特殊螺紋氣密封性能評價(jià)研究

馬艷琳，李天雷，張　智，許紅林

(1.中國石油工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司　四川　成都　610041；2.中國石油集團(tuán)石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室酸性油氣田管材腐蝕與防護(hù)研究室　四川　成都　610041；3. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　四川　成都　610500；4.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院　重慶　401331)

?

·試驗(yàn)研究·

特殊螺紋氣密封性能評價(jià)研究

馬艷琳1，2，李天雷1，2，張智3，許紅林4

(1.中國石油工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司四川成都610041；2.中國石油集團(tuán)石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室酸性油氣田管材腐蝕與防護(hù)研究室四川成都610041；3. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四川成都610500；4.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院重慶401331)

針對特殊螺紋實(shí)現(xiàn)高氣密封能力的問題，基于密封接觸應(yīng)力分布及其變化規(guī)律建立了錐面對錐面主密封過盈接觸應(yīng)力以及井下載荷工況下扭矩臺肩面實(shí)際接觸應(yīng)力計(jì)算模型，并且基于密封接觸能機(jī)理和密封面極限屈服條件建立了特殊螺紋氣密封性能定性評價(jià)方法。以錐面對錐面主密封為例，對比分析了7種井下載荷工況對密封面平均接觸應(yīng)力、密封接觸長度以及主密封面和臺肩面的密封性能影響規(guī)律，繪制了防泄漏安全系數(shù)為1.0、1.5和2.0時(shí)錐面對錐面密封結(jié)構(gòu)的密封包絡(luò)線。結(jié)果表明：軸向拉伸載荷和環(huán)空外壓會降低主密封結(jié)構(gòu)和臺肩面密封性能，軸向壓縮載荷和油管溫度升高有利于提高主密封結(jié)構(gòu)和臺肩面密封性能，而氣體內(nèi)壓對主密封面接觸應(yīng)力有自增強(qiáng)效應(yīng)，但會降低臺肩面接觸應(yīng)力；控制合理環(huán)空內(nèi)壓以及上扣時(shí)臺肩面作用扭矩有利于減小井下載荷工況對油管特殊螺紋密封性能的影響；繪制的密封包絡(luò)線可以方便地設(shè)計(jì)錐面對錐面密封結(jié)構(gòu)參數(shù)。

特殊螺紋；氣密封；錐面對錐面；接觸應(yīng)力；主密封參數(shù)；評價(jià)

