特殊螺纹接头密封面微滑接触行为研究

特殊螺纹接头在井下服役期间受到交变载荷作用,导致接头密封面处发生微滑,影响接头的密封性能。为研究特殊螺纹接头密封面处的微滑接触行为,基于弹性杆振动微分方程,建立了特殊螺纹接头微滑模型,分析了接头密封面的黏着-滑移临界区域及载荷-位移的迟滞特性;利用数值仿真软件建立了接头摩擦接触有限元模型,考察不同内压载荷、位移幅值和摩擦因数的影响下,接头密封面接触压力、相对滑移距离和剪切摩擦力的变化规律,得到了接头密封面处黏着-滑移状态的临界转化范围。研究结果表明:接头的摩擦接触有限元模型可模拟井下实际工况下接头密封面的微滑接触行为;随着内压载荷的增加,相对滑移距离减小、剪切摩擦力和黏着长度增加;随着位移幅值的增加,相对滑移距离增加,黏着长度减小;在内压载荷60~70 MPa之间,位移幅值0.02~0.025 mm之间,分别在密封面处发生黏着-滑移状态的临界转化;随着摩擦因数的增加,密封面相对滑移距离减小,剪切摩擦力和黏着长度增加。研究结果可为动载作用下特殊螺纹接头密封性研究提供参考。

球面-锥面特殊螺纹接头密封面能量耗散及密封性分析

为从能量耗散角度研究不同井下工况对球面-锥面特殊螺纹接头密封面处密封性的影响,借助ABAQUS有限元软件建立了球面-锥面特殊螺纹接头密封面的模型-球面-平面接触模型,得出了不同切向位移载荷、不同压力和不同摩擦因数下的载荷-位移迟滞曲线的变化规律;利用密封接触强度理论评价特殊螺纹接头的密封性能。结果表明:摩擦因数越大,可承受的宏观滑移载荷越大;随着载荷的增大,密封面呈现刚度软化现象。部分滑移状态和完全滑移状态下,接触区域的能量耗散值都随着切向位移载荷、压力和摩擦因数的增大而增大,说明密封性能有所降低。由密封强度理论得当压力处于15~40 MPa时,密封面均满足密封要求;随着压力的增大,密封接触强度增大,密封性能也随之提高。研究结果可为井下复杂工况条件下提高球面-锥面特殊螺纹接头密封性能提供参考。

Ф172mm螺杆钻具旁通阀壳体外螺纹接头断裂原因分析

针对某公司生产的Ф172 mm螺杆钻具旁通阀壳体发生的外螺纹接头断裂,采用宏观分析、理化检验及微观断口分析,发现外螺纹接头断裂主要原因是由于电镀过程中氢渗入金属内部形成氢致延迟开裂裂纹,随后发生脆性解理断裂。

油套管特殊螺纹接头密封结构弹塑性数值仿真与试验研究

薄壁油套管特殊螺纹加工时的管端厚度和“黑皮扣”是影响螺纹连接强度和加工效率的因素之一。应用大型通用有限元软件ABAQUS,针对薄壁油套管特殊螺纹接头管端缩口和未缩口以及中径位置调整后的密封性能进行弹塑性分析,建立了不同复合载荷条件下,中径位置优化前后结构以及缩口工艺与密封面接触压力之间的对应关系。结果表明,上扣后,结构优化前后的接触压力相差不大,压缩时,优化后的结构密封面上最大接触压力降低,接触长度增加,整个密封面上各点压力趋于平缓;而在拉伸时,优化后结构密封面上接触压力升高,分布均匀,接触长度增加,拉伸性能相对更好。缩口后的最大接触压力与未缩口时相当,但是接触长度增加,降低泄漏风险。经过试验验证,优化后的结构经过缩口,提高了管体的加工成材率,并且保证了气密封性能和螺纹连接强度,与模拟结果一致。

