新疆瑪湖地區(qū)致密油水平井套管螺紋扣型優(yōu)選

舒博釗，趙文龍，王 航，黃永智，張 智，祝效華

（1.中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000；2.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，陜西西安710077；3.天津鋼管制造有限公司，天津300301；4.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都610500）

新疆瑪湖地區(qū)致密油采用水平井開發(fā)[1]，下套管遇阻后上提-下放作業(yè)頻繁，導(dǎo)致套管螺紋接頭常常發(fā)生斷裂失效，成為制約該地區(qū)鉆采工程效益的主要因素之一。目前，新疆瑪湖地區(qū)致密油水平井采用的套管螺紋主要為API-LC長圓扣型，其連接強(qiáng)度一般只有管體的70%左右，是套管柱中最薄弱的環(huán)節(jié)，現(xiàn)場80%的套管失效發(fā)生在套管螺紋接頭處[2-3]，表明該扣型套管螺紋接頭已不能滿足致密油水平井的下套管作業(yè)需求。近些年，天津鋼管制造有限公司開發(fā)的耐蝕合金TP-G2特殊扣型套管接頭具有良好的連接強(qiáng)度、密封性能和抗腐蝕性能，并在中國石化西北油田成功應(yīng)用。

針對套管螺紋接頭的安全問題，國內(nèi)外學(xué)者對套管螺紋接頭的力學(xué)特性開展了大量研究，并建立了一些較為合理的預(yù)測模型[4-7]。其中，大部分學(xué)者采用二維軸對稱模型研究套管螺紋接頭[8-11]，還有部分學(xué)者采用三維力學(xué)模型[12-15]，但主要集中于套管螺紋接頭的靜力學(xué)特性分析，未研究水平井下套管作業(yè)過程中套管螺紋接頭的斷裂失效問題。

為了解決新疆瑪湖地區(qū)致密油水平井下套管作業(yè)中套管螺紋接頭易發(fā)生斷裂失效的問題，筆者采用有限元法[16-18]，建立了套管螺紋接頭的有限元模型，通過數(shù)值模擬和全尺寸套管實(shí)物試驗(yàn)，對比分析了下套管作業(yè)上提-下放過程中API-LC長圓扣型和TP-G2特殊扣型套管螺紋接頭的連接強(qiáng)度和疲勞壽命，優(yōu)選了套管螺紋接頭扣型，為套管螺紋接頭的合理選取和安全使用提供了理論依據(jù)。

1 套管螺紋接頭有限元計(jì)算模型

1.1 套管螺紋接頭網(wǎng)格單元模型

以φ127.0 mm×11.1 mm API-LC和TP-G2套管螺紋接頭為對象，基于ABAQUS/Explicit顯式動力學(xué)分析方法，建立2種套管螺紋接頭的有限元計(jì)算模型。套管螺紋接頭的鋼級為P110，屈服強(qiáng)度為825.6 MPa，抗拉強(qiáng)度為914.7 MPa，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.28。套管接頭螺紋嚙合面間的摩擦系數(shù)一般為0.015～0.025[19]，數(shù)值計(jì)算時(shí)摩擦系數(shù)取0.02。

根據(jù)套管螺紋接頭的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，對模型作如下假設(shè)：1）套管螺紋接頭為各向同性、連續(xù)的均質(zhì)體；2）套管螺紋接頭為理想彈塑性模型。采用C3D8I六面體單元，對套管螺紋接頭進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐郑ㄒ妶D1）。

圖1 套管螺紋接頭網(wǎng)格單元模型Fig.1 Grid cell model of casing thread joints

模型邊界條件為：1）在套管螺紋非螺紋端面中心建立一個(gè)參考點(diǎn)RP-1，將其與套管端面耦合，在該點(diǎn)施加緊扣扭矩和軸向載荷；2）在接箍非螺紋端面中心建立一個(gè)參考點(diǎn)RP-2，將其與接箍端面耦合，在該點(diǎn)施加固支邊界條件；3）考慮可能存在的幾何非線性和接觸非線性的影響，計(jì)算時(shí)將幾何非線性開關(guān)設(shè)為“on”，并采用罰函數(shù)法定義庫倫摩擦形式的接觸條件。

