磨損對套管特殊螺紋強(qiáng)度及密封性能的影響

范 瑋 劉洪濤 耿海龍 曾 努 胡芳婷 孔嫦娥

(中國石油塔里木油田公司油氣工程研究院 新疆庫爾勒 841000)

套管是構(gòu)筑油氣通路，保障油氣生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一。隨著石油勘探開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，大量深井、超深井、大位移井、水平井的出現(xiàn)，使得套管柱在鉆井過程中更容易磨損。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)近86%鉆桿失效發(fā)生在螺紋連接處，且大部分失效原因是由于螺紋斷裂所引起的[1-4]。所以，計(jì)算并評估磨損對套管接頭剩余強(qiáng)度和密封性能的影響是具有積極意義的。目前，套管接頭密封性能分析主要采取實(shí)驗(yàn)與有限元法[5-7]。許志倩等[8-9]開展了錐面特殊螺紋氣密性實(shí)驗(yàn)，測試各種因素對氣密封性能的影響。張穎等人[10]針對特殊螺紋密封性能開展數(shù)值模擬評價研究，并提出優(yōu)化特殊螺紋氣密封結(jié)構(gòu)的方法。陳波和林春花[11]通過改變API螺紋臺階面結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)API螺紋的抗扭性能。周先軍等[12]對2種氣密封螺紋接頭在上扣、拉伸載荷及彎曲載荷3種工況下的聯(lián)接及密封性能進(jìn)行了研究，并對2種扣型的性能進(jìn)行了對比分析。BRADLEY、CARCAGNO等[13-14]詳細(xì)介紹了高溫高壓酸性氣井中，特殊螺紋扣氣密封的設(shè)計(jì)和檢測方法，并指出螺紋接頭密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮密封面的耐磨性，且接觸壓力的分布必須滿足密封要求。

現(xiàn)有特殊螺紋的研究主要集中在完整特殊螺紋的密封性能分析，對磨損后的高級鋼特殊螺紋探討較少。為此，本文作者建立了不同磨損深度條件下套管特殊螺紋接頭的二維軸對稱模型，通過有限元分析研究了磨損深度對套管螺紋接頭力學(xué)性能、螺紋連接強(qiáng)度和密封性能的影響，對減少和防止套管螺紋接頭失效具有重要的工程價值。

1 有限元模型建立

1.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型為平面應(yīng)變問題。若采用位移法求解，應(yīng)力可表示為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：σx、σy、σz分別為X、Y、Z方向的應(yīng)力；τxy為XY平面處的剪應(yīng)力；α為線膨脹系數(shù)；T是溫度；Φ為位移勢能；φ是Airy函數(shù)。

過盈螺紋連接的應(yīng)力計(jì)算基于拉梅應(yīng)力公式和擬合圓柱理論。拉梅方程需要在極坐標(biāo)系中求解，最終得到在內(nèi)外壓力共同作用下套管螺紋接頭的彈性應(yīng)力和位移的解為

(5)

(6)

τrθ=τθr=0

(7)

(8)

v=0

(9)

式中：σr為徑向應(yīng)力；σθ為周向應(yīng)力；τrθ為剪應(yīng)力；u為徑向位移；v是圓周位移；a和b分別是內(nèi)徑和外徑；pi和po分別是內(nèi)壓和外壓。

1.2 幾何模型及網(wǎng)格特征

模擬磨損后套管螺紋接頭剩余強(qiáng)度，建立了TPCQ套管螺紋的有限元模型，如圖1所示。選取鋼級為140V，尺寸為φ177.8 mm×10.36 mm的TPCQ氣密性扣進(jìn)行力學(xué)分析。140V材料的名義屈服強(qiáng)度是965 MPa，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。

