等直径膨胀套管螺纹接头安全分析.pdf

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;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。关键词:膨胀套管;螺纹接头;复合载荷;等效应力;变形位移;安全分析;有限元中图分类号:TE925 文献标识码:A DOI:10.16082/ki.issn.1001-4578.2023.09.019Safety Analysis of Thread Connection of Mono-Diameter Expandable CasingFeng Ding1,2 Wang Gaolei3 Song Heng4 Hou Xuewen1,2 Sun Qiaolei1,2 (1.School of Mechanical Engineering,Yangtze University;2.Hubei Engineering Research Center for Oil&Gas Drilling and Com-pletion Tools;3.SINOPEC oilfield Equipment Corporation;4.Research Institute of Engineering Technology,PetroChina Xinjiang Oil-field Company)Abstract:At present,the research on the performance of threaded joints mainly focuses on the analysis of the mechanical properties of the special threaded joints of conventional oil casing,and the analysis of the mechanical properties of the threaded joints of expandable casing under the combined action of axial tensile,compressive loads,internal and external pressure and bending moment loads is insufficient.In order to study the mechanical behavior of the threaded joint under the combined load during the running of the mono-diameter expandable casing,and provide the basis for the safety analysis of the threaded joint,this paper uses the three-dimensional finite element software to establish a numerical analysis model of the special threaded joint of the mono-diameter expandable casing.The effect of compound load on the stress and deformation and displacement distribution of the inner and outer threads of the ex-pansion casing was studied.The analysis results show that,under the action of the axial tensile load,as the load value increases gradually,the stress values of the internal and external threads show a trend of first sharp decrease 1412023 年 第 51 卷 第 9 期石 油 机 械CHINA PETROLEUM MACHINERY 湖北省技术创新专项(重大项目)“智能油气钻采井眼轨迹控制工具研究”(2019AAA010);湖北省中央引导地方科技发展专项(2017ZYYD006)。and then gradually decreasing,the deformation at the root of the internal thread is small,and the stress value is higher than that of the internal thread.When the load value is the same,the stress on the thread under axial com-pressive load is significantly smaller than the stress on the thread under axial tensile load,and the deformation dis-placement value is only the thread under axial tensile load.About half of the upper deformation displacement value;the bending moment load will increase the deformation displacement on the thread teeth.The research conclusions provide a theoretical basis for the safety analysis of threaded joints of the mono-diameter expandable casing.Keywords:expandable casing;threaded joint;composite load;equivalent stress;deformation displace-ment;safety analysis;finite element0 引 言在油气开采过程中,套管磨损、腐蚀、穿孔及地层塑性变形等因素会导致套管失效,造成油气井产量下降和产层污染。