一種新型膨脹管螺紋的連接可靠性分析及試驗

肖凱文，李 黔，尹 虎 （西南石油大學石油工程學院，四川成都610500）

李林濤 （中石化西北油田分公司工程技術研究院，新疆烏魯木齊830011）

一種新型膨脹管螺紋的連接可靠性分析及試驗

肖凱文，李 黔，尹 虎 （西南石油大學石油工程學院，四川成都610500）

李林濤 （中石化西北油田分公司工程技術研究院，新疆烏魯木齊830011）

螺紋連接的問題是膨脹管技術中一個重要課題，能否保證膨脹管螺紋在膨脹前后膨脹管連接的結構完整性和密封完整性是整個膨脹作業(yè)成功與否的關鍵。設計的一種新型膨脹管螺紋具有連接可靠、膨脹率高的特點。為確保該螺紋能安全使用，采用彈塑性有限元接觸方法建立了膨脹管螺紋可靠性分析的力學模型，對該螺紋的非線性膨脹過程進行了數值模擬，分析了膨脹過程中螺紋的應力及變形特征。結果表明該螺紋膨脹后具有較好的結構完整性及強度。通過全尺寸試驗進一步驗證該膨脹管螺紋膨脹后連接安全可靠，能滿足膨脹工藝的需要。理論分析及試驗結果為膨脹管螺紋的優(yōu)化提供了指導。

膨脹管；螺紋；有限元；數值模擬；試驗

膨脹管技術是指將鋼管下到井下后，在井下通過冷擠擴張的方法使套管達到要求尺寸，從而進行固井、完井、修補損壞的套管或支撐易坍塌裸眼井段等作業(yè)的一種技術［1，2］。而膨脹管的連接方式是這項技術的關鍵之一［3］。如何保證在膨脹前、膨脹過程中以及膨脹后套管連接的結構完整性和密封完整性是判斷整個膨脹作業(yè)成功與否的關鍵。理論分析及現場試驗表明，API標準套管螺紋無法滿足膨脹管的工藝技術要求。因此，需要根據膨脹管技術的使用環(huán)境和下井操作過程的特點，設計使用新的膨脹管螺紋接頭，并且保證作業(yè)過程中的可靠性至關重要。筆者對一種新型膨脹管螺紋進行了膨脹過程的有限元分析和試驗研究，以檢驗該螺紋使用中是否可以滿足可靠性要求，并對膨脹管螺紋的使用及優(yōu)化提供指導。

1 膨脹管螺紋連接的特點

根據膨脹管技術的使用環(huán)境和操作工藝，膨脹管螺紋接頭除了應具備普通套管螺紋接頭的基本特征外，還應具備一些滿足膨脹作業(yè)的特殊要求。

1）結構和密封完整性要求 膨脹管螺紋接頭除了在安裝完成后應具備結構和密封完整性，在膨脹過程中和膨脹后同樣應該具備結構和密封完整性，這是對膨脹管螺紋連接的基本要求。但是對于膨脹篩管等技術，可以不具備密封完整性。

2）膨脹力均勻性要求 由于在膨脹管施工時所需的膨脹力是管子壁厚的函數，為避免在膨脹過程中膨脹力波動過大，就要求管柱壁厚盡可能均勻，即人們常說的螺紋接頭處的內、外徑應與管體一致［4］——壁厚要求全程均勻，但這一說法并不確切。在接頭處，由于螺紋造成管子強度損失，膨脹錐經過接頭時所需要的膨脹力小于膨脹錐經過管體時的膨脹力［5］，因此接頭處的壁厚可以略大于管體以平衡強度的損失，減小膨脹力的波動。因此，膨脹管內、外徑是否都要求各部分完全一致，應根據膨脹管具體使用環(huán)境而論。如一些膨脹管在管外局部安裝橡膠或銅環(huán)等輔助密封件，此時膨脹管本身并不要求全程外徑一致。所以，對于膨脹管接頭部分，要求其壁厚與管體接近，這一點實際是膨脹力均勻性的要求。

3）方向性要求 在膨脹管螺紋連接處，膨脹錐如果先膨脹內螺紋，此時外螺紋內部沒有足夠的膨脹力支撐，會使內外螺紋被剝離造成連接失效。因此膨脹過程中，不論是自上而下還是自下而上膨脹，膨脹錐都必須先進入外螺紋，使內外螺紋同時變形脹大，保持螺紋接頭在膨脹過程中的結構完整性。根據膨脹管螺紋連接的方向性要求，膨脹管之間如果要使用接箍連接，則接箍的結構應該是一端為外螺紋、另一端為內螺紋。

2 膨脹管螺紋連接數值模擬

2．1 數值分析模型

針對膨脹管螺紋連接的特點設計了一種新型膨脹管螺紋，并已獲得國家專利（專利授權公開號：CN201202903Y）［6］。該螺紋在偏梯形螺紋的基礎上增大了齒高和螺距，承載面角度設計為－5°，導向面角度與API偏梯形螺紋一致，其大小為10°，膨脹管螺紋接頭結構如圖1。

