肖凱文，李 黔，尹 虎 （西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川成都610500）

李林濤 （中石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊830011）

一種新型膨脹管螺紋的連接可靠性分析及試驗(yàn)

肖凱文，李 黔，尹 虎 （西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川成都610500）

李林濤 （中石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊830011）

螺紋連接的問題是膨脹管技術(shù)中一個(gè)重要課題，能否保證膨脹管螺紋在膨脹前后膨脹管連接的結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性是整個(gè)膨脹作業(yè)成功與否的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)的一種新型膨脹管螺紋具有連接可靠、膨脹率高的特點(diǎn)。為確保該螺紋能安全使用，采用彈塑性有限元接觸方法建立了膨脹管螺紋可靠性分析的力學(xué)模型，對(duì)該螺紋的非線性膨脹過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了膨脹過程中螺紋的應(yīng)力及變形特征。結(jié)果表明該螺紋膨脹后具有較好的結(jié)構(gòu)完整性及強(qiáng)度。通過全尺寸試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證該膨脹管螺紋膨脹后連接安全可靠，能滿足膨脹工藝的需要。理論分析及試驗(yàn)結(jié)果為膨脹管螺紋的優(yōu)化提供了指導(dǎo)。

膨脹管；螺紋；有限元；數(shù)值模擬；試驗(yàn)

膨脹管技術(shù)是指將鋼管下到井下后，在井下通過冷擠擴(kuò)張的方法使套管達(dá)到要求尺寸，從而進(jìn)行固井、完井、修補(bǔ)損壞的套管或支撐易坍塌裸眼井段等作業(yè)的一種技術(shù)［1，2］。而膨脹管的連接方式是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵之一［3］。如何保證在膨脹前、膨脹過程中以及膨脹后套管連接的結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性是判斷整個(gè)膨脹作業(yè)成功與否的關(guān)鍵。理論分析及現(xiàn)場試驗(yàn)表明，API標(biāo)準(zhǔn)套管螺紋無法滿足膨脹管的工藝技術(shù)要求。因此，需要根據(jù)膨脹管技術(shù)的使用環(huán)境和下井操作過程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)使用新的膨脹管螺紋接頭，并且保證作業(yè)過程中的可靠性至關(guān)重要。筆者對(duì)一種新型膨脹管螺紋進(jìn)行了膨脹過程的有限元分析和試驗(yàn)研究，以檢驗(yàn)該螺紋使用中是否可以滿足可靠性要求，并對(duì)膨脹管螺紋的使用及優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 膨脹管螺紋連接的特點(diǎn)

根據(jù)膨脹管技術(shù)的使用環(huán)境和操作工藝，膨脹管螺紋接頭除了應(yīng)具備普通套管螺紋接頭的基本特征外，還應(yīng)具備一些滿足膨脹作業(yè)的特殊要求。

1）結(jié)構(gòu)和密封完整性要求 膨脹管螺紋接頭除了在安裝完成后應(yīng)具備結(jié)構(gòu)和密封完整性，在膨脹過程中和膨脹后同樣應(yīng)該具備結(jié)構(gòu)和密封完整性，這是對(duì)膨脹管螺紋連接的基本要求。但是對(duì)于膨脹篩管等技術(shù)，可以不具備密封完整性。

2）膨脹力均勻性要求 由于在膨脹管施工時(shí)所需的膨脹力是管子壁厚的函數(shù)，為避免在膨脹過程中膨脹力波動(dòng)過大，就要求管柱壁厚盡可能均勻，即人們常說的螺紋接頭處的內(nèi)、外徑應(yīng)與管體一致［4］——壁厚要求全程均勻，但這一說法并不確切。在接頭處，由于螺紋造成管子強(qiáng)度損失，膨脹錐經(jīng)過接頭時(shí)所需要的膨脹力小于膨脹錐經(jīng)過管體時(shí)的膨脹力［5］，因此接頭處的壁厚可以略大于管體以平衡強(qiáng)度的損失，減小膨脹力的波動(dòng)。因此，膨脹管內(nèi)、外徑是否都要求各部分完全一致，應(yīng)根據(jù)膨脹管具體使用環(huán)境而論。如一些膨脹管在管外局部安裝橡膠或銅環(huán)等輔助密封件，此時(shí)膨脹管本身并不要求全程外徑一致。所以，對(duì)于膨脹管接頭部分，要求其壁厚與管體接近，這一點(diǎn)實(shí)際是膨脹力均勻性的要求。