0　引　言

油套管螺紋連接是完井管柱最薄弱部位，據(jù)統(tǒng)計(jì)有近80%的油套管失效事故均發(fā)生在螺紋連接處[1]。目前，油套管螺紋包括兩大類[2]：一類是按照API(American Petroleum Institute)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)和檢驗(yàn)的油套管螺紋；另一類是油套管特殊螺紋。API標(biāo)準(zhǔn)油套管螺紋具有技術(shù)成熟、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、互換性好以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于其是針對早期常規(guī)油氣井而開發(fā)，難以適應(yīng)超深、高溫、高壓、高腐蝕以及高壓注蒸汽等極端惡劣工況，螺紋連接強(qiáng)度低(API圓螺紋僅為管體強(qiáng)度的60%～80%)、密封性能差(高溫對螺紋脂影響大)、應(yīng)力水平高、耐腐蝕性能差以及上扣控制難等方面。油套管特殊螺紋通過對API螺紋進(jìn)行螺紋和密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化以滿足各種復(fù)雜惡劣工況下的性能要求，普遍具有連接強(qiáng)度高(100%管體強(qiáng)度或更高)和密封性能好等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。1965年，Clinedinst通過解析法和全尺寸試驗(yàn)法較系統(tǒng)研究了圓螺紋連接滑脫失效以及斷裂失效強(qiáng)度公式[6]。1977年，Clinedinst又研究了內(nèi)壓和彎曲載荷對API油套管彈性強(qiáng)度的影響，其建立的強(qiáng)度公式經(jīng)修正后被API采納[7]。1982年，Schneider通過理論建模得出了上扣和內(nèi)壓作用下API圓螺紋和偏梯形螺紋彎曲應(yīng)力計(jì)算公式[8]。Grewal研究了螺紋連接各螺紋牙之間的受力分布，重點(diǎn)分析了螺距、牙形和牙數(shù)等因素對螺紋連接載荷分布的影響規(guī)律[9]。Nassar等通過對螺紋面的三維幾何描述建立了考慮螺距、螺紋剖面角、靜動態(tài)摩擦系數(shù)的新的上卸扣扭矩解析模型[10]。針對圓柱形管螺紋連接，Chen等基于彈性力學(xué)通過分析單個(gè)內(nèi)外螺紋牙的變形，建立了計(jì)算螺紋上扣擰緊軸向載荷分布新模型[11]。2008年，Toshimichi等在對螺紋螺旋角進(jìn)行精確描述基礎(chǔ)上采用有限元分析了螺旋角對螺紋根部應(yīng)力的影響[12]。2010年，Xie等研究了熱采井循環(huán)載荷作用下API套管和特殊螺紋套管的結(jié)構(gòu)完整性和密封能力，對比分析表明特殊螺紋最適合于熱采井[13]。2010年，黃翠英等評價(jià)了儲氣庫中的特殊螺紋密封性能，分析表明注氣工況下泄漏概率較大[14]。劉賢玉等研究了彎曲載荷下隔水管特殊螺紋力學(xué)行為[15]。申昭熙等基于有限元概率分析功能研究了特殊螺紋密封性能[16,17]。2011年，呂拴錄等通過檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了某偏梯形螺紋套管緊密距不合格以及外螺紋出現(xiàn)損傷[18]。2012年，曹銀萍等分析了某特殊螺紋在內(nèi)壓和軸向力復(fù)合載荷作用下油管螺紋的應(yīng)力分布[19,20]。Kane等對高含H2S或CO2氣井服役環(huán)境中兩種型號螺紋連接抗環(huán)境開裂進(jìn)行了試驗(yàn)評價(jià)，基于試驗(yàn)結(jié)果還詳細(xì)分析了螺紋的失效位置和產(chǎn)生的裂紋形式[21]。潘志勇等對某直井偏梯形特殊螺紋套管螺紋滑脫失效進(jìn)行了理論分析并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究[22]。2013年，王新虎等通過試驗(yàn)研究了兩種特殊螺紋套管在不同壓應(yīng)力下的腐蝕行為[23]。2014年，許志倩等通過引入微觀泄漏理論，建立了基于表面粗糙度和密封結(jié)構(gòu)加工參數(shù)的特殊螺紋氣體泄漏率理論模型并通過了試驗(yàn)驗(yàn)證[24]。

目前對特殊螺紋密封性能的研究主要通過有限元分析和試驗(yàn)方法，此類方法較難揭示螺紋連接密封失效機(jī)理，因此，本文通過引入接觸力學(xué)理論系統(tǒng)研究特殊螺紋不同結(jié)構(gòu)主密封和臺肩面接觸應(yīng)力分布規(guī)律，提出了新的密封性能評價(jià)方法，從而為定性和定量評價(jià)特殊螺紋密封性能、優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)參數(shù)提供理論指導(dǎo)。

1　理論模型

1.1特殊螺紋密封原理

特殊螺紋金屬對金屬主密封屬于典型的接觸式密封，一般認(rèn)為防止管內(nèi)流體泄漏的條件為：金屬密封面上的平均接觸應(yīng)力大于擬密封管內(nèi)流體壓力。多年以來，大多學(xué)者將此作為油套管螺紋(包括API螺紋和特殊螺紋)連接密封設(shè)計(jì)的依據(jù)。然而，該密封判據(jù)是建立在密封面完全光滑的基礎(chǔ)之上的。實(shí)際上，無論何種金屬加工工藝都不可能使得密封面完全光滑，密封面均存在一定的粗糙度，因此上扣后過盈配合的密封面之間永遠(yuǎn)存在微小間隙，螺紋泄漏速度永遠(yuǎn)不為零。根據(jù)流體力學(xué)理論，流體通過微小間隙時(shí)的流動阻力可表示為：