1.2 有限元計(jì)算模型驗(yàn)證

為了確保計(jì)算結(jié)果的可靠性，首先對建立的API-LC套管螺紋接頭模型施加9.097 kN·m的上扣扭矩和3 182 kN的軸向拉伸載荷，然后進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，拉伸至螺紋滑脫失效時(shí)的最大Mises應(yīng)力為903.8 MPa，小于材料抗拉強(qiáng)度914.7 MPa，說明API-LC套管螺紋接頭的拉伸失效表現(xiàn)為滑脫失效，不會發(fā)生強(qiáng)度失效；拉伸至螺紋滑脫失效時(shí)的軸向拉力為3 182 kN，說明通過有限元計(jì)算的API-LC套管螺紋接頭連接強(qiáng)度為3 182 kN。另外，全尺寸套管實(shí)物試驗(yàn)測得API-LC套管螺紋接頭連接強(qiáng)度為3 280 kN，表現(xiàn)為螺紋處的拉伸滑脫失效。有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均表現(xiàn)為螺紋處的拉伸滑脫，且二者的連接強(qiáng)度相對誤差僅為3.0%，表明建立的套管螺紋接頭有限元模型具有較高的計(jì)算精度。

圖2 API-LC套管螺紋接頭拉伸至失效時(shí)的應(yīng)力云圖Fig.2 Stress distribution of API-LC casing thread joint stretched to failure

2 套管螺紋接頭連接性能分析

2.1 上提作業(yè)

根據(jù)瑪湖地區(qū)多口井下套管作業(yè)時(shí)的大鉤負(fù)荷曲線，確定上提作業(yè)時(shí)的極限拉力不大于2 500 kN。套管螺紋接頭的數(shù)值模擬和全尺寸套管實(shí)物試驗(yàn)均采用瑪湖地區(qū)多口井統(tǒng)計(jì)確定的上提最大拉力2 500 kN進(jìn)行計(jì)算和分析。對緊扣后的API-LC和TP-G2套管螺紋接頭（緊扣扭矩分別為9.097和15.415 kN·m）分別施加2 500 kN的上提拉力，進(jìn)行應(yīng)力場計(jì)算，對比分析2種套管螺紋接頭在相同上提拉力工況下的連接強(qiáng)度。

圖3 為API-LC和TP-G2套管螺紋接頭在緊扣扭矩+上提拉力作用下的應(yīng)力場分布云圖。從圖3可以看出，在緊扣扭矩+上提拉力作用下，2種套管螺紋接頭的應(yīng)力分布不均勻，大端和小端螺紋牙根部位出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中區(qū)域是套管螺紋接頭發(fā)生早期失效的主要區(qū)域。在相同上提拉力作用下，API-LC套管螺紋接頭的峰值應(yīng)力達(dá)到861.3 MPa，超過材料屈服強(qiáng)度，發(fā)生一定的塑性變形；TP-G2套管螺紋接頭的峰值應(yīng)力為822.7 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度，未發(fā)生塑性變形。計(jì)算結(jié)果表明：在相同上提拉力作用下，TP-G2套管螺紋接頭的峰值應(yīng)力比API-LC套管螺紋接頭降低4.5%；上提作業(yè)時(shí)，采用TP-G2套管螺紋接頭相比API-LC套管螺紋接頭能夠更好地滿足現(xiàn)場安全使用要求。

圖3 上提拉力作用下套管螺紋接頭應(yīng)力云圖Fig.3 Stress distribution of the casing thread joint under tension

從圖3提取套管螺紋接頭外螺紋和內(nèi)螺紋牙根處的應(yīng)力，繪制緊扣扭矩+上提拉力作用下套管螺紋接頭外螺紋和內(nèi)螺紋牙根處的應(yīng)力分布曲線，結(jié)果見圖4和圖5（圖中的螺紋牙序號從大端（右端）第一個(gè)有效嚙合螺紋牙依次為1，2，3……）。從圖4可以看出，在緊扣扭矩+上提拉力作用下，API-LC接頭外螺紋牙根處的應(yīng)力分布呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，前2牙的應(yīng)力水平較高，承受了大部分載荷；TP-G2接頭外螺紋牙根處的應(yīng)力分布呈“馬鞍形”，即兩端應(yīng)力水平高、中間應(yīng)力水平低，兩端承受了大部分載荷。由此說明，API-LC接頭最易失效的位置是螺紋大端前2個(gè)有效嚙合螺紋牙根處的危險(xiǎn)截面；TP-G2接頭最易失效的位置是螺紋兩端有效嚙合螺紋牙根處的危險(xiǎn)截面。從圖5可以看出，在緊扣扭矩+上提拉力作用下，2種套管螺紋接頭內(nèi)螺紋牙根處的應(yīng)力分布均呈“馬鞍形”，即內(nèi)螺紋兩端應(yīng)力水平較高、中間應(yīng)力水平較低，內(nèi)螺紋的兩端承受了大部分載荷，內(nèi)螺紋最易發(fā)生失效的位置是兩端有效嚙合螺紋牙根處的截面。在相同上提拉力作用下，與API-LC套管螺紋接頭相比，TP-G2套管螺紋接頭的總體應(yīng)力水平更低、應(yīng)力分布更為合理，能夠更好地滿足現(xiàn)場安全作業(yè)要求。

