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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

锥度设计对套管特殊螺纹接头密封性能影响

为进一步研究锥度设计对套管特殊螺纹接头密封性能的影响,利用ABAQUS有限元分析软件对不同锥度设计的套管特殊螺纹接头进行了上扣、拉伸、压缩条件下密封接触压力及接触长度的数值模拟。结果表明:内螺纹收尾处平切处理可有效提高密封面的接触压力和接触长度,扩大螺纹锥度的取值范围,但会减少全顶螺纹数量,平切深度越大,全顶螺纹数量越少,设计平切深度值时应全面考虑,避免影响接头连接强度;设计退刀槽可增加密封面接触压力和长度,但需注意其结构设计,避免造成配合螺纹的划伤或粘扣。     

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。     

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。     

弯曲载荷下特殊螺纹油管接头应力有限元分析

利用Abaqus有限元软件建立了某特殊螺纹油管接头的三维有限元模型,分析了不同弯曲载荷下特殊螺纹油管接头的应力分布情况。结果表明:弯曲载荷对该型特殊螺纹接头的连接强度与密封性有一定的影响,而对连接强度的影响较大,随着弯曲载荷的增大各圈螺纹粘扣可能性就越大;弯曲载荷下密封面处接触应力相对于上扣作用下整体略有下降,受拉伸端台肩处由于存在间隙导致接触应力为零,但密封面处环向路径仍然保持了较高的接触应力。     

?244.5mm套管长圆螺纹接头有限元分析

基于虚功原理和变分原理,建立了套管螺纹与接箍螺纹弹塑性接触的有限元分析方法,在该方法的基础上建立了?244.5mm(95/8in)套管长圆螺纹接头的有限元力学分析模型,研究了预紧力、轴力、内外压力、弯矩和扭矩等载荷的施加方式,并模拟分析了长圆螺纹接头在3种典型工况(模拟上扣、模拟下套管、模拟旋转套管)下螺纹牙齿的接触压力、位移场和应力场分布规律。研究结果表明:3种典型工况下螺纹牙齿的接触压力、位移场和应力场分布规律基本一致,长圆螺纹接头前4颗牙齿的Von Mises应力和接触压力都最大,在其余牙齿上的Von Mises应力和接触压力分布比较均匀,出现了明显的应力集中区域,将导致螺纹连接在应力集中部位容易失效。     

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。     

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。     

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。     

φ244.5 mm套管偏梯形螺纹接头有限元分析

根据φ244.5mm（95/8英寸）套管偏梯形螺纹接头的实际工作情况,建立了预紧力、轴力、内外压力、弯矩和扭矩等载荷工况的力学模型,并依据力学模型建立了该接头的有限元网格模型.采用弹塑性接触问题的有限元分析方法分析了上扣、下套管、旋转套管3种典型工况下该接头的接触压力分布、应力分布和应变分布,可以揭示螺纹接头接触区和牙齿的弹塑性行为,对工程应用有重要的指导作用.研究表明：偏梯形螺纹接头的前3个牙齿和最后3个牙齿的应力和接触压力都很大,螺纹连接在这些部位后很容易发生粘扣.     

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。     

页岩气井用生产套管螺纹连接选用分析及评价

针对页岩气开发具有的水力压裂压力高、生产采气压力低且产量迅速递减等特点,开展了生产套管螺纹连接优选研究以降低管柱成本。通过对井下生产套管工况分析,制定螺纹连接适用性评价程序,采用模拟旋转下套管抗扭矩粘扣试验、压裂密封完整性评价试验及生产采气密封完整性评价试验,对拟采用的台肩对顶密封经济型螺纹进行试验验证评价;采用有限元分析螺纹在不同载荷工况下的密封性,提出螺纹使用上扣扭矩控制措施;采用经济型密封螺纹进行了页岩气井的现场应用。研究和应用表明,建立的页岩气生产套管螺纹连接优选试验评价程序和方法合理,台肩对顶密封经济型螺纹可满足页岩气生产套管开发需求,并可有效降低管柱成本。