ΔR∝ΔL/S

(1)

式中：ΔR為流體通過微小間隙流動阻力，N；ΔL為泄漏路徑最小長度，mm；S為微小間隙的橫截面積，mm2。

顯然，要減小流體泄漏速度，就必須增大流體流動阻力，這一方面可增大流體泄漏路徑ΔL，另一方面可減小微小間隙的橫截面積S，而流通橫截面積S的減小必須增大密封面平均接觸應(yīng)力。

1.2特殊螺紋主密封徑向接觸應(yīng)力

油套管特殊螺紋金屬對金屬主密封結(jié)構(gòu)主要包括協(xié)調(diào)式和非協(xié)調(diào)式接觸密封兩大類，它們均是通過密封面的徑向過盈配合來產(chǎn)生密封接觸應(yīng)力的，對于前者可采用厚壁圓筒過盈配合理論計(jì)算密封面過盈接觸應(yīng)力，而對后者可借助接觸力學(xué)相關(guān)理論計(jì)算密封面過盈接觸應(yīng)力。同時(shí)，大多數(shù)特殊螺紋還具有臺肩輔助密封結(jié)構(gòu)，而臺肩面接觸應(yīng)力很大程度上由上扣扭矩決定。

1.2.1錐面對錐面主密封過盈接觸應(yīng)力

錐面對錐面密封結(jié)構(gòu)屬于協(xié)調(diào)式接觸密封，它可以是單錐面密封、雙錐面密封，甚至多錐面密封，錐面對錐面密封示意圖如圖1所示。其中，單錐面密封結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛，如圖1(a)所示，雙錐面密封結(jié)構(gòu)是在常規(guī)單錐面密封結(jié)構(gòu)前端增加一個(gè)更大錐度的錐面，從而使整個(gè)密封面上應(yīng)力分布更均勻，以改善密封效果，如圖1(b)所示。

圖1　錐面對錐面密封示意圖

錐面對錐面密封結(jié)構(gòu)徑向過盈接觸應(yīng)力為：

(2)

式中：psN為密封面法向接觸應(yīng)力，MPa；rc為管體內(nèi)筒和接箍外筒接觸面半徑，mm；r0為管體內(nèi)半徑，mm；Ec為接箍彈性模量，GPa；Ep為管體彈性模量，GPa；νp為接箍泊松比，無量綱；νp為管體泊松比，無量綱；R0為接箍外半徑，mm；γs為密封面半錐角，°；δsr為初始設(shè)計(jì)過盈量，mm。

1.2.2扭矩臺肩面實(shí)際接觸應(yīng)力

油套管特殊螺紋預(yù)緊后臺肩面即存在初始預(yù)緊應(yīng)力psh，在軸向載荷以及內(nèi)外壓和溫度作用下臺肩面接觸應(yīng)力還會變化，各種載荷作用下臺肩面實(shí)際接觸應(yīng)力為

(3)

1.3特殊螺紋氣密封性能定性評價(jià)

1.3.1密封面極限屈服理論

針對非協(xié)調(diào)接觸式金屬對金屬密封結(jié)構(gòu)，本文提出設(shè)計(jì)或評價(jià)這類密封結(jié)構(gòu)密封性能準(zhǔn)則為：密封面最大接觸應(yīng)力等于(或趨近)密封面材料屈服強(qiáng)度σy、密封面平均接觸應(yīng)力大于擬密封氣體壓力的2倍，同時(shí)盡量增大有效密封接觸長度。此外，由于密封面接觸應(yīng)力水平高，密封氣體內(nèi)壓對密封面接觸應(yīng)力的自增強(qiáng)效應(yīng)不可忽略。以球面對柱面密封結(jié)構(gòu)為例，考慮密封面平均過盈接觸應(yīng)力等于最大接觸應(yīng)力的π/4倍，其密封準(zhǔn)則為：

