HST特殊螺纹油套管力学与密封性能有限元分析

王 领, 袁 浩, 张文星, 王莹莹, 林泽庆, 杨红飞

(1.中海油能源发展装备技术有限公司加工制造分公司, 天津 300452;2. 中海油能源发展股份有限公司工程技术公司, 天津 300452;3. 中国石油大学(北京) 安全与海洋工程学院, 北京 102249)

0 引 言

在油田开发过程中，石油油套管是一种重要的钻采器材[1]。随着油气钻采作业向更深、更高压力和温度、更苛刻井况条件的方向发展以及石油钻采工艺技术自身的进步，油套管常用的API 圆螺纹、偏梯形螺纹接头已难以满足油气田勘探开发的要求[2]。因此，各油套管生产厂商相继研发连接强度高、气密封性能优异的特殊螺纹油套管。不同的油气片区有不同的油套管接头要求，在不考虑材质与钢级前提下，表1列举不同接头要求下常见油气井特殊井况的解决方案。

表1 常见油气井井况与接头解决方案

针对油套管接头，许多学者进行了研究。李淑涛等[3]和刘源等[4]针对大斜度井和水平井，研究一种高抗扭矩套管螺纹来完成套管下入工作。蔄靖宇等[5]研究API圆螺纹套管接头在上扣拧紧时，拧紧圈数和密封面初始间隙对密封面上挤压力、螺纹轴向力和轴向累计弹性变形量的影响规律。张颖等[6]建立等锥面和非等锥面密封结构模型，研究发现，非等锥面密封结构可有效改善特殊螺纹密封面上接触不协调现象。王建东等[7]开展A系包络线载荷试验并基于试验进行有限元模拟。张颖[8]通过试验探究油套管材料的蠕变行为，建立特殊螺纹主密封面接触应力的力学模型和数学模型。张垂贵等[9]提出一种特殊螺纹油套管，并通过试验及有限元模拟，验证其适用性。胡志立等[10]通过试验研究特殊螺纹油套管一端上扣对另一端接箍密封参数的影响。沈国华等[11]基于虚位移原理，建立气密特殊螺纹接头的连接控制方程，通过有限元模型分析复杂工况下的力学响应特性。秦双双等[12]通过正交优化试验进行油套管接头密封性能灵敏度分析。

螺纹连接处是油套管连接中最薄弱的环节，油套管失效事故60% 以上发生在螺纹连接部位[13]，而泄漏也往往发生在此处。目前，所开采的井况多为油气混合，且气体比液体更易发生泄漏，一旦泄漏，开采成本将会大幅增加，造成难以估量的损失。现有研究针对特殊螺纹油套管密封性能大多关注密封面的作用，而忽略了扭矩台肩对密封的贡献。现有分析大多没有考虑材料的塑性形变对油套管强度及密封性能的影响。本文考虑油管接头局部塑性形变对强度和密封性能的影响，通过有限元结果分析不同密封面过盈量对油管接头的影响。