圖4 上提拉力下接頭外螺紋牙根處的應(yīng)力分布曲線Fig.4 Stress distribution curve of the external thread root under tension

圖5 上提拉力下接頭內(nèi)螺紋牙根處的應(yīng)力分布曲線Fig.5 Stress distribution curve of inner thread root under tension

2.2 下放作業(yè)

根據(jù)井壁摩阻、井眼“緊點(diǎn)”摩阻、套管柱局部重量和大鉤重量，下放壓力取1 372.5 kN，基于上提-下放作業(yè)的力學(xué)模型數(shù)值模擬結(jié)果和室內(nèi)全尺寸套管試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，確定套管下放時(shí)的沖擊壓力不大于1 372.5 kN。對緊扣后的API-LC和TP-G2套管螺紋接頭（緊扣扭矩分別為9.097和15.415 kN·m）分別施加1 372.5 kN的下放壓力，計(jì)算其應(yīng)力分布，對比分析2種套管螺紋接頭在相同下放壓力下的連接強(qiáng)度。

2種套管螺紋接頭在緊扣扭矩+下放壓力作用下的應(yīng)力分布云圖如圖6所示。從圖6可以看出，在緊扣扭矩+下放壓力作用下，2種套管螺紋接頭的應(yīng)力場分布不均勻，螺紋牙根部位出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，這些應(yīng)力集中區(qū)域是套管螺紋接頭發(fā)生早期失效的主要區(qū)域。在相同下放壓力作用下，API-LC套管螺紋接頭的峰值應(yīng)力為619.9 MPa，TP-G2套管螺紋接頭的峰值應(yīng)力為529.1 MPa。計(jì)算結(jié)果表明：2種套管螺紋接頭的峰值應(yīng)力均位于外螺紋的嚙合螺紋牙根部位，且峰值應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度，不會發(fā)生強(qiáng)度失效；在相同下放壓力作用下，與API-LC套管螺紋接頭相比，TP-G2套管螺紋接頭的峰值應(yīng)力降低14.6%。研究表明，現(xiàn)場套管下放作業(yè)過程中，與API-LC套管螺紋接頭相比，TP-G2套管螺紋接頭能更好地滿足現(xiàn)場安全使用要求。

圖6 下放壓力作用下套管螺紋接頭應(yīng)力云圖Fig.6 Stress distribution of the casing thread joint under compression

從圖6提取套管螺紋接頭外螺紋和內(nèi)螺紋牙根處的應(yīng)力，繪制緊扣扭矩+下放壓力作用下套管螺紋接頭外螺紋和內(nèi)螺紋牙根處的應(yīng)力分布曲線（見圖7和圖8，圖中的螺紋牙序號從大端（右端）第一個(gè)有效嚙合螺紋牙依次為1，2，3……）。

圖7 下放壓力下接頭外螺紋牙根處的應(yīng)力分布曲線Fig.7 Stress distribution curve of the external thread root under compression

圖8 下放壓力下接頭內(nèi)螺紋牙根處的應(yīng)力分布曲線Fig.8 Stress distribution curve of inner thread root under compression