(4)

密封接觸有效長度為：

(5)

式中：Rs為球面半徑，mm；δdN為球面對柱面設(shè)計(jì)最大法向過盈量，mm；σy為密封面材料屈服強(qiáng)度，MPa。

1.3.2特殊螺紋氣密封性能評價(jià)方法

對特殊螺紋密封性能評價(jià)的理論方法研究主要包括兩大類：一類主要是針對錐面對錐面等協(xié)調(diào)接觸密封形式，此類密封大多基于密封接觸能機(jī)理或基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正后的密封接觸能機(jī)理的評價(jià)方法；另一類主要是針對球面對錐面等非協(xié)調(diào)接觸式密封，由于這類密封結(jié)構(gòu)密封面接觸應(yīng)力水平高，密封接觸寬度相對較小，因此通過密封面局部屈服產(chǎn)生塑性流動充填實(shí)現(xiàn)密封。然而，密封面屈服對高強(qiáng)度鋼和鎳基合金管密封可靠，但對某些材料可能會導(dǎo)致應(yīng)力松弛，產(chǎn)生泄漏，而對另一些材料可能會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕穿孔或形成溝槽，喪失密封。為此，本文提出設(shè)計(jì)或評價(jià)這類密封結(jié)構(gòu)密封性能準(zhǔn)則為：保證密封面不屈服的情況下盡量增大密封接觸寬度。

密封接觸能機(jī)理認(rèn)為，阻止氣體通過金屬對金屬密封結(jié)構(gòu)的流動阻力可由密封接觸強(qiáng)度fs表征，它定義為密封接觸應(yīng)力在有效密封長度上的積分值。

(6)

式中：fs為密封接觸強(qiáng)度，N/mm；Les為有效密封接觸長度，mm；psN為密封面法向接觸應(yīng)力，MPa；ws為密封面接觸半寬，mm。

對于高溫高壓井特殊螺紋連接，Murtagian等通過物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了靜態(tài)金屬對金屬密封面密封性能與密封接觸應(yīng)力剖面的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系，提出了金屬密封性能參數(shù)Wa和油套管特殊螺紋連接時(shí)密封性能參數(shù)的臨界值Wac[25]。

(7)

(8)

式中：Wa為金屬對金屬密封性能評價(jià)指數(shù)，mm·MPa1.4；Wac為臨界密封指數(shù)，mm·MPa1.4；patm為大氣壓力，MPa。

Xie等采用有限元模擬的方法，考慮高溫高壓氣井油管實(shí)際密封失效經(jīng)驗(yàn)和已有數(shù)據(jù)的回顧并結(jié)合ISO 13679中規(guī)定的極限泄漏速度又提出了高溫高壓油套管特殊螺紋連接時(shí)密封性能參數(shù)的臨界值Wac[26]。

Wac=10×(pgas/patm)0.838

(9)

1.4主密封參數(shù)設(shè)計(jì)方法

考慮加工尺寸偏差、動載荷等其他條件對密封性能的影響，設(shè)計(jì)時(shí)給予一定的防泄漏安全余量，定義防泄漏安全系數(shù)為：

SFleak=Wa/Wac

(10)

式中：SFleak為金屬對金屬密封結(jié)構(gòu)防泄漏安全系數(shù)，無量綱。

SFleak>1表明不發(fā)生泄漏，SFleak=1表明臨界泄漏狀態(tài)，SFleak<1表明發(fā)生泄漏。顯然，SFleak可用于評估設(shè)計(jì)的金屬對金屬密封結(jié)構(gòu)防泄漏能力。SFleak應(yīng)是越大越好，一般控制在1.5～2.0。