圖1 TPCQ扣有限元模型

根據(jù)套管螺紋結(jié)構(gòu)與受力特征，簡化及假設(shè)如下：

(1)考慮接頭兩側(cè)的對稱性，取接頭1/2建立模型；

(2)為消除邊界效應(yīng)影響，管體長度大于管端至螺紋消失點(diǎn)長度的2倍；

(3)接頭材料視為各向同性。

采取節(jié)點(diǎn)耦合的方式對螺紋端面施加載荷邊界條件。設(shè)置螺紋部分的網(wǎng)格密度為0.05，密封面的網(wǎng)格密度為0.02。對螺紋和臺肩密封面施加一定量的干涉約束，模擬螺紋上扣過程。對于TPCQ氣密扣，在最佳上扣扭矩下，設(shè)套管螺紋接頭的內(nèi)壁磨損深度h分別為0、1、2、4 mm進(jìn)行仿真分析。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 考慮內(nèi)壓的磨損后強(qiáng)度分析

對于不同磨損深度的套管螺紋接頭，磨損樣貌主要為均勻型。比較分析TPCQ扣在內(nèi)壓為100 MPa(即管體的抗內(nèi)壓強(qiáng)度)、4種不同磨損深度作用下螺紋的Mises應(yīng)力分布，結(jié)果如圖2所示?？梢?，隨著磨損深度的增加，Mises應(yīng)力在內(nèi)壓的作用下增大。當(dāng)磨損深度從0增加到4 mm時，最大應(yīng)力從622.63 MPa增加到889.42 MPa，增加幅度為42.8%。這一結(jié)果表明磨損深度的增加會導(dǎo)致套管螺紋接頭的抗內(nèi)壓能力降低。

圖2 不同磨損深度時內(nèi)壓100 MPa下的Mises應(yīng)力

在最佳上扣扭矩，內(nèi)壓100 MPa作用下，沿螺紋路徑等效應(yīng)力分布如圖3所示。隨著磨損深度的增加，內(nèi)壓作用下螺紋牙接觸面的等效應(yīng)力增大。第一扣、最后一扣和臺肩上等效應(yīng)力較大，失效風(fēng)險較高。磨損會降低套管螺紋接頭的壁厚，在相同的內(nèi)壓下導(dǎo)致更大的應(yīng)力。因此，磨損深度對套管螺紋接頭磨損剩余強(qiáng)度影響較大。

圖3 不同磨損深度時內(nèi)壓100 MPa下的Mises應(yīng)力分布

2.2 考慮外壓的磨損后強(qiáng)度分析

TPCQ扣在外壓為85 MPa(即管體的抗外擠強(qiáng)度)，4種不同磨損深度下的螺紋等效應(yīng)力如圖4所示。隨著磨損深度的增加，Mises應(yīng)力在外壓作用下增大。當(dāng)磨損深度從0增加到4 mm時，最大應(yīng)力從766.27 MPa增加到790.15 MPa。當(dāng)磨損深度從0增加到4 mm時，平均等效應(yīng)力從358.01 MPa增加到450.38 MPa，增加幅度為25.8%。這一結(jié)果表明磨損深度的增加會導(dǎo)致套管螺紋接頭的抗外擠能力降低。

在最佳上扣扭矩，外壓85 MPa作用下，沿螺紋路徑的等效應(yīng)力分布如圖5所示。隨著磨損深度的增加，外壓作用下螺紋牙接觸面的等效應(yīng)力增大，螺紋扣所受應(yīng)力增加，且臺肩密封面上等效應(yīng)力較大，失效風(fēng)險較高。磨損會降低套管螺紋接頭的壁厚，在相同的外壓下會導(dǎo)致更大的應(yīng)力。