上扣扭矩对特殊螺纹接头能量耗散的影响

针对高温高压井动态载荷导致特殊螺纹接头密封性能降低的问题,基于微动接触理论,分析了密封面临界滑移状态,研究了不同上扣扭矩下特殊螺纹接头能量耗散及能量比率。结果表明:随着上扣扭矩的增大,特殊螺纹接头应力及接触压力增大,密封面黏着区逐渐扩大;特殊螺纹接头在不发生强度破坏前提下,适当增加上扣扭矩,可减小动态载荷引起的密封面能量耗散,降低滑移引起的磨损,有利于提高接头的密封性能;三种上扣扭矩及50~90 MPa内压下,该类接头密封指数均大于对应内压下的临界密封指数,满足接头的密封要求。通过研究,明确了上扣扭矩与能量耗散及能量比率的关系,可为动态载荷下特殊螺纹接头密封性能研究提供参考。

特殊螺纹接头油套管螺纹顶径验收公差的确定方法

特殊螺纹接头油套管油田验收公差的确定一直是油田和生产厂家争议的焦点。为解决特殊螺纹接头螺纹参数验收公差无科学计算方法的问题,根据尺寸链理论及统计学公差分析方法建立了一种特殊螺纹接头油套管螺纹顶径验收公差的确定方法,并以某扣型Φ88.90 mm×7.34 mm C110特殊螺纹油管为例,通过螺纹生产各阶段接箍螺纹顶径的统计分析,计算出该油管接箍螺纹顶径验收公差为±0.06 mm。研究成果为特殊螺纹接头油套管验收公差的确定提供了技术支持,对油田提高特殊螺纹接头油套管入库验收和质量控制水平具有指导意义。

油管悬挂器螺纹接头上扣扭矩研究

借助理论分析和试验方法研究了油管悬挂器与油管连接的上扣扭矩。研究表明:油管悬挂器螺纹连接采用厂家推荐的油管上扣扭矩并不合适;油管悬挂器连接如果保证上扣位置,需要提高上扣扭矩;油管悬挂器外径对上扣扭矩有较大影响,建议采用油管最大上扣扭矩对油管悬挂器上扣。

特殊螺纹接头上扣螺纹过盈量设计

针对特定工况要求设计的低钢级、薄壁油管特殊螺纹上扣扭矩较低问题,首先采用蒙特卡洛方法对不同加工偏差组合的接头进行有限元模拟分析,得到上扣螺纹过盈量与台肩扭矩的线性关系,由此初步确定满足工况要求的上扣螺纹过盈量设计值。然后利用实物上卸扣方法进行了试验验证。结果表明,利用有限元方法可快速分析实际特殊螺纹接头在不同上扣螺纹过盈量下的台肩扭矩分布,最大台肩扭矩与实物上卸扣试验结果基本一致。

油管特殊螺纹接头密封及安全综合性能评价

为研究井下复杂工况对油管特殊螺纹接头的影响,利用Abaqus有限元软件建立螺纹接头有限元模型,在一定径向和轴向过盈量下模拟初始螺纹上扣状态,在不同轴向载荷、内压和温度下分析油管特殊螺纹整体结构完整性以及密封性能,并提出整体密封、局部密封性能指数以及综合安全性能评价方法。结果表明:在不同工况条件下特殊螺纹接头Mises应力和接触压力呈现凹型分布趋势,首尾以及最后一扣退刀槽位置是应力相对集中的薄弱部位;温差增大导致接头结构热胀冷缩变形应力水平有明显提高,内压以及轴向载荷增加使整体密封性能有所提高但台肩局部密封性能存在差异;接头使用螺纹脂提高了螺纹接头整体及局部的密封和安全性能;内压越大温度越高接头安全性越低;螺纹在拉伸载荷工况下整体安全性能有所提高,但局部台肩结合处出现分离致使安全性有所下降;在压缩工况条件下螺纹整体安全性有所上升,但受螺纹结构与抗压缩性能影响,超过一定载荷安全性能反而下降。