2　現(xiàn)場應(yīng)用

以錐面對錐面密封結(jié)構(gòu)為例，對比分析軸向拉伸、壓縮、氣體內(nèi)壓、環(huán)空外壓以及溫度等不同井下載荷工況特殊螺紋密封接觸應(yīng)力以及基于密封接觸能機(jī)理的密封性能評價(jià)方法，對不同載荷工況下兩種密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封性能評價(jià)，計(jì)算時(shí)采用P110鋼級EU-B型油管特殊螺紋的基本參數(shù)：螺紋大端直徑為95.25 mm，管體名義外徑為88.90 mm，壁厚為9.52 mm，管體外螺紋本體內(nèi)徑為69.86 mm，接箍內(nèi)螺紋本體外徑為114.3 mm，偏梯形套管螺紋中徑為93.68 mm，機(jī)緊后外螺紋端部接箍螺紋根部直徑為92.20 mm，臺肩面外徑為88.24 mm，管體本體抗內(nèi)壓強(qiáng)度為142 MPa，抗拉載荷為1 800 kN，錐面對錐面密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)接觸長度為10 mm，錐面錐度1∶10，過盈量0.3 mm，臺肩面預(yù)緊接觸應(yīng)力均取70%管體屈服強(qiáng)度。

2.1密封面接觸應(yīng)力對比分析

為分析不同井下載荷工況對密封面接觸應(yīng)力分布和螺紋密封性能影響程度，將七種井下載荷工況下(對應(yīng)設(shè)置最大載荷)兩種密封結(jié)構(gòu)主密封面接觸長度、主密封面和臺肩面平均接觸應(yīng)力與上扣工況對應(yīng)密封參數(shù)進(jìn)行對比，各種工況編號如下：A-上扣工況，為基本對照工況；B-上扣+軸向拉力1 800 kN工況；C-上扣+內(nèi)壓120 MPa工況；D-上扣+內(nèi)壓80 MPa+軸向拉力1 200 kN工況；E-上扣+內(nèi)壓80 MPa+軸向壓力600 kN工況；F-上扣+內(nèi)壓80 MPa+軸向拉力800 kN+外壓120 MPa工況；G-上扣+內(nèi)壓40 MPa+軸向拉力1 200 kN+油管螺紋部位溫度增加90℃工況。對比結(jié)果如圖2所示，分析可知，除錐面對錐面密封接觸長度基本不變外，球面對柱面密封接觸長度和兩種密封結(jié)構(gòu)主密封面、臺肩面平均接觸應(yīng)力受井下工況載荷影響明顯，且它們的變化趨勢基本相同。對于錐面對錐面密封結(jié)構(gòu)，除B、F工況外，密封面平均接觸應(yīng)力均增大；對于球面對柱面密封結(jié)構(gòu)，除E、G工況外，密封面接觸長度均降低，除C、E、G工況外，密封面平均接觸應(yīng)力也均降低；對于扭矩臺肩，除E、G工況外，臺肩面平均接觸應(yīng)力均降低，綜合分析表明：總體上軸向拉伸載荷和環(huán)空外壓會降低主密封結(jié)構(gòu)和臺肩面密封性能，軸向壓縮載荷和油管溫度升高有利于提高主密封結(jié)構(gòu)和臺肩面密封性能，而氣體內(nèi)壓對主密封面接觸應(yīng)力有自增強(qiáng)效應(yīng)，但會降低臺肩面接觸應(yīng)力。

圖2　不同井下載荷工況下密封接觸長度和平均接觸應(yīng)力對比

2.2特殊螺紋氣密封性能評價(jià)

采用基于密封接觸能機(jī)理的密封性能評價(jià)方法對以下A～G七種工況下兩種密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封性能評價(jià)，且假設(shè)擬需要密封的最大氣體內(nèi)壓均為120 MPa，則其臨界密封指數(shù)為38 985.68 mm·MPa1.4。進(jìn)一步根據(jù)七種工況下密封面平均接觸應(yīng)力和密封接觸長度可計(jì)算各自密封指數(shù)，并與臨界密封指數(shù)進(jìn)行對比，從而判斷其密封性能，如圖3所示。A為上扣工況，是基本對照工況；B為上扣+軸向拉力1 800 kN工況；C為上扣+內(nèi)壓120 MPa工況；D為上扣+內(nèi)壓80 MPa+軸向拉力1 200 kN工況；E為上扣+內(nèi)壓80 MPa+軸向壓力600 kN工況；F為上扣+內(nèi)壓80 MPa+軸向拉力800 kN+外壓120 MPa工況；G為上扣+內(nèi)壓40 MPa+軸向拉力1 200 kN+油管螺紋部位溫度增加90℃工況。