1 HST特殊螺纹油套管模型建立

HST特殊螺纹油套管(简称“HST管”)结构主要包括3部分：螺纹连接、金属密封和扭矩台肩，如图1所示。HST管的接头管体和接箍具体结构参数如表2所示。

图1 HST管结构

表2 接头参数

HST管的仿真分析属于复杂的非线性接触问题，分析步骤复杂且工作量大，耗费时间长。采用二维轴对称模型进行有限元分析可有效避免上述问题。

所做分析为机紧工况和拉伸工况下的应力分布、强度影响趋势、密封性能分析。通过改变管体密封面过盈量，研究接头应力变化趋势及密封性能。

油管材料选用N80Q(低合金钢)，材料属性[14]如表3所示。

表3 N80Q材料属性

2 HST管接头连接性能

2.1 机紧工况下接头连接性能

为了便于数据处理，对HST管螺纹牙进行编号，靠近油套管密封面和扭矩台肩的螺纹编号为1，接箍共标记17个螺纹牙，管体共标记16个螺纹牙，具体螺纹标号如图2所示。

图2 HST管螺纹标号

选取密封面过盈量为0.05 mm，HST管接箍及管体螺纹的应力分布如图3所示。

图3 密封面过盈量为0.05 mm时HST管应力分布曲线

由图3可知，接箍螺纹牙1因接头设计原因并未与管体螺纹牙啮合，应力较小。螺纹牙2～14应力逐渐减小，螺纹牙2～5应力下降幅度较大，这是由油套管在上扣过程中密封面和扭矩台肩的干涉所造成的：一开始，螺纹过盈量较小时，只有螺纹干涉，应力分布均匀，随着过盈量进一步加大，管体接箍的密封面和扭矩台肩发生接触挤压，导致螺纹牙从近端产生接触挤压力，靠近密封面和扭矩台肩的前5个螺纹牙变化较为明显，随着螺纹牙数与密封和扭矩台肩面距离的增加，挤压作用逐渐减弱，螺纹牙应力缓慢减小。

在机紧工况下，当密封面过盈量为0.05～0.10 mm时，HST管螺纹、密封面及扭矩台肩的应力分布如图4所示。

图4 密封面过盈量为0.05～0.10 mm时HST管接头应力分布曲线

由图4可知，HST管接头螺纹牙、密封面及扭矩台肩应力随着管体密封面过盈量的增加而增大，不同过盈量下应力变化总体趋势不变。当密封面过盈量为0.09 mm时，接箍螺纹牙2最大应力为550. 32 MPa，管体螺纹牙1最大应力为430.56 MPa，均未超过N80Q材料屈服极限552 MPa。当密封面过盈量为0.10 mm时，接箍螺纹牙2最大应力为604.28 MPa，超过了N80Q材料的屈服极限，存在发生塑性变形的风险，而管体螺纹牙1最大应力为499. 71 MPa，未超过N80Q材料屈服极限。

由于管体扭矩台肩长度小于接箍扭矩台肩长度，接箍扭矩台肩结点1～结点20应力接近0 MPa，变化幅度较小。结点21～结点34应力迅速增大，结点31处应力最大。当密封面过盈量为0.10 mm时，结点31处应力为654.20 MPa，超过N80Q材料的屈服极限，局部点位存在发生塑性变形的风险。扭矩台肩与密封面过渡圆角处应力较小，由于管体过渡圆角直径大于接箍过渡圆角直径，在机紧工况下，并未发生接触。在不同过盈量下，接箍和管体密封面与螺纹牙过渡处(接箍结点51和结点52，管体结点34)应力集中明显，容易发生塑性形变。

由于当密封过盈量为0.10 mm时，管体和接箍多个结点应力超过N80Q材料屈服极限，接头连接性能降低，因此推荐密封面最大过盈量为0.09 mm。

2.2 拉伸工况下接头连接性能

HST管接头在井下受到油套管自身重量即轴向载荷的作用如图5所示。轴向拉力模拟井下2 000 m 管子自重，管体相关参数如表4所示。

图5 HST管接头拉伸工况受力分析

表4 管体参数

根据管体相关材料与几何参数，可计算出轴向力大小，轴向拉力F[15]为

F=ρshg

(1)

计算可得轴向拉力F=1.39×105N。

在拉伸工况下，分析密封面过盈量为0.05～0.10 mm时，油套管管体受到轴向拉力F时螺纹应力分布情况，如图6所示。

图6 HST管接头拉伸工况应力分布曲线

由图6可知，在拉伸载荷作用下，接箍和管体螺纹应力变化并不是呈总体下降趋势，接箍和管体螺纹牙均在螺纹连接尾部出现应力升高，发生翘尾现象。管体螺纹应力较接箍更为明显。螺纹牙最大应力与机紧工况相比增大，发生塑性形变的螺纹牙增多。在拉伸工况下，管体螺纹和接箍螺纹最大应力均大于机紧工况下螺纹最大应力。其中，接箍螺纹牙2应力最大。当密封面过盈量为0.07～0.10 mm 时，接箍和管体螺纹牙2应力均大于N80Q材料屈服极限552 MPa。在拉伸工况下，管体螺纹牙15应力接近N80Q材料屈服极限。改变密封面过盈量大小，管体螺纹牙12～16应力变化不明显，表明管体螺纹牙12～16主要承受拉伸载荷影响。