從圖7可以看出，在緊扣扭矩+下放壓力作用下，API-LC接頭和TP-G2接頭外螺紋牙根處的應(yīng)力分布呈“馬鞍形”，即具有兩端應(yīng)力大、中間應(yīng)力小的特點(diǎn)，前2牙和最后1牙的應(yīng)力水平較高，承受了大部分載荷。在下放壓力作用下，API-LC接頭和TP-G2接頭外螺紋最易失效的位置是兩端有效嚙合螺紋牙根處的危險(xiǎn)截面。從圖8可以看出，在緊扣扭矩+下放壓力作用下，API-LC接頭內(nèi)螺紋牙根處的應(yīng)力分布呈“馬鞍形”，即內(nèi)螺紋兩端應(yīng)力水平較高、中間應(yīng)力水平較低；內(nèi)螺紋的峰值應(yīng)力位于最后1牙，該位置為API-LC接頭內(nèi)螺紋的危險(xiǎn)位置；TP-G2接頭內(nèi)螺紋牙根處的應(yīng)力分布呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，內(nèi)螺紋牙根的峰值應(yīng)力位于第1個(gè)有效嚙合螺紋牙根處，該位置是TP-G2接頭內(nèi)箍螺紋發(fā)生失效的主要位置。計(jì)算結(jié)果表明：在相同下放壓力作用下，與API-LC套管螺紋接頭相比，TP-G2套管螺紋接頭的峰值應(yīng)力水平相對更低，且分布更為合理，能夠更好地滿足現(xiàn)場安全作業(yè)的要求。

3 套管螺紋接頭抗疲勞性能分析

為了對比上提-下放作業(yè)時(shí)2種套管螺紋接頭的抗疲勞性能，將2.1節(jié)中2種套管螺紋接頭的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Fe-safe，添加材料特性和循環(huán)載荷（見圖9），表面粗糙度Ra取6.3μm，殘余應(yīng)力設(shè)為0，S-N曲線比例系數(shù)取1.0，計(jì)算2種套管螺紋接頭在拉-壓循環(huán)載荷下的疲勞壽命，結(jié)果如圖10所示。

圖9 拉-壓循環(huán)載荷Fig.9 Cyclic load of tension and compression

圖10 拉-壓循環(huán)載荷作用下套管螺紋接頭疲勞壽命云圖Fig.10 Fatigue life of the casing thread joint under cyclictensile-compressiveloads

從圖10可以看出，在給定的拉-壓循環(huán)載荷作用下，API-LC套管螺紋接頭的疲勞壽命為149.6次（102.175次），TP-G2套管螺紋接頭的疲勞壽命為1 037.5次（103.016次），TP-G2套管螺紋接頭的疲勞壽命約為API-LC套管螺紋接頭疲勞壽命的6.9倍。另外，全尺寸套管實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果表明，API-LC套管螺紋接頭經(jīng)過134.5次拉-壓循環(huán)后接頭螺紋發(fā)生疲勞斷裂；TP-G2套管螺紋接頭經(jīng)過500次拉-壓循環(huán)后接頭螺紋結(jié)構(gòu)仍保持較好的完整性，表現(xiàn)出良好的抗低周疲勞能力。全尺寸套管實(shí)物試驗(yàn)和數(shù)值模擬測得的API-LC套管螺紋接頭疲勞壽命分別為134.5次和149.6次，二者之間的誤差為11.2%，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的可靠性。

以上研究表明，新疆瑪湖致密油水平井下套管作業(yè)過程中采用TP-G2套管螺紋接頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)的API-LC套管螺紋接頭，能夠更好地滿足現(xiàn)場下套管作業(yè)技術(shù)需求，提高作業(yè)效率。

4 結(jié)論與建議

1）瑪湖區(qū)塊的整裝礫巖致密油氣藏埋深大、地質(zhì)條件復(fù)雜，在該區(qū)塊致密油水平井的下套管作業(yè)中套管遇阻頻繁，需要頻繁地進(jìn)行上提-下放作業(yè)，導(dǎo)致套管螺紋接頭常常發(fā)生斷裂失效，給下套管作業(yè)帶來了極大的挑戰(zhàn)。

2）針對瑪湖區(qū)塊致密油水平井下套管作業(yè)中套管螺紋接頭易發(fā)生斷裂失效的問題，通過數(shù)值模擬和全尺寸套管實(shí)物試驗(yàn)，從常規(guī)API-LC長圓扣型和TP-G2特殊扣型套管螺紋接頭中優(yōu)選出了更符合該區(qū)塊的套管螺紋扣型，形成了瑪湖區(qū)塊致密油水平井套管螺紋扣型優(yōu)選技術(shù)。

3）試驗(yàn)結(jié)果表明，TP-G2特殊扣型套管螺紋接頭的連接性能和抗疲勞性能優(yōu)于API-LC長圓扣型套管螺紋接頭，建議瑪湖區(qū)塊致密油水平井使用TP-G2特殊扣型套管螺紋接頭，以更好地滿足該區(qū)塊的下套管作業(yè)技術(shù)需求，提高作業(yè)效率。