圖3　七種井下載荷工況下特殊螺紋密封指數(shù)及密封性能評價(jià)圖

分析圖3可知，當(dāng)擬密封氣體內(nèi)壓為120 MPa時(shí)，七種井下載荷工況下錐面對錐面主密封均不能滿足氣密封要求；球面對柱面主密封在B、F工況下不能滿足氣密封要求；臺肩面在B、D、F工況下不能滿足氣密封要求，這可能是由于計(jì)算密封面臨界密封指數(shù)過于保守所致。如果采用式(8)計(jì)算臨界密封指數(shù)，則七種井下載荷工況下錐面對錐面、球面對柱面主密封以及臺肩面均能滿足120 MPa的氣密封要求。同時(shí)，對各種工況下密封指數(shù)對比分析可知，軸向拉伸載荷(B)和環(huán)空外壓(F)會降低主密封結(jié)構(gòu)和臺肩面密封性能，軸向壓縮載荷(E)和油管溫度升高(G)有利于提高主密封結(jié)構(gòu)和臺肩面密封性能，而氣體內(nèi)壓(C)有利于提高主密封面密封性能，但同時(shí)會降低臺肩面密封性能。因此，為減小井下載荷工況對油管特殊螺紋密封性能的影響，一方面應(yīng)該避免過高的環(huán)空內(nèi)壓；另一方面必須合理控制上扣時(shí)臺肩面作用扭矩，既要避免臺肩面扭矩不足導(dǎo)致臺肩面初始應(yīng)力較低而在拉伸和內(nèi)壓作用下密封性能下降，也要避免臺肩面作用扭矩太大，從而降低臺肩面因應(yīng)力松弛和縫隙腐蝕而導(dǎo)致的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

2.3主密封參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)金屬對金屬密封面接觸應(yīng)力理論和密封性能評價(jià)方法，以密封面有效接觸長度Les和密封徑向過盈量δsr為目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)，假設(shè)密封氣體內(nèi)壓力為70 MPa，計(jì)算了防泄漏安全系數(shù)分別為1.0、1.5和2.0時(shí)錐面對錐面密封結(jié)構(gòu)的密封包絡(luò)線，如圖4所示。分析圖4可知，隨著防泄漏安全系數(shù)增大，密封包絡(luò)線逐漸向右上方偏移，為滿足氣密封要求，密封參數(shù)組合(Les，δsr)必須位于各密封包絡(luò)線右上方區(qū)域。利用圖4可方便地設(shè)計(jì)錐面對錐面密封結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如，當(dāng)設(shè)計(jì)密封面接觸長度為5 mm時(shí)，要使得防泄漏安全系數(shù)大于1.5，徑向過盈量至少為0.20 mm，此時(shí)能保證該密封結(jié)構(gòu)至少能密封住70 MPa的氣體內(nèi)壓力。

圖4　不同防泄漏安全系數(shù)下錐面對錐面密封包絡(luò)線

3　結(jié)　論

1)建立了錐面對錐面主密封過盈接觸應(yīng)力以及井下載荷工況下扭矩臺肩面實(shí)際接觸應(yīng)力計(jì)算模型，基于密封接觸能機(jī)理和密封面極限屈服條件建立了特殊螺紋氣密封性能定性評價(jià)方法。

2)軸向拉伸載荷和環(huán)空外壓會降低主密封結(jié)構(gòu)和臺肩面密封性能，軸向壓縮載荷和油管溫度升高有利于提高主密封結(jié)構(gòu)和臺肩面密封性能，而氣體內(nèi)壓對主密封面接觸應(yīng)力有自增強(qiáng)效應(yīng)，但會降低臺肩面接觸應(yīng)力。

