热采井用套管接头特殊螺纹的有限元分析

陈 涛，乔 石，郭 强，梅 丽，姚 迪

（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）

蒸汽辅助重力泄油（Steam Assisted Gravity Drainage），是一种将蒸汽从位于油藏底部附近的水平生产井上方的直井或水平井注入油藏，加热后的原油和蒸汽冷凝液从油藏底部的水平井产出的采油方法［1］；具有采油能力和油汽比高，最终采收率好，以及降低井间干扰，避免过早井间窜通的优点。蒸汽辅助重力泄油技术对油套管接头的密封性能有很高的要求，必须使用特殊螺纹接头［2］。关于蒸汽辅助重力泄油技术的相关试验是考验特殊螺纹接头在多次热循环及内压的作用下，当接头的材料已经应力松弛时，是否泄漏失效的试验。该试验难度比较大，大规模的实物试验需要花费大量的时间和财力。结合实物试验与理论分析，通过有限元计算的方法模拟接头在蒸汽辅助重力泄油试验下应力松弛后的密封性能能够节省大量的时间，有利于特殊螺纹接头的结构设计与优化。热采井用套管接头评价规范（Thermal Well Casing Connection Evaluation Protocol）用于评价蒸汽辅助重力泄油井用套管接头［3］。在热采井用套管接头评价规范中，对有限元分析有相应的要求。本文基于热采井用套管接头评价规范，建立蒸汽辅助重力泄油有限元分析的方法和模型，为蒸汽辅助重力泄油评价试验和特殊螺纹的开发提供辅助。

1 特殊螺纹有限元模型

普通套管接头螺纹连接依靠齿间干涉和螺纹脂密封，但在热采井高温和内压这种热力耦合的作用下，螺纹脂密封失效，在热膨胀效应的作用下，套管接头齿间干涉密封能力降低。因此，热采井必须采用特殊螺纹连接。

对特殊螺纹A 和B 进行了蒸汽辅助重力泄油的有限元分析，钢级为L80，规格为Φ244.48 mm×10.03 mm。特殊螺纹A 和B 的主要特点见表1［4-5］。

表1 特殊螺纹A 和B 的主要特点

1.1 几何模型的建立

根据热采井用套管接头评价规范的前期计算可以得到两种螺纹类型A 和B 的最不利于的过盈情况都是：螺纹高过盈（H）、密封低过盈（L）、外螺纹锥度最缓（PS：Pin Slow）、内螺纹锥度最陡（BF：Box Fast），即HL-PS/BF 情况。以下的有限元分析都是基于HL-PS/BF 过盈情况得到的。

1.2 材料性能参数

对钢铁等金属材料进行分析时，常采用Von-Mises 屈服准则［6］。Von-Mises 屈服准则可表示为：

式中 σs—— 材料的屈服点，MPa；σ1，σ2，σ3—— 主应力，MPa。

当接头上任意一点的等效应力σ 达到σs时，材料开始进入塑性状态。L80 钢级套管的部分性能实测值见表2。

表2 L80 钢级套管的部分性能实测值

计算采用弹塑性大变形的非线性有限元分析，需要输入材料的真实应力-对数应变曲线来描述材料特性。真实应力、对数应变与工程应力、工程应变之间的关系由公式（2）~（3）计算：

式中 σ、σ0—— 真实应力和名义应力，MPa；ε、ε0—— 真实应变与名义应变。

1.3 边界条件和载荷

在热采井用套管接头评价试验中，要确保外端的自由端的轴向位移为0 mm，因此在接箍中面和管端施加轴向位移约束［7-10］。

根据热采井用套管接头评价规范，螺纹连接要采用对密封面接触压力最小的扭矩，根据螺纹类型特点，螺纹类型A 和B 的最小扭矩能达到这种效果，所以有限元计算采用最小扭矩进行分析。在台肩接触后，轴向过盈0.1 mm。内外螺纹间的摩擦因数取0.02。

热采井用套管接头评价定义的服役等级有4个：ASL-240、ASL-290、ASL-325、ASL-350。ASL 是应用苛刻等级（Application Severity Level），ASL 后面的数字表示施加的温度载荷，每个等级都有对应的内压载荷，具体见表3。其中，ASL-350是最苛刻的等级，能够通过该等级试验的接头可以用于所有的蒸汽辅助重力泄油井况，所以有限元计算的是ASL-350 等级。

在有限元计算中，对管体施加内压载荷和温度载荷。根据热采井用套管接头评价规范，实物试验需要进行10 个热循环，而有限元分析只需要计算1 个热循环过程。该过程共有5 个载荷步：载荷步1 是上扣；载荷步2 是在室温下加载内压16.5 MPa；载荷步3 是保持内压载荷16.5 MPa，升温至350 ℃；载荷步4 是内压卸载到0 MPa，保持350℃；载荷步5 是温度降低到室温，无内压载荷。热采井用套管接头评价加载过程见表4，加载内压及温度变化如图1 所示。内压载荷施加到管体和接箍的内径，并且忽略扭矩台肩对密封的有利影响，对密封面施加渗透压力。施加位置在密封面与台肩过渡的倒圆角上。

