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。     

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。     

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。     

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...     

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。     

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.     

一种非API规格套管高性能特殊螺纹接头的设计开发

针对高温高压超深井的复杂井况需求,研制开发了一种非API规格套管高性能特殊螺纹接头,规格为Φ200.03 mm×10.92 mm,钢级为110ksi。介绍了特殊螺纹接头的结构特点,采用有限元方法计算分析了接头的应力分布、密封强度和密封接触压力,并依据API RP 5C5:2017 CAL IV对接头进行了全尺寸实物评价试验验证和复合力气密封试验。理论分析和试验结果表明,该接头的抗粘扣性能、密封完整性、接头结构合理性均达到了产品设计要求,能够满足高温高压深井对螺纹接头结构和密封性能的要求。     

API圆螺纹接头连接强度的影响因素研究

API圆螺纹接头经常发生滑脱失效事故,严重影响了这种接头油套管的应用。为此,利用有限元法研究了API圆螺纹接头发生滑脱失效的过程与机理,同时分析了螺纹参数和上扣扭矩对接头连接强度的影响。通过对17个圆螺纹套管接头试样进行全尺寸试验,对有限元模拟结果进行了验证。试验和计算结果表明,圆螺纹油套管滑脱失效最先发生在啮合大端的第1、第2牙螺纹上,螺纹参数尤其是不匹配的锥度对接头滑脱失效影响很大,同时上扣扭矩也有显著影响。建议将上扣扭矩在API扭矩的基础上再提高(15~20)%,这样有利于接头连接强度的提高。     

石油套管螺纹连接的密封结构

列举各种石油套管的密封结构,重点是特殊螺纹石油套管的密封结构,分析API圆螺纹的密封缺陷,讨论各种特殊螺纹套管良好的密封结构,为进一步提高固井质量,提高套管的抗泄漏能力,建议推广使用特殊螺纹石油套管,并使用专业化下套管工具——动力套管钳和扭矩仪下套管作业,从而提高油井寿命。     

新疆某油田热采井套管接头密封脂评价试验研究

新疆某油田红003井区热采井工况为:井深500 m,注采井口压力13 MPa,注采井口温度不超过340℃,使用年限6年。针对其对套管接头耐高温密封螺纹脂的要求,对采用普通API螺纹脂和两种不同耐高温螺纹脂的套管接头进行了模拟热采井工况的系统实物对比评价试验,为红003井区热采井偏梯形螺纹套管接头优选适合的密封螺纹脂。结果表明:普通API螺纹脂(CS-3)、TP-2189螺纹脂和TRT-300耐高温螺纹脂经过试验后均结块破碎或呈粉末状,无法有效地堵塞泄漏通道,故无法达到套管密封要求。     

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.     

基于API圆螺纹的气密封螺纹开发及评价

如果能在相对成本最低的API圆螺纹的基础上开发出一种低成本气密封螺纹替代目前的特殊螺纹接头,将带来巨大的经济效益。为此,按API Spec 5B标准,基于圆螺纹设计并加工了一种气密封螺纹结构,接箍中间增加了弹性密封圈,依靠弹性密封圈与套管螺纹的过盈配合实现密封。采用MSC.Marc/Mentat有限元分析软件对其进行了极限承载能力评价,然后按照ISO 13679标准对?73.02×5.51 mm J55钢级气密封螺纹实物进行了ISO 13679 B系试验、C系试验及弯曲条件下气体内压加拉伸试验。结果表明:(1)该气密封螺纹结构气密封性能良好,封堵管端最终内压循环与热循环试验的结果符合ISO 13679标准的要求;(2)该气密封螺纹结构抗内压强度、抗拉伸强度和抗外压挤毁强度均大幅高于GB/T 20657标准的要求。结论认为,该气密封螺纹结构可以在鄂尔多斯盆地低压气井开发中使用,具有大幅度节约套管成本的潜力,也可供新型气密封螺纹结构的设计借鉴。     

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。     

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。     

新型气密封特殊螺纹接头抗旋转弯曲疲劳试验研究

套管接头在水平井下入过程中承受大量旋转-弯曲疲劳循环载荷,这种循环载荷会导致套管接头螺纹根部产生高应力,导致疲劳损伤和潜在的结构失效,从而对后续油井作业中的管柱接头密封和结构能力产生影响,因此需开展套管特殊螺纹抗旋转弯曲疲劳试验研究。基于API 5C5:2017及API TR 5SF标准,通过对某型特殊螺纹套管进行共振弯曲疲劳试验,评价该特殊螺纹接头在疲劳振动载荷下的密封性。结果显示,试验中加载频率越接近试样固有频率,振动越激烈,弯曲应力幅值越大;1#试样在内压60 MPa、弯曲度＞20°/30 m的加载条件下,累计加载循环次数54 192次后,试样完好,螺纹接头及管体未出现渗漏及破坏;2#试样在内压0.5 MPa、弯曲度＞20°/30 m的加载条件下,累计加载循环次数107 535次后,试样完好,螺纹接头及管体未出现渗漏及破坏。研究表明,该规格特殊螺纹接头在疲劳振动载荷下仍具有良好的密封性。该试验为共振弯曲疲劳试验方法和相应试验设备在特殊螺纹套管疲劳振动试验领域的深入应用提供了参考。     

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。     

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。     

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。     

膨胀套管螺纹联接设计研究

鉴于API标准套管螺纹及目前广泛使用的特殊螺纹无法满足膨胀套管的技术要求等问题,设计出内外壁都与管体平齐的直联型膨胀套管螺纹联接。对设计进行了计算机有限元模拟分析,采用大型非线性有限元分析软件MSC.Marc,将膨胀套管螺纹联接按轴对称问题处理,选用轴对称节点四边形实体单元。模拟分析表明,设计的螺纹在上扣过程中,其等效VME应力分布呈现啮合螺纹端部较高、中间部分较低的趋势,最大值约为271 MPa,符合膨胀套管螺纹的基本要求,膨胀后的结构及密封性能满足现场要求。