圖5 不同磨損深度時外壓85 MPa下的Mises應(yīng)力分布

2.3 磨損后螺紋接頭剩余強(qiáng)度分析

在內(nèi)壓、外壓和軸向拉力作用下，磨損后螺紋的平均應(yīng)力及峰值應(yīng)力均有所升高。以磨損后螺紋的平均應(yīng)力升高比例來衡量螺紋的承載能力下降幅度，得到了不同磨損深度下TPCQ螺紋的承載能力下降幅度，如圖6所示。當(dāng)磨損深度為1 mm時，抗內(nèi)壓強(qiáng)度、抗外擠強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別下降5.7%、6.2%和4.2%；當(dāng)磨損深度達(dá)到2 mm時，抗內(nèi)壓強(qiáng)度、抗外擠強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別下降10.9%、12.1%和9.9%；當(dāng)磨損深度達(dá)到4 mm時，抗內(nèi)壓強(qiáng)度、抗外擠強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別下降22.9%、26.1%和18.2%。

圖6 TPCQ螺紋承載能力下降比例

基于文中提出的方法和結(jié)果，可以量化套管螺紋接頭的剩余強(qiáng)度，為套管剩余強(qiáng)度評估和套管強(qiáng)度校核提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。

3 密封性能分析

根據(jù)密封接觸機(jī)制，阻止流體通過金屬對金屬密封結(jié)構(gòu)的流動阻力，可由密封接觸壓力在有效密封長度上的積分值來表示，密封性能參數(shù)Wa[15]定義為

(10)

特殊螺紋接頭臨界密封指數(shù)Wac為

(11)

式中：Wa為氣密封指數(shù)，mm·MPa1.4；Les為有效密封線長度，mm；pc為密封面法向接觸壓力，MPa；pa為大氣壓力，MPa；pg為所需密封壓力，MPa；Wac為臨界氣密封指數(shù)，mm·MPa1.4。

通過密封性能參數(shù)Wa和特殊螺紋接頭臨界密封指數(shù)Wac對比來判斷密封性能。當(dāng)WaWac時安全。特殊螺紋臨界密封曲線如圖7所示。

圖7 特殊螺紋臨界密封曲線

密封性能參數(shù)越高則螺紋泄漏風(fēng)險越低，密封性越好。內(nèi)壓100 MPa、外壓85 MPa下密封性能隨磨損深度的變化如表1所示。磨損量較小時，密封性能參數(shù)Wa變化不大，當(dāng)磨損量達(dá)到4 mm時，密封性能參數(shù)迅速降低，螺紋的密封性能下降。這是因?yàn)?，?nèi)壓為100 MPa時，當(dāng)磨損深度從0增加到2 mm時，接觸壓力增加較為明顯，且螺紋接頭部分磨損后間隙較小，有效密封線長度變化較小，所以密封性能略微增加。當(dāng)磨損深度繼續(xù)增加到4 mm時，由于磨損過度，螺紋接頭連接部分間隙增大，有效密封線長度減少，密封性能減弱，Wa值減小。當(dāng)磨損深度達(dá)到4 mm時，在內(nèi)壓100 MPa和外壓85 MPa工況下，密封性能參數(shù)Wa小于臨界密封性指數(shù)Wac，在此工況下螺紋密封有泄漏風(fēng)險。

表1 密封性能變化

4 結(jié)論

對TPCQ氣密封扣進(jìn)行有限元分析，利用軸對稱模型，建立TPCQ二維軸對稱模型，得到結(jié)論如下：

(1)在內(nèi)壓和外壓的作用下，最大應(yīng)力和平均應(yīng)力隨著套管磨損深度的增加而增加。

(2)以磨損后TPCQ螺紋的平均應(yīng)力升高比例來衡量螺紋的承載能力下降幅度，當(dāng)磨損深度達(dá)到4 mm時，抗內(nèi)壓強(qiáng)度、抗外擠強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別下降22.9%、26.1%和18.2%。

(3)通過密封性能參數(shù)和特殊螺紋接頭臨界密封指數(shù)對比來判斷密封性能，當(dāng)磨損深度達(dá)到4 mm時，密封性能參數(shù)小于臨界密封性指數(shù)，在此工況下螺紋密封有泄漏風(fēng)險。