管体承受拉伸载荷，接箍及管体密封面和螺纹连接处结点应力进一步增大，发生局部塑性变形部位增多。接头连接性能降低。

图7为当密封面过盈量为0.05 mm时，管体螺纹牙应力变化情况。由图7可知，管体螺纹牙编号6～15在机紧工况下应力逐渐下降，而在拉伸工况下螺纹应力逐渐升高，可见管体在轴向拉伸载荷作用下，管体螺纹6～15主要承担拉伸载荷，管体螺纹1～5应力值较机紧工况应力增加，总体趋势不变。综上所述，在拉伸工况下，HST管接头应力增大，应力分布发生变化，接头连接性能降低。

图7 不同工况下管体螺纹应力变化曲线

3 HST管接头密封性能

3.1 机紧工况接头密封性能

机紧工况下，不同密封面过盈量下扭矩台肩和密封面接触压力如图8所示。

图8 机紧工况下扭矩台肩与密封面接触压力变化曲线

由图8可知，管体扭矩台肩接触压力靠近圆角处，接触压力增大。管体扭矩台肩结点编号1～7的接触压力为0 MPa，与接箍无接触，且未接触结点数量不随过盈量的变化而变化。过渡圆角处接触压力为0 MPa，管体圆角与接箍圆角没有发生接触。当密封面接触压力远离过渡圆角时数值增大，密封能力增强。密封面过盈量增大，扭矩台肩和密封面接触压力也随之增大，密封能力增强。

3.2 拉伸工况接头密封性能

管体承受拉伸载荷，不同密封面过盈量下扭矩台肩和密封面接触压力如图9所示。

图9 拉伸工况下密封面许用应力与轴向过盈量关系曲线

由图9可知，在拉伸工况下，管体扭矩台肩接触压力靠近圆角处时压力增大。管体扭矩台肩结点编号1～11接触压力为0 MPa，与接箍无接触。与机紧工况相比，未接触结点增多。管体密封面接触压力变化与机紧工况相似，但结点处接触压力减小，变化幅度增加。

图10为密封面过盈量为0.05 mm时，机紧工况与拉伸工况管体端部接触压力变化情况。

图10 不同工况下密封面接触压力曲线

由图10可知，在拉伸工况下，管体扭矩台肩与密封面同一结点接触压力均不大于机紧工况下结点压力。扭矩台肩结点8～12，密封面结点21～25由于轴向拉力脱离接触。由于轴向拉力的存在，油管管体有远离接箍的趋势，相互接触的结点数量、有效接触面积和接触压力减小。管体承受轴向拉力显著降低接头密封能力。

4 结 论

采用Abaqus 有限元分析软件对HST管模型进行连接性能和密封性能分析。改变密封面过盈量，研究机紧工况和拉伸工况下螺纹牙、密封面及扭矩台肩的应力分布，以及管体密封面的接触压力。得到结论如下：

(1)在机紧工况下，改变密封面过盈量，分析油套管接头螺纹牙、密封面及扭矩台肩应力变化规律，确保接头连接性能，确定密封面最大过盈量为0.09 mm。分析接头不同密封面过盈量对密封性能的影响，密封面过盈量增加，管体与接箍接触压力随之增大，密封性能增强。

(2)在拉伸工况下，模拟管体承受井下2 000 m自重的拉伸载荷，分析接头的连接性能和密封性能。管体承受轴向拉力，螺纹牙、密封面和扭矩台肩结点应力增加，管体螺纹牙编号6～15主要承受拉伸载荷，接头连接性能下降。管体与接箍接触的结点数量减少，接触压力减小，密封性能也随之降低。