深井、超深井及热采井等高温井套管损坏、套管变形修井时,传统的厚壁套管补贴技术内通径小、补贴长度有限,难以满足高强度、耐高温及长效密封等性能要求,进而使油田对膨胀套管技术应用的需求逐渐增加。螺纹接头作为膨胀套管的关键技术之一,其连接性能的好坏直接影响油气井的后续作业能否顺利进行。目前,关于油套管特殊螺纹接头力学性能的研究较多,主要集中在螺纹接头连接性能和密封性能2 个方面。文献 1 以锥面对锥面和球面对柱面 2种密封结构作为比较对象,研究特殊螺纹接头在交变载荷下的接触压力,发现交变拉伸载荷作用下锥面对锥面的密封性能优于球面对柱面,交变压缩载荷作用下球面对柱面的密封性能优于锥面对锥面。文献 2 模拟了特殊螺纹接头在最佳、最小及最大上扣扭矩下的上扣过程,结果表明,特殊螺纹油管接头在最佳扭矩拧紧状态下具有最好的密封性能与足够高的连接强度。文献 3 分析了膨胀套管螺纹接头的成形过程,结果表明,螺纹根部和螺纹顶部为薄弱环节,膨胀成形后螺纹接头轴向和周向存在较大残余应力。文献 4-6 分析了温度对螺纹接头等效应力和接触压力的分布规律,以及其对螺纹连接性能的影响。文献 7 对特殊螺纹接头密封性能进行了研究,结果表明,弯曲载荷对接头等效应力和接触压力分布状态的影响较大。文献8 通过建立复合载荷条件下台肩角度与密封面接触压力间的对应关系,研究了不同台肩结构的油套管特殊螺纹接头密封性能,发现台肩角度的变化基本不影响台肩的辅助密封性能。上述文献大多研究的是常规油套管特殊螺纹接头,对膨胀套管螺纹接头力学性能的分析较少。鉴于此,笔者结合实际井眼轨迹,考虑多种复合载荷作用,对等直径膨胀套管螺纹接头下入过程中的力学性能进行研究,旨在为等直径膨胀套管下入过程中螺纹接头的安全分析提供依据。1 von Mises 屈服准则膨胀套管螺纹接头的分析问题本质上是金属与金属的弹塑性接触问题9-10,其塑性屈服采用 von Mises 屈服准则作为判断依据11。von Mises 屈服准则的假设是形状改变比能 s是材料屈服的主要原因,即无论在什么样的应力状态下,只要危险点处的形状改变比能 s达到了与材料性质有关的极限值 su,材料就会发生屈服。屈服条件为12:s=su(1)一般情况下形状改变比能的表达式为:s=1+6E(1-2)2+(2-3)2+(3-1)2(2)将单项拉伸时的主应力 1=s,2=0,3=0代入式(2),可得材料的极限值 su为:su=1+6E 22s(3)此时式(1)可以改写为:1+6E(1-2)2+(2-3)2+(3-1)2=1+6E 22s(4)即有:12(1-2)2+(2-3)2+(3-1)2=s(5)将式(5)右边的 s除以安全因数后得到材料的许用应力 ,则屈服强度条件应满足:12(1-2)2+(2-3)2+(3-1)2 (6)241 石 油 机 械2023 年 第 51 卷 第 9 期式中:s为危险点处的形状改变比能,MPa;su为危险点处的形状改变比能极限值,MPa;为泊松比;E 为弹性模量,MPa;1、2、3分别为 3个方向上的主应力,MPa;s为材料的屈服极限,MPa;为材料的许用应力,MPa。2 三维有限元模型建立2.1 模型简化和网格划分膨胀套管特殊螺纹接头为偏梯形螺纹,外螺纹和内螺纹的接触面是空间螺旋曲面13-15,其在复合载荷下的力学性能难以采用解析法进行精确求解,因此忽略螺纹升角的影响,将螺纹接头简化为空间轴对称模型16-18。本文以 110 mm 8 mm TWIP 钢膨胀套管特殊螺纹接头为例进行研究,采用 SolidWorks 软件建立螺纹接头三维实体模型,如图 1 所示。螺纹长度75 mm,总体长度195 mm,导向面角 10,承载面角-9,锥度 1 24,螺距 5 牙/25.4 mm,齿宽 2.51 mm,齿槽宽 2.57 mm,齿高1.57 mm。TWIP 钢屈服强度 254 MPa,抗拉强度1 172 MPa,弹性模量 208 GPa,泊松比 0.2918。图 1 膨胀套管特殊螺纹接头三维模型剖视图Fig.1 Sectional view of the 3D model of the special threaded joint of expandable casing为提高计算效率,在确保求解精度的前提下,将网格划分为全六面体网格。采用 HyperMesh 专业前处理软件对膨胀套管特殊螺纹接头进行网格划分,对螺纹连接段和密封面进行局部网格加密。膨胀套管管体部分网格划分相对较大,网格划分完成以后,节点数为 914 400,单元数为 753 600,剖切面网格如图 2a 所示,螺纹连接段局部网格加密如图 2b 所示。2.2 边界条件和载荷施加采用 ANSYS 有限元分析软件对模型进行复合载荷作用下的力学行为分析。考虑到膨胀套管螺纹接头在水平井下入过程中,垂井段、斜井段以及水平段承受的载荷不同,将载荷施加分成 2 种形式19-22。在靠近斜井段上方的直井段和斜井段下方的水平段,膨胀套管螺纹接头承受轴向载荷以及内、外压力作用,不同之处在于水平段的内、外压力值较大,其载荷施加方式如图 3a 所示。下端 A截面施加固支约束,上端 B 截面载荷施加在形心耦合点处,管体内部 C 面和管体外部 D 面施加内、外压力载荷23-25。由于在斜井段膨胀套管螺纹接头要承受弯曲载荷,将弯矩的等效力施加在离上端截面形心一定距离的 B 处,如图 3b 所示,其余载荷施加方式同图 3a。