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     

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。     

特殊螺纹接头主要参数对密封性能的影响分析

对于金属-金属密封结构的特殊螺纹接头,保证接头的密封可靠性非常重要。应用有限元方法分析了连接螺纹的锥度配合、中径及密封直径的过盈量对特殊接头密封性能的影响,结果表明,三者对接头密封面接触压力影响很大,其中内、外螺纹的锥度配合对密封面接触压力的数值影响最大,密封面直径过盈量影响次之;在内螺纹锥度较大时,螺纹中径过盈量对密封面接触压力的数值影响较大;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。研究结果有助于优化特殊螺纹接头结构设计和加工控制,为现场检测判断接头的适用性提供技术依据。     

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。     

非API标准BigOmega特殊螺纹接头连接性能数值分析

以德国非API标准的BigOmega特殊螺纹接头作为研究对象,应用有限元软件ANSYS建立计算力学模型,模拟套管柱接头行为,通过改变螺纹参数（高度、锥度等）,计算得出各扣牙相应的最大法向接触应力与最大接头Mises应力。分析螺纹参数变化对扣牙所受应力的影响规律,从而得到BigOmega接头螺纹参数的改变对套管接头连接性能的影响规律,进而为套管柱接头特殊螺纹扣型的选择提供依据,为套管柱设计提供更为有效的参考。     

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。     

拉压交变载荷下螺纹接头密封面接触压力分析

为了筛选出适用于拉压交变载荷工况下的注采管柱气密封螺纹接头,基于弹塑性接触非线性理论,采用有限元分析方法,考察了轴向拉压交变载荷作用下,储气库注采管柱接头密封面接触压力的分布特点。以2种密封形式(球面/柱面、锥面/锥面)的套管接头密封结构为例,重点研究了不同循环周次交变载荷作用下,主密封面和台肩面上的接触压力随接触长度的变化规律。分析结果表明:随着从拉伸到压缩状态的不断转变,2种密封结构主密封面最大接触压力和有效接触长度均发生不同程度增加,而锥面/锥面密封结构具有较小的相对增加量。锥面/锥面密封形式的有效接触长度相对较长,台肩面辅助密封效果较好,但应合理控制其台肩顶端的应力集中问题。建议储气库注采管柱采用锥面/锥面密封结构的螺纹接头。所得结论可为储气库管柱螺纹的优化选择和设计提供参考。     

我国油套管特殊螺纹接头研究现状分析

介绍了油套管特殊螺纹接头的特点、发展历程以及目前我国油套管特殊螺纹接头的发展情况.分析了油套管特殊螺纹接头密封结构的确定、金属过盈量的控制、螺纹受力分布的优化、螺纹抗粘扣能力的提升以及配套刀量具的设计等关键技术和目前我国油套管特殊螺纹接头研发方面存在的问题.最后,对国内油套管特殊螺纹接头的发展提出了一些建议.     

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。     

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。     

拉弯复合载荷作用下的API短圆套管螺纹力学行为

套管下入水平井弯曲段时,套管螺纹是否已发生屈服对于随后的钻进和油气井生产有至关重要的影响,而目前国内外对于井眼曲率（弯矩）对套管螺纹连接强度和密封性能影响的研究极少。笔者基于虚功原理、接触非线性理论及vonMises屈服准则,建立了API短圆套管螺纹连接的三维计算模型,研究了拉弯复合载荷下连接螺纹的应力分布规律,指出井眼曲率（弯矩）对套管的连接强度和密封性能影响极大,并通过大量计算绘制了给定井眼曲率时的最大许用套管悬重图,综合考虑连接强度和密封能力推荐了API短圆套管螺纹标准所列锥度、螺距、螺纹长度、牙高参数系列中的最优值。     

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。     

海洋生产立管接头特殊螺纹有限元分析

为了适应海洋水下生产立管的苛刻工况,设计了一种顶端张紧式生产立管螺纹接头,并采用有限元接触分析模型对该接头进行了相关的力学分析。通过Abaqus有限元软件计算对比了接箍螺纹与管体强度,模拟立管的上扣过程,计算最佳上扣扭矩,研究了该模型在上扣扭矩、上扣和内压、上扣和拉伸、上扣和拉伸及内压四种载荷下的密封性能。有限元分析结果表明,密封面接触压力随内压的增加而增加,单轴拉伸载荷使得密封面的接触压力有所减小,拉伸载荷和内压共同作用时密封面上的接触压力呈增加趋势,但是增加的幅度要比仅受内压作用时小。该海洋生产立管特殊螺纹的强度优于管体,密封性能可靠,满足设计要求。     

略论套管螺纹密封性能与螺纹公差带的关系

ＡＰＩ套管圆螺纹自身存在牙间间隙，并形成螺旋状空间间隙带。这种间隙带受到牙高公差带、牙型角公差带和锥度公差带的影响。理论上ＡＮＩ圆螺纹不具备密封性能，因此必须在内螺纹镀一定厚度的锡或锌层，并使用性能优异的密封脂作间隙充填剂来实现密封。为进一步提高抗泄漏能力，建议将ＡＰＩ圆螺纹牙型角公差减小一半。对于高压气井，建议油田用户将不涂密封脂条件下的接箍试泵压力定为最低屈服强度下抗内压力的８０％，作为商检的附加条款列入供货合同中。     

深井超深井套管选择中的若干问题

提出了选择深井、超深井套管应注意的若干问题.根据套管的受力、使用环境等条件合理的选用非API套管;避免使用高强度套管;APIBTC螺纹厚壁套管接箍的强度低于管体的强度,使用厚壁套管解决抗挤强度时,必须考虑接箍的强度;腐蚀环境下套管的选择;根据不同井况选择不同螺纹形式,特殊螺纹与API螺纹不能互换使用;非API的新型套管下井前,可通过全尺寸模拟试验对其结构和密封完整性进行评价.     

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。     

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%。