表3 热采井用套管接头评价服役等级和相应的载荷

表4 热采井用套管接头评价加载过程

图1 加载内压及温度变化示意

1.4 网格的划分

螺纹类型A 和B 都采用轴对称四边形网格单元CAX4，并且对螺纹和密封处网格细化，如图2~3 所示。

图2 螺纹类型A 的网格划分及细化

2 结果分析对比

2.1 密封面接触压力对比

两个螺纹类型由于密封面的形式不同，密封面接触的位置也不同。不同载荷步时，密封面接触压力对比如图4~8 所示。

在载荷步1（螺纹连接后），螺纹类型A 的密封面接触压力峰值很高，接近800 MPa；而螺纹类型B 的接触应力分布呈较平滑的馒头形，最大接触压力650 MPa 左右。

图3 螺纹类型B 的网格划分及细化

图4 载荷步1 密封面接触压力对比

图5 载荷步2 密封面接触压力对比

图6 载荷步3 密封面接触压力对比

在载荷步2（常温内压载荷），螺纹类型A 的密封面接触长度5.5 mm，螺纹类型B 的密封面接触长度为1.6 mm，螺纹类型A 和B 的接触压力分布与螺纹连接后的分布类似。

图7 载荷步4 密封面接触压力对比

图8 载荷步5 密封面接触压力对比

在载荷步3（高温内压载荷），螺纹类型A 的密封面接触压力比载荷步2 有明显降低，螺纹类型B的接触长度和接触压力没有太大变化。

在载荷步4（高温），螺纹类型A 的密封面接触压力比载荷步3 有提高，但接触长度降低到2.6 mm，螺纹类型B 较之前的载荷步没有太大变化。

在载荷步5（常温），螺纹类型A 的密封面接触压力大幅度降低，接触长度缩短到1.2 mm；而螺纹类型B 的接触压力虽然降低了，但是接触长度变化不大。

螺纹类型A 和螺纹类型B 在不同载荷步下的密封面接触长度见表5。由表5 可知，螺纹类型A受载荷步的影响，密封面接触长度变化比较大，而螺纹类型B 在各个载荷步下的密封面接触长度比较稳定。

2.2 密封面密封性能的对比

通过密封面上的接触应力与积分强度表征接头的密封性能［11-15］。积分强度定义为密封面上接触应力对接触长度的积分，接触应力反映了接触面上对应点的应力大小，积分强度则综合体现了接触应力和接触长度的效果。积分强度S 的计算公式如下：

式中

σc—— 接触应力，MPa；

L —— 接触长度，mm。

表5 螺纹类型A 和螺纹类型B 在不同载荷步下的密封面接触长度 mm

螺纹类型A 和螺纹类型B 在不同载荷步下的密封指数对比如图9 所示，螺纹类型B 的密封指数均高于螺纹类型A。

图9 螺纹类型A 和螺纹类型B 在不同载荷步下的密封指数对比

2.3 螺纹连接后螺纹接触应力比较

通过分析螺纹的平均接触压力，可以评估螺纹处的黏结倾向。螺纹类型A 和螺纹类型B 螺纹平均接触压力比较如图10 所示。螺纹类型A 和螺纹类型B 的螺纹接触压力分布比较类似，都是第一牙啮合螺纹接触压力最大，之后的螺纹接触压力比较均匀。螺纹类型A 的螺距比螺纹类型B 的小，所以在相同的螺纹长度上，螺纹类型A 的啮合牙数比螺纹类型B 的多。螺纹类型A 为齿侧间隙，所以螺纹连接后每牙的平均螺纹接触压力比较小；而螺纹类型B 是齿侧过盈型，螺纹的两侧承受了较大的接触压力，但是都低于管体的屈服强度，所以没有螺纹黏结的危险。螺纹类型B 的齿侧过盈型在由低温到高温的过程中螺纹的齿侧还能保持接触状态，螺纹能承受较大的压载荷，分担对扭矩台肩的不利影响，保证良好的密封性能。

3 结 语

热采井用套管接头评价有限元分析考验的是高温下特殊螺纹接头的气密封能力，在高温下接头的材料会发生应力松弛，接头的密封能力会下降，所以蒸汽辅助重力泄油井必须使用特殊螺纹产品。

特殊螺纹产品的种类很多，选择两个比较有代表性的螺纹类型A 和B 进行有限元分析。分析结果表明，螺纹类型B 的密封面接触压力和接触长度受温度和压力载荷影响较小。由此可见，螺纹形式采用齿侧过盈，齿顶与齿底有间隙，密封形式采用弧对锥这种形式更适用于蒸汽辅助重力泄油井况。

图10 螺纹类型A 和螺纹类型B 螺纹平均接触压力比较

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