3)為減小井下載荷工況對特殊螺紋密封性能的影響，一方面應(yīng)該避免過高的環(huán)空內(nèi)壓；另一方面必須合理控制上扣時(shí)臺肩面作用扭矩。

4)繪制了防泄漏安全系數(shù)分別為1.0、1.5和2.0時(shí)錐面對錐面密封結(jié)構(gòu)的密封包絡(luò)線，利用該密封包絡(luò)線可方便地設(shè)計(jì)錐面對錐面密封結(jié)構(gòu)參數(shù)。

[1] 李鶴林, 張亞平, 韓禮紅. 油井管發(fā)展動向及高性能油井管國產(chǎn)化(下)[J]. 鋼管, 2008, 37(1):1-6.

[2] 高連新, 史交齊. 油套管特殊螺紋接頭連接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 石油礦場機(jī)械, 2008, 37(2):15-19.

[3] Carcagno G. The design of tubing and casing premium connections for HTHP wells[C]. SPE 97584, 2005.

[4] Sugino M, Nakamura K, Yamaguchi S, et al. Development of an innovative high-performance premium threaded connection for OCTG[C]. OTC 20734, 2010.

[5] Wang J D, Yang L N, Song SY, et al. Development of economical gas-tight casing connection for low pressure gas field application[C]. IPTC 14705, 2011.

[6] Clinedinst W. Strength of Threaded Joints for Steel Pipe[J]. Journal of Engineering for Industry, 1965, 87(2):125-134.

[7] API.Bulletin on formulas and calculations for casing, tubing, drillpipe and line pipe properties: API Bulletin5C3[S]. Washington D.C.:API publisher, 1994.

[8] Schneider W P. Casing and tubing connection stresses[J]. Journal of Petroleum Technology, 1982, 34(8): 1851-1862.

[9] Grewal A, Sabbaghian M. Load distribution between threads in threaded connections[J]. Journal of pressure vessel technology, 1997, 119(1): 91-95.

[10] Nassar S A, Yang X J. Novel formulation of the tightening and breakaway torque components in threaded fasteners[J]. Journal of Pressure Vessel Technology, 2007, 129(4):653-663.[11] Chen S J, An Q, Zhang Y, et al. Loading analysis on the thread teeth in cylindrical pipe thread connection[J]. Journal of Pressure Vessel Technology, 2010, 132(3):1-8.

[12] Toshimichi F, Masataka N. Proposition of helical thread modeling with accurate geometry and finite element analysis[J]. Journal of Pressure Vessel Technology, 2006, 130(1):135-140.

[13] Xie J, Tao G. Analysis of casing connections subjected to thermal cycle loading[C]. 2010 SIMULIA Customer Conference, 2010.

[14] 黃翠英, 張宏, 段慶全. 地下儲氣庫特殊螺紋套管接頭密封性分析[J]. 石油機(jī)械, 2010, 38(5):49-51.

[15] 劉賢玉, 于永南, 宋作苓, 等. 彎曲載荷下隔水管特殊螺紋接頭參數(shù)與應(yīng)力關(guān)系研究[J]. 石油礦場機(jī)械, 2012, 41(7):6-10.

[16] 申昭熙, 王鵬, 李磊, 等. 特殊螺紋接頭密封可靠性數(shù)值分析[J]. 石油礦場機(jī)械, 2012, 41(1):10-13.

[17] 申昭熙, 李磊, 王鵬. 外壓作用對特殊螺紋接頭內(nèi)壓密封性影響分析[J]. 石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督, 2012, 28(8):18-20.

[18] 呂拴錄, 龍平, 趙盈, 等. Φ339.7mm偏梯形螺紋接頭套管密封性能和連接強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]. 石油礦場機(jī)械, 2011, 40(5):25-29.