图 2 膨胀套管特殊螺纹接头三维模型有限元网格划分Fig.2 Meshing of the finite element model图 3 膨胀套管特殊螺纹接头三维有限元 模型边界条件和载荷施加示意图Fig.3 Boundary conditions and load application of 3D finite element model of special threaded joint of expandable casing3 螺纹接头安全分析3.1 轴向拉伸载荷和内、外压力作用下特殊螺纹接头安全分析 对膨胀套管特殊螺纹接头有限元模型分别施加100、200、300 和 400 kN 的轴向拉伸载荷,施加外压 60 MPa、内压 50 MPa,对螺纹接头进行力学行为分析,从外螺纹端(载荷施加端)到内螺纹端(边界约束端)依序对螺纹牙进行编号,分析结果如图 4 所示。分析图 4a 可知:轴向拉伸载荷从 100 kN 增大到 400 kN 时,随螺纹牙序号增大,内、外螺纹牙3412023 年 第 51 卷 第 9 期冯 定,等:等直径膨胀套管螺纹接头安全分析 图 4 不同轴向拉伸载荷作用下螺纹牙上应力和 变形位移曲线以及 von Mises 应力云图Fig.4 Distribution curve of stress,deformation and displacement on thread and von Mises stress nephogram under different axial tensile loadsvon Mises 应力值从 1 号螺纹牙到 12 号螺纹牙呈现先骤减而后趋于平缓,但仍处于逐渐减小的趋势;从 13 号螺纹牙到 15 号螺纹牙应力值逐渐增大;左端 3 个螺纹牙和右端 3 个螺纹牙应力值较大,应力变化范围较明显;200 kN 轴向拉伸载荷作用下外螺纹 1 号螺纹牙上的应力值为 512.52 MPa,而 400 kN 轴向拉伸载荷作用下内螺纹 1 号螺纹牙上的应力值为 486.41 MPa;200 kN 轴向拉伸载荷作用下内螺纹 15 号螺纹牙上的应力值为 536.61 MPa,而400 kN 轴向拉伸载荷作用下外螺纹 15 号螺纹牙上的应力值为 529.86 MPa。这说明随着轴向拉伸载荷逐渐增大,膨胀套管螺纹连接段具有两端同时破坏的倾向性,且内螺纹要先于外螺纹遭到破坏。从图 4b 可以看出,随着轴向拉伸载荷逐渐增大,内、外螺纹牙上的变形位移值逐渐增大,变形位移值随着螺纹牙序号的增加逐渐减小,且有趋于平缓的趋势。结合两图可知,内螺纹根部出现变形量小、应力值较大的特征,具有脆断倾向,此结论亦可从图 4c 的 von Mises 应力云图中分析得到。3.2 轴向压缩载荷和内、外压力作用下特殊螺纹接头安全分析 对膨胀套管特殊螺纹接头有限元模型分别施加100、200、300 和 400 kN 的轴向压缩载荷,施加外压 60 MPa、内压 50 MPa,对螺纹接头进行力学行为分析,结果如图 5 所示。对比图 5a 和图 4a 可知: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;轴向压缩载荷值逐渐增大时,随螺纹牙序号增大,内、外螺纹牙 von Mises 应力值从 1 号螺纹牙到 13 号螺纹牙呈现先骤减而后逐渐减小的趋势;从 14 号螺纹牙到 15 号螺纹牙应力值突然增大,应力值变化的拐点由轴向拉伸载荷时的 13 号螺纹牙后移至 14 号螺纹牙。从图5c 可知,随着轴向压缩载荷值的增大,最大应力从端部向内螺纹根部转移。对比图 5b 和图 4b 可知:承受轴向压缩载荷螺纹牙上的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;随441 石 油 机 械2023 年 第 51 卷 第 9 期图 5 不同轴向压缩载荷作用下螺纹牙上应力和变形位移曲线及 von Mises 应力云图Fig.5 Distribution curve of stress,deformation and displacement on thread and von Mises stress nephogram under different axial compressive loads着螺纹牙序号增大,变形位移值逐渐减小的斜率先减小后增大。这说明在载荷相同时,相比承受轴向拉伸载荷,螺纹接头在承受压缩载荷时较安全。4 复合载荷作用下螺纹接头安全分析复合载荷指螺纹接头承受弯矩、轴向压缩载荷、外压及内压。本节弯矩以等效力的形式给出。对膨胀套管特殊螺纹接头有限元模型施加不同的弯矩,各弯矩对应的等效力分别为 30、40、50 及 60 kN,并对模型施加 200 kN 轴向压缩载荷,施加外压 70 MPa、内压 55 MPa,对螺纹接头进行力学行为分析,结果如图 6 所示。从图 6a 可以看出:弯矩等效力从 30 kN 增加到 60 kN 时,1 号螺纹牙上的等效应力值从 201.40 MPa 增加到 463.56 MPa,内螺纹牙上的应力值小于外螺纹牙上的应力值;15 号螺纹牙上的等效应力值迅速从 290.23 MPa 增加到 792.91 MPa,此时外螺纹牙上的应力值小于内螺纹牙上的应力值。弯矩等效力越大,2 14 号螺纹牙上的应力值越大,且呈现先减小后增大的趋势,但其变化范围随弯矩等效力的增加差异不大。由图 6b 可知,弯矩增大了螺纹牙上的变形位移,弯矩(等效力)越大变形量越大,60 kN 弯矩(等效力)时,变形量最大达到了 0.32 mm,这对螺纹连接的安全和可靠性十分不利。从图 6c 可以看出,随着弯矩等效力逐渐增加,螺纹牙上的最大等效应力逐渐增大,且在弯矩作用下,受挤压侧的内、外螺纹根部容易遭到破坏,且内螺纹根部更容易出现断裂。