等直径膨胀套管螺纹接头安全分析

目前螺纹接头性能研究主要集中在常规油套管特殊螺纹接头力学性能分析方面,对膨胀套管螺纹接头在轴向拉伸和压缩载荷、内外压力以及弯矩载荷复合作用下的力学性能分析不足。为研究等直径膨胀套管下入过程中,在复合载荷作用下螺纹接头的力学行为,给螺纹接头的安全分析提供依据,采用三维有限元软件建立等直径膨胀套管特殊螺纹接头数值分析模型,分析了复合载荷对膨胀套管内、外螺纹牙上应力和变形位移分布规律的影响。分析结果表明:在轴向拉伸载荷作用下,随着载荷值逐渐增大,内、外螺纹牙应力值呈现先骤减而后处于逐渐减小的趋势,内螺纹根部出现变形量小、应力值较大的特征;载荷值相同时,承受轴向压缩载荷时螺纹牙上的应力要明显小于承受轴向拉伸载荷时螺纹牙上的应力,变形位移值仅为承受轴向拉伸载荷时螺纹牙上变形位移值的1/2;弯矩会增大螺纹牙上的变形位移,弯矩越大变形量越大,内螺纹根部越容易遭到破坏。研究结论可为等直径膨胀套管下入过程中螺纹接头安全分析提供理论依据。

一种无接箍直连型螺纹接头设计开发及应用

基于小井眼或固井间隙较小的油气井特殊环境,本文设计了一种管体外径较小,抗拉及抗压性能较好的无接箍直连型螺纹接头。首先,根据应用环境,确定了楔形螺纹接头的结构及齿顶过盈密封形式;其次,使用ANSYS有限元模拟分析在不同载荷包络线下螺纹接头的受力情况;最后,经过上卸扣试验、复合加载试验和失效试验评价了无接箍直连型螺纹接头性能。结果表明,通过使用ANSYS螺纹接头在不同受力下的情况进行有限元模拟分析,轴向载荷对螺纹接头最大接触压力影响较大,其中,拉伸载荷对螺纹接头齿形应力影响较大,最大接触压力越大,螺纹变形量也越大,螺纹变形量越大更容易造成螺纹密封泄漏内压对螺纹接头应力影响较大,温度和弯曲载荷对螺纹接头应力影响较小。经过试验验证,上卸扣测试接头无粘扣,密封测试无泄露,失效测试合格,螺纹接头满足使用要求。

油套管螺纹接头密封面粘扣试验与分析

为了研究油套管螺纹接头不同密封结构参数与密封面粘扣的关系,以Φ346.08 mm×15.88 mm P110套管特殊螺纹接头为例,设计了不同的密封面参数,并进行实物上、卸扣试验,通过试验分析提出可以用摩擦功这一量化指标来表征密封面抗粘扣性能。研究表明,当摩擦功小于387 kJ时,粘扣风险较低;密封结构不匹配会导致密封面接触发生“犁削效果”,即使摩擦功很小也会发生粘扣,属于非正常摩擦磨损。

TP-JC特殊螺纹接头的开发及应用

针对API EU外加厚螺纹接头存在的接头应力高、上扣控制困难、可修复性差等问题,研制出可保证气密性且成本低的TP-JC特殊螺纹接头油套管。对该产品的开发及应用情况进行了详细介绍,该产品通过了ISO 13679∶2002 CALⅡ(简化版)实物性能试验,抗螺纹黏结性能、密封完整性、结构完整性均达到了产品设计要求,并在油田完成了相应的下井及密封试验。

振动工况下特殊螺纹接头密封性能仿真研究

因管柱振动导致特殊螺纹接头密封失效的问题,传统的静力学理论无法有效解释。为此,基于能量耗散理论,考虑密封面微观接触滑移的影响,建立了锥面-锥面特殊螺纹接头有限元模型,通过振动模态分析及摩擦接触分析,研究不同模态振型与上扣扭矩下特殊螺纹接头的能量耗散与密封性能。研究结果表明:基于能量耗散理论,利用力-位移迟滞特性分析密封面的接触滑移状态及能量耗散,可从微观层面解释因管柱振动引发特殊螺纹接头密封性能减弱的问题;模态振型下,特殊螺纹接头密封面间的摩擦力与能量耗散均随上扣扭矩的增大而增大,且3阶模态振型的能量耗散值大于1阶模态;特殊螺纹接头密封面的位移为微米级,密封面的摩擦力-位移迟滞曲线呈“针叶”形,处于黏着与滑移共存的微观滑移状态;长期振动工况下,易造成密封面磨损,导致特殊螺纹接头密封性能减弱甚至密封失效。研究成果可为特殊螺纹接头上扣扭矩控制及动载作用下密封性能评估提供参考。