2．2 有限元模型

應用大型通用有限元分析軟件ANSYS對這種新型膨脹管螺紋進行膨脹可靠性分析。膨脹管螺紋的膨脹過程是一種高度的非線性行為［7］，筆者主要以膨脹管螺紋膨脹過程中所表現出的特性為研究對象，為簡化模型，做如下假設：①膨脹管材質均勻、各向同性、壁厚均勻、截面滾圓，為理想管材；②膨脹錐和膨脹管的幾何形狀和所受載荷都是軸對稱的，即在任一個圓形截面內，應力分布是均勻的。膨脹管的材料性能如表1所示。

圖1 膨脹管螺紋接頭結構

表1 膨脹管的材料性能

有限元模擬的膨脹過程為膨脹錐自上向下膨脹，模型中體單元采用SOLID45單元，接觸單元采用PLANE42單元，幾何建模采用參數化設計語言（APDL）編程，對模型的關鍵數據使用參數化控制。膨脹管比較規(guī)則，采用四邊形映射網格進行均勻劃分，建立的有限元幾何模型如圖2所示。

2．3 數值模擬分析結果

由以上分析知，膨脹過程中產生的最大應力為426．9MPa，低于材料的強度極限552MPa，能滿足膨脹過程中的強度要求；A、B兩處的螺紋連接緊密說明膨脹后此處接觸良好，能夠滿足膨脹管螺紋連接完整性的要求；B處膨脹后螺紋牙側面的環(huán)形流體通道被封閉，能夠滿足螺紋膨脹后的密封性要求。

圖2 膨脹管螺紋的有限元幾何模型

3 膨脹管螺紋連接試驗驗證

為了檢驗該新型膨脹管螺紋的可靠性，做了螺紋膨脹試驗。試驗是在300噸級油壓壓力機上進行的。膨脹管膨脹過程試驗模擬膨脹管螺紋的膨脹過程，試驗前將加工有新型螺紋的177．8mm膨脹管連接好，將膨脹錐固定在推桿上，壓力機通過油缸帶動推桿和膨脹錐從上向下壓入膨脹管內孔，使膨脹管螺紋完成膨脹，試驗原理如圖4所示。

該次試驗膨脹壓力最大為87．92t，最小壓力出現在螺紋連接段，約為84．93t。膨脹后未出現螺紋脫扣和斷扣現象，只是母螺紋根部有明顯的縮徑現象，與其他段外徑對比其縮徑率為1．5%，如圖5。造成的原因是公螺紋頂部2扣螺紋緊扣到位后公螺紋頂部與母螺紋根部有一定間隙，最終造成該處縮徑，與有限元數值模擬方法求得的膨脹后螺紋的連接狀態(tài)符合得較好。

圖3 新型膨脹管螺紋膨脹后的應力云圖

圖4 試驗原理示意圖

圖5 膨脹后膨脹管連接圖

4 結論及建議

1）建立了膨脹管螺紋膨脹過程的三維非線性接觸問題有限元分析模型，用該模型求解的結果與試驗得到的膨脹連接狀態(tài)符合得很好，證明所建立的模型及其求解結果正確可信，新型膨脹管螺紋接頭結構可以滿足膨脹管膨脹工藝的要求。

2）通過對膨脹管螺紋膨脹過程的數值模擬結果與實際試驗的比較表明，膨脹后螺紋的連接狀態(tài)較為接近，可以利用數值模擬的方法來指導膨脹管螺紋的設計。

3）膨脹后內、外螺紋端面都發(fā)生分離產生了間隙，并且內、外螺紋端部都有較大變形，而這些變形不是都不利于接頭的連接能力，合理地利用膨脹過程造成的管體變形可以提高接頭的密封性能。

［1］Waddell K．Realizing the one－trip expansion，single－diameter wellbore［J］．SPE96655，2005．

［2］Sutter P，Cedric P L，Leyer J，et al．Development of grades for seamless expandable tubes［J］．SPE01021，2001．

［3］王長寧，楊博．一種可膨脹的套管連接螺紋有限元研究［J］．天然氣工業(yè)，2005，25（7）：53～55．

［4］張建兵，韓勇，韓建增，等．膨脹套管螺紋連接設計研究［J］．石油機械，2008，36（3）：5～8．

［5］張建兵．油氣井膨脹管技術機理研究［D］．成都：西南石油大學，2003．

［6］李黔，李林濤，唐興波．高膨脹率補貼管接頭密封結構［P］．CN：201202903Y，2009－03－04．

［7］付勝利，高德利．可膨脹管膨脹過程三維有限元數值模擬［J］．西安石油大學學報，2006，21（1）：54～57．

［8］王增藩．套損井膨脹管補貼及連接螺紋的力學行為研究［D］．大慶：大慶石油學院，2007．

［編輯］ 蕭 雨

TE28

A

1000－9752（2012）06－0112－03

2012－01－17

國家重大科技攻關項目（2011ZX05021）。

肖凱文（1986－），男，2010年大學畢業(yè)，碩士生，現主要從事油氣井工程方面的學習與研究工作。