的影响

采用弹塑性有限元方法 ,建立了套管接头磨损拉伸与抗内压的有限元力学模型。对套管接头处内壁不同磨损量时的抗内压强度和抗拉强度进行了计算分析 ,得出了磨损量与套管接头抗内压系数的定量数据和磨损量与套管接头抗拉系数的定量数据。同时 ,在不同磨损量下 ,分析了套管接头内VonMises应力和套管接头内的变形 ,所得出的抗内压强度系数kp和抗拉强度系数kt为磨损套管柱的强度设计和校核提供了定量的理论数据。     

柔性套管铰链接头力学分析

在合适的单元长度和铰链转角下,柔性套管可以较好地适应弯曲的井眼。在套管的提升过程中,由于提升力的作用,铰链接头的失效形式一般表现为铰链拉脱或强度不足。根据柔性套管铰链接头的结构和受力特点,对其受力进行了简化,建立了力学分析模型———受边缘力系作用的长圆筒,并给出了其变形的基本方程,得到了铰链边缘的径向位移和转角的计算公式,形成了完整的柔性套管铰链接头的力学分析模型。当铰链承受196kN的拉力时,铰链外筒的径向位移为051mm,对应的边缘转角为25°,铰链不会拉脱,强度校核满足要求。     

深水工况下套管柱载荷分析

深水钻井施工风险高,成本高昂,需要研究科学的套管设计方法,以避免或减少因设计不合理而造成的井下事故与复杂情况。目前套管柱强度设计方法缺乏对深水钻井工艺条件的考虑,因此有必要进行深水套管柱载荷分布的研究,以弥补现有设计方法的不足。考虑深水作业过程中隔水管解脱、钻井液漏失、套管试压和固井等复杂工况,针对不同的工况,给出了套管内压、外挤及轴向等套管载荷的计算方法,并对国内一口深水井进行了实例分析。分析结果表明,原有的套管柱强度设计方法不能满足深水套管柱设计的要求,考虑深水特殊作业工况是正确选择套管柱的前提。该套管载荷的分析计算方法可用于陆地及浅海钻井套管柱设计。     

套管接头泄漏和滑脱机理探讨

在深井、超深井、大位移井和水平井中,套管接头泄漏和滑脱特性是国内外油气井管柱力学研究的永恒主题。通过调研国内外大量文献资料,探讨了套管螺纹泄漏机理、螺纹滑脱机理研究的思路和研究方向——除实物试验外,有限元法是可行的简便方法之一。运用有限元法,对套管偏梯形螺纹接头和圆形螺纹接头进行了研究,得出了偏梯形螺纹接头在牙侧角为3°、5°和10°时,滑脱载荷随加载过程的变化曲线;圆形螺纹接头在锥度为1/14、1/16和1/17时,滑脱载荷随加载过程的变化曲线。其研究结果,在深井、超深井和复杂井套管柱设计中,为套管接头螺纹的选择提供了理论数据。     

套管减磨接头的研制与应用

在分析技术套管磨损原因的基础上，介绍了国内外套管防磨技术的现状，详细介绍了胜利油田研制的套管减磨接头的结构、工作原理及主要性能参数。在胜利油田的现场使用情况表明，该接头安全可靠，操作方便，使用效果好，减少了后期修套、补套或修井的可能性，延长了油井的使用寿命，经济效盆明显，具有广阔的应用前景。     

API偏梯形套管螺纹接头极限抗拉能力分析

采用解析方法研究了偏梯形套管螺纹接头的极限承载能力.根据变形协调原理,假设在变形过程中内、外螺纹在接触点处始终保持接触,将螺纹齿简化为梁模型,运用弹塑性力学、接触力学的理论,计算出API偏梯形套管螺纹接头在机紧装配、拉伸载荷工况下的弹、塑性极限承载能力及应力状态.分析总结了上扣扭矩和拉力对偏梯形螺纹连接强度的影响.     

非均匀载荷下套管偏心对套管强度影响研究

通过对复杂地质条件下套管变形趋势分析,发现在相同地层条件下、相同井段处非均匀载荷作用下的等效外挤压力相差很大,致使套管变形程度不一。为了搞清楚出现这种现象的原因,运用相关数值模拟方法对地应力的非均匀程度以及套管偏心度对套管外载的影响规律进行了进一步的研究,结果表明,在90°和270°相对偏心方位套管的最大应力随着偏心距增加而逐渐增加;偏心距越大,套管内壁应力增加幅度越大。这与在非均匀载荷作用下套管内壁最大应力出现方位相同,即套管在非均匀载荷作用下向最小水平主应力方向偏移时,会加剧套管内应力的增加幅度;反之则会减小套管内应力的增加幅度。     

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。     

套管钻井中套管屈曲变形的有限元分析

针对套管钻井过程中套管易发生屈曲变形问题,进行了有限元分析。结果认为当钻压为117.68kN,井斜角逐渐增大时,井斜平面内的套管屈曲变形逐渐趋于正弦曲线,并且由于重力的侧向分力增大,套管与井壁接触的压力和区域增加,加剧了套管磨损。当井斜角为3°,钻压较小时套管基本上平躺在下井壁,钻压增大时套管与井壁的环空间隙小,限制了套管的屈曲变形,但接触力的增大也使套管磨损加剧。解决套管磨损的方法有2种一是在管柱底部连接厚壁套管;二是在套管柱上安装刚性扶正器。     