燕尾形超高抗扭特殊螺纹接头研究

对比了传统的API圆螺纹和偏梯形螺纹的优缺点,设计了一种新型的“倒梯形的楔子”式的燕尾形螺纹齿型以及一种经济型的超高抗扭特殊螺纹接头。详细介绍了该接头的设计、加工、检验过程,并采用有限元分析程序计算了接头上扣过程中螺纹的应力和应变。分析结果表明:该接头上扣到位后,螺纹所有侧面完全啮合,并且具有很高的接触应力,使接头在复杂的环境载荷下能始终保证螺纹间配合的稳定性。

基于ISO 13679A系载荷的特殊螺纹接头密封性能仿真研究

基于ISO 13679标准和密封性能机制,借助有限元软件对某特殊螺纹接头进行高温和室温环境下A系全包络线载荷试验评价,分析其在服役环境下的密封性能。依据密封性能机制分析不同载荷循环后的密封能与密封能倍数变化规律,并对关键载荷点进行密封性能的对比分析。研究表明:特殊螺纹接头对高温(180℃)和室温95%VME(等效应力水平)包络线载荷循环相对敏感,密封面的平均塑性应变是影响接头密封性能的重要因素,一次完整A系循环试验后,特殊螺纹接头密封面上的接触应力和接触长度均减小,接头整体仍能保持气密封性能。运用有限元分析方法可有效模拟ISO 13679 A系试验过程中的受载条件,且密封性能仿真结果与实物试验结果一致。该方法可提高特殊螺纹接头的开发效率,具有替代实物试验的可行性。

特殊螺纹接头密封性能数值仿真分析

运用有限元仿真方法,通过建立简化半尺寸模型研究了Φ88.90 mm×6.45 mm规格特殊螺纹接头密封结构在不同过盈量、材料和温度下密封性能的变化。数值分析结果表明:不同密封面公差过盈量下的接头接触压力积分值比较情况为L-L>N-N>H-H;不同材料的接触压力积分值比较情况为13Cr-110>110S>N80Q;不同温度下,室温下接触压力积分值略高于高温下接触压力积分值。

高速冲击下特殊螺纹接头动态响应特性研究

为了定量分析冲击载荷对油套管特殊螺纹接头密封性能的影响,采用ABAQUS有限元软件作为结构非线性动力学仿真分析工具,模拟了特殊螺纹在冲击载荷下结构内部发生复杂相互接触作用的力学行为。结果表明,受到冲击载荷后的密封面处接触压力产生一些波动,但总体趋势跟上扣后一致,而密封面处的节点位移普遍增大,说明冲击载荷对密封面处节点的位置有一定的影响;其等效应力比上扣后的等效应力大,台肩处的轴向应力处于主导作用,同时受到径向应力的作用,此处的轴向应力普遍比上扣后的轴向应力和径向应力高,应力的趋势基本一致。

水力压裂过程中的页岩气套管螺纹接头刺穿原因分析

川渝地区进行页岩气开发,水力压裂是采集页岩气最为有效的增产措施。页岩低渗透率等物理特性以及缝网压裂技术使页岩气套管承受苛刻的压裂条件。针对页岩气井在压裂过程中出现套管螺纹接头刺穿失效事故,现场取样后对套管接头刺穿失效的原因进行试验分析。结果表明,套管外螺纹接头密封面上的机械损伤是导致水力压裂过程中套管接头刺穿失效的主要原因。为了避免类似刺穿失效事故的发生,建议页岩气套管施工现场套管对扣前检查密封面,下油层套管时使用气密封检测技术,使用新型结构的气密封扣套管。

页岩气井用高性能气密封特殊螺纹接头开发

针对页岩气井中复杂的井况条件设计开发了一种高性能气密封特殊螺纹接头。分析了套管应用于页岩气井时可能存在的载荷,设计了具有针对性的工况模拟试验,试验的主要内容包含接头的抗过扭能力验证、模拟压裂过程的内压循环试验以及共振弯曲疲劳试验和密封试验。试验结果表明,设计的高性能气密封特殊螺纹接头具有高抗压缩、高抗过扭能力;在疲劳载荷作用后仍然可以保证优异的密封能力;接头的各项性能均满足深层页岩气开发对特殊螺纹接头使用性能的要求。