图 6 不同弯矩载荷作用下螺纹牙上应力和变形位移曲线以及 von Mises 应力云图Fig.6 Distribution curve of stress,deformation and displacement on thread and von Mises stress cloud diagram under different bending moment loads5 结 论本文采用有限元分析软件,建立了膨胀套管螺纹接头三维有限元分析模型,分析了在膨胀套管下入过程中,轴向拉伸和压缩载荷,内、外压力以及弯矩载荷复合作用对膨胀套管内、外螺纹牙上应力5412023 年 第 51 卷 第 9 期冯 定,等:等直径膨胀套管螺纹接头安全分析 和变形位移分布规律的影响,得到如下结论:(1)轴向拉伸载荷作用下,随着载荷值逐渐增大,膨胀套管螺纹连接段具有两端同时破坏的趋势,且内螺纹要先于外螺纹遭到破坏,内螺纹根部出现变形量小,应力值较大的特征。(2)载荷值相同时,承受轴向压缩载荷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,其螺纹牙上的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。(3)在弯矩载荷作用下,受挤压侧的内、外螺纹根部容易遭到破坏,弯矩增大了螺纹牙上的变形位移,弯矩越大变形量越大,内螺纹根部越容易断裂。参 考 文 献1 窦益华,于洋,曹银萍,等.动载作用下特殊螺纹油管接头密封性对比分析 J.石油机械,2014,42(2):63-65,72.DOU Y H,YU Y,CAO Y P,et al.Comparative a-nalysis of the sealability of premium connection under the effect of dynamic load J.China Petroleum Ma-chinery,2014,42(2):63-65,72.2 窦益华,王轲,于洋,等.特殊螺纹油管接头上扣性能三维有限元分析 J.石油机械,2015,43(4):99-104.DOU Y H,WANG K,YU Y,et al.Study on makeup characteristics of premium connection by three dimen-sional finite element analysis J.China Petroleum Machinery,2015,43(4):99-104.3 唐明.等井径膨胀套管螺纹接头的应力分析 J.石油机械,2015,43(6):11-15.TANG M.The stress of the thread connection of mono-diameter expandable tubular J.China Petroleum Machinery,2015,43(6):11-15.4 李林涛,魏晓冬,窦益华,等.考虑温度影响的特殊螺纹 油 管 接 头 有 限 元 分 析 J.石 油 机 械,2017,45(11):105-110.LI L T,WEI X D,DOU Y H,et al.Three-dimen-sional finite element analysis of premium connection tub-ing joint considering temperature effect J.China Pe-troleum Machinery,2017,45(11):105-110.5 曹银萍,窦益华,于洋,等.基于 ISO 热循环试验的特殊 螺 纹 接 头 性 能 仿 真 J.计 算 机 仿 真,2020,37(10):69-72,205.CAO Y P,DOU Y H,YU Y,et al.Performance simulation of premium connection based on ISO thermal cycle test J.Computer Simulation,2020,37(10):69-72,205.6 王冲,王胜昆,徐书根.成形温度对等井径膨胀套管螺纹 接 头 强 度 的 影 响 J.塑 性 工 程 学 报,2017,24(3):50-56.WANG C,WANG S K,XU S G.Effect of forming temperature on strength of monohole expandable tubular with thread connection J.Journal of Plasticity Engi-neering,2017,24(3):50-56.7 曹银萍,窦益华,于洋,等.基于 ISO 13679 B 系试验载荷的特殊螺纹接头密封性能研究 J.润滑与密封,2019,44(9):7-12.CAO Y P,DOU Y H,YU Y,et al.Simulation of sealing ability for premium connection based on ISO 13679 series B test J.Lubrication 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jointJ.Chinese Journal of Applied Mechanics,2022,39(1):155-162.第一作者简介:冯 定,教授,博士生导师,生于 1963年,2006 年毕业于中国石油大学(北京)机械设计及理论专业,获博士学位,现从事石油机械及井下工具设计、诊断及动态仿真等教学与科研工作。地址:(434023)湖北省荆州市。电话:[phone]。E-mail:。通信作者:孙巧雷,E-mail:sunqiaolei 。收稿日期:2022-07-22(本文编辑 王刚庆)7412023 年 第 51 卷 第 9 期冯 定,等:等直径膨胀套管螺纹接头安全分析