[19] 許志倩, 閆相禎, 楊秀娟. 特殊螺紋套管接頭連接性能的安全可靠性分析[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 33(9):1146-1153.

[20] 曹銀萍, 張福祥, 楊向同, 等. 不同外載作用下特殊螺紋油管接頭應(yīng)力有限元分析[J]. 制造業(yè)自動化, 2012, 34(7):95-97.

[21] Kane R D, Burman J. Low stress connection design versus environmental cracking in corrosive well service conditions[C]. NACE C2012-0001593, 2012.

[22] 潘志勇, 陳鵬, 王建軍, 等. 某井偏梯形螺紋接頭脫扣原因分析[J]. 金屬熱處理, 2012, 37(4):124-127.

[23] 王新虎, 尹成先, 王建東. 壓應(yīng)力對特殊螺紋套管材料腐蝕的影響[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 37(2):119-123.

[24] 許志倩, 閆相禎, 楊秀娟, 等. 微觀泄漏機(jī)理在非API套管接頭密封性能評估中的應(yīng)用[J]. 石油學(xué)報(bào), 2014, 35(5):963-971.

[25] Murtagian G R, Fanelli V, Villasante J A, et al. Sealability of Stationary Metal-to Metal Seal[J]. Journal of Tribology, 2004, 126(3):591-596.

[26] Xie J. Numerical evaluation of tubular connections for HPHT applicants[C]. Baosteel BAC, 2013:6-14.

Research on Gas Seal Performance of Premium Thread

MA Yanlin1,2, LI Tianlei1,2, ZHANG Zhi3, XU Honglin4

(1.ChinaPetroleumEngineeringCo.Ltd.,SouthwestCompany,Chengdu，Sichuan610041,China;2.DepartmentforTubularGoodsCorrosionandProtectioninSourOilandGasFieldsofKeyLaboratoryofPetroleumTubularGoodsEngineering,CNPC，Chengdu，Sichuan610041,China;3.StateKeyLaboratoryofOil&GasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China;4.SchoolofPetroleumandNaturalGasEngineering,ChongqingUniversityofScienceandTechnology,Chongqing401331,China)

With view to high pressure gas sealing performance of premium thread, a calculation model of interference constant stress of primary sealing structure for conical surface to conical surface and the actual constant stress of torque shoulder surface under downhole loads was established based on the distribution of sealing constant stress and its variation law. A qualitative evaluation method of gas sealing performance of premium thread on the basis of sealing contact mechanism and the sealing surface ultimate yield condition was proposed. One case study was conducted on conical surface to conical surface of primary sealing. The influences of 7 kinds of downhole loads on the average constant stress of sealing structure, sealing contact length and primary sealing surface and shoulder surface were comparatively analyzed. And the performance of the sealing envelope curves of the conical surface to conical surface while the leakage prevention safety factor is 1.0, 1.5 and 2.0 were drawn. It is shown that both the axial tensile load and annulus pressure would reduce the sealing performance of primary sealing structure and shoulder surface; the axial compression load and tubing rising temperature are beneficial to improve the sealing performance of primary sealing structure and shoulder surface, however, the internal pressure of gas have self-enhancement effects on contact stress of primary sealing surface will reduce the shoulder surface contact stress. The reasonable annulus pressure and torque of shoulder surface during screwing can improve the sealing performance of premium thread of tubing. The sealing envelop curve is convenient to design the parameters of conical surface to conical surface.

premium thread; gas seal; conical surface to conical surface; contact stress; primary sealing parameters; evaluation

四川省杰出青年基金項(xiàng)目“頁巖氣水平井套管完整性研究”(項(xiàng)目編號：2016JQ0010)。

馬艷琳，女， 1975年生，工程師，1996年畢業(yè)于西南石油學(xué)院油氣儲運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)從事油氣田開發(fā)地面建設(shè)內(nèi)部集輸項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和科研工作。E-mail：mayanlin_sw@cnpc.com.cn

TE931

A

2096-0077(2016)04-0025-05

2016-03-09編輯：屈憶欣)