非均匀载荷作用下套管挤压失效数值分析

在已有的理论研究与试验工作的基础上,采用有限元数值方法,分析计算了受非均匀地应力作用下套管－水泥环结构的受力与变形,讨论了两个敏感参数─—非均匀载荷比和套管椭圆度对套管失效的影响问题。计算分析发现,随地应力非均匀程度的增加,套管形变经历了由两向挤压－挤压到两向拉伸－挤压组合方式的转变,而套管应力的变化相对较小。由此可得出初步结论：与非均匀地应力作用相对应的套管结构的拉伸－挤压形变,有可能是导致套管失效的主要机制;套管椭圆度的存在使得套管的强度和刚度被进一步的削弱。     

几种特殊套管螺纹接头

文章对3种特殊套管螺纹接头进行分析，阐述了其螺纹形式、密封形式、扭矩台肩等结构特点，并给出了使用特殊螺纹套管应注意的事项。     

热采井中偏梯形套管螺纹有限元分析

采用有限元方法分析了热采井中的偏梯形套管螺纹接头在不同载荷工况下的力学特性。结果认为,套管在承受轴向拉伸载荷的工况下,最大等效应力的发生区域集中在套管螺纹和接箍螺纹的两端;在套管温度升至300℃的工况下,螺纹接头已发生塑性屈服,并且塑性区域有从接头两端向接头中部发展的趋势;套管温度降至地层原始温度30℃的工况下,塑性屈服区域减小,仅局限在接头两端。在轴向拉伸载荷的工况下,最大接触压力发生在套管螺纹的第1圈,并且每圈上的接触压力分布并不是均匀的;高温载荷下,螺纹间的接触压力值和接触位置发生了改变;恢复至初始温度时,套管螺纹接触面上的接触压力增大。     

套管内壁磨损对其抗挤毁性能影响的有限元分析

运用有限元法,建立起计算模型,对内壁管损套管的抗挤毁强度进行了定量计算,并与 全尺寸实物试验结果进行了对比。指出套管的抗挤毁强度与内壁磨损程度基本成线性关系。同时指出,在计算套管的抗挤毁强度时,用均匀磨损模型代替非均匀磨损模型,计算结果有较大误差。     

金属套管对井中电磁场特性影响的有限元分析

在套管井中测量地层电阻率等信息必然会受到套管参数变化的影响。利用有限元数值方法对建立的非均质套管井低频电场模型进行了数值 分析,主要研究了套管的电阻率、磁导率、厚度及套管半径等对井中电磁场特性的影响。研究结果表明,接收电动势随套管电阻率的增大而逐渐 增大,当电阻率增大到一定程度时,接收电动势曲线趋于水平;随着套管相对磁导率增大接收电动势逐渐减小;随着套管厚度的增大接收电动势逐 渐减小,且近似呈线性变化;接收电动势幅度随着套管半径的增大先逐渐减小,后又逐渐增大,接收电动势相位随着套管半径的增大而逐渐增大,在 半对数坐标系下,近似呈线性变化。     

水泥环套管射孔力学的有限元法分析计算

油井开发层段射孔对套管力学性能影响较大,油井开采中后期射孔套管损坏严重。建立水泥环—套管射孔模型并应用Ansys有限元软件计算分析射孔套管应力变化和套管性能,分析得出,射孔是造成套管损坏的主要原因。射孔水泥环套管最大应力在射孔孔眼产生,沿孔径方向应力减小。水泥环对射孔套管的抗挤强度影响明显,可以有效减小套管产生的应力。均匀载荷下射孔套管的应力随外压的增加而增加,不同类型的套管应力变化较大。射孔套管的应力随着孔径的增加而明显增加。非均匀载荷对射孔套管影响较均匀载荷明显,套管的抗挤强度较均匀外压时明显减小。在非均匀外压较大时,应采用P110套管,以提高射孔套管的抗挤强度。     

非均匀载荷下套管强度的计算

将非均匀地应力场中套管载荷和套管内应力分布的理论公式推广到包含内压的情况,并采用Tresca屈服准则和Mises屈服准则,分别推导了在忽略套管轴向载荷和考虑套管轴向载荷两种情况下套管强度破坏时挤毁压力的计算公式。引入等效外挤压力概念,使该公式与标准API公式在形式上完全一致。计算结果表明,在非均匀载荷情况下,套管强度破坏的危险性会增加。     

壁厚不均缺陷对膨胀套管性能的影响

采用有限元法分析了壁厚不均缺陷对膨胀套管性能的影响。分析研究结果表明(1)壁厚不均的膨胀套管膨胀后壁厚不均度增大;(2)壁厚不均的膨胀套管膨胀后各部位壁厚均减小,最薄侧壁厚减薄量随壁厚不均度的增加呈上升趋势,而最厚侧壁厚减薄量随壁厚不均度的增加呈下降趋势;(3)壁厚不均度对膨胀套管自由端面轴向总位移影响很小;(4)膨胀套管壁厚不均度小于0.2时,所需最大膨胀力变化不大;壁厚不均度大于0.20时,所需最大膨胀力迅速降低;(5)壁厚不均度对膨胀套管膨胀后的残余应力影响很小。