3）方向性要求 在膨脹管螺紋連接處，膨脹錐如果先膨脹內(nèi)螺紋，此時(shí)外螺紋內(nèi)部沒有足夠的膨脹力支撐，會(huì)使內(nèi)外螺紋被剝離造成連接失效。因此膨脹過程中，不論是自上而下還是自下而上膨脹，膨脹錐都必須先進(jìn)入外螺紋，使內(nèi)外螺紋同時(shí)變形脹大，保持螺紋接頭在膨脹過程中的結(jié)構(gòu)完整性。根據(jù)膨脹管螺紋連接的方向性要求，膨脹管之間如果要使用接箍連接，則接箍的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是一端為外螺紋、另一端為內(nèi)螺紋。

2 膨脹管螺紋連接數(shù)值模擬

2．1 數(shù)值分析模型

針對(duì)膨脹管螺紋連接的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種新型膨脹管螺紋，并已獲得國家專利（專利授權(quán)公開號(hào)：CN201202903Y）［6］。該螺紋在偏梯形螺紋的基礎(chǔ)上增大了齒高和螺距，承載面角度設(shè)計(jì)為－5°，導(dǎo)向面角度與API偏梯形螺紋一致，其大小為10°，膨脹管螺紋接頭結(jié)構(gòu)如圖1。

2．2 有限元模型

應(yīng)用大型通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)這種新型膨脹管螺紋進(jìn)行膨脹可靠性分析。膨脹管螺紋的膨脹過程是一種高度的非線性行為［7］，筆者主要以膨脹管螺紋膨脹過程中所表現(xiàn)出的特性為研究對(duì)象，為簡化模型，做如下假設(shè)：①膨脹管材質(zhì)均勻、各向同性、壁厚均勻、截面滾圓，為理想管材；②膨脹錐和膨脹管的幾何形狀和所受載荷都是軸對(duì)稱的，即在任一個(gè)圓形截面內(nèi)，應(yīng)力分布是均勻的。膨脹管的材料性能如表1所示。

圖1 膨脹管螺紋接頭結(jié)構(gòu)

表1 膨脹管的材料性能

有限元模擬的膨脹過程為膨脹錐自上向下膨脹，模型中體單元采用SOLID45單元，接觸單元采用PLANE42單元，幾何建模采用參數(shù)化設(shè)計(jì)語言（APDL）編程，對(duì)模型的關(guān)鍵數(shù)據(jù)使用參數(shù)化控制。膨脹管比較規(guī)則，采用四邊形映射網(wǎng)格進(jìn)行均勻劃分，建立的有限元幾何模型如圖2所示。

2．3 數(shù)值模擬分析結(jié)果

由以上分析知，膨脹過程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力為426．9MPa，低于材料的強(qiáng)度極限552MPa，能滿足膨脹過程中的強(qiáng)度要求；A、B兩處的螺紋連接緊密說明膨脹后此處接觸良好，能夠滿足膨脹管螺紋連接完整性的要求；B處膨脹后螺紋牙側(cè)面的環(huán)形流體通道被封閉，能夠滿足螺紋膨脹后的密封性要求。

圖2 膨脹管螺紋的有限元幾何模型

3 膨脹管螺紋連接試驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)該新型膨脹管螺紋的可靠性，做了螺紋膨脹試驗(yàn)。試驗(yàn)是在300噸級(jí)油壓壓力機(jī)上進(jìn)行的。膨脹管膨脹過程試驗(yàn)?zāi)M膨脹管螺紋的膨脹過程，試驗(yàn)前將加工有新型螺紋的177．8mm膨脹管連接好，將膨脹錐固定在推桿上，壓力機(jī)通過油缸帶動(dòng)推桿和膨脹錐從上向下壓入膨脹管內(nèi)孔，使膨脹管螺紋完成膨脹，試驗(yàn)原理如圖4所示。

該次試驗(yàn)膨脹壓力最大為87．92t，最小壓力出現(xiàn)在螺紋連接段，約為84．93t。膨脹后未出現(xiàn)螺紋脫扣和斷扣現(xiàn)象，只是母螺紋根部有明顯的縮徑現(xiàn)象，與其他段外徑對(duì)比其縮徑率為1．5%，如圖5。造成的原因是公螺紋頂部2扣螺紋緊扣到位后公螺紋頂部與母螺紋根部有一定間隙，最終造成該處縮徑，與有限元數(shù)值模擬方法求得的膨脹后螺紋的連接狀態(tài)符合得較好。

圖3 新型膨脹管螺紋膨脹后的應(yīng)力云圖

圖4 試驗(yàn)原理示意圖

圖5 膨脹后膨脹管連接圖

4 結(jié)論及建議

1）建立了膨脹管螺紋膨脹過程的三維非線性接觸問題有限元分析模型，用該模型求解的結(jié)果與試驗(yàn)得到的膨脹連接狀態(tài)符合得很好，證明所建立的模型及其求解結(jié)果正確可信，新型膨脹管螺紋接頭結(jié)構(gòu)可以滿足膨脹管膨脹工藝的要求。

2）通過對(duì)膨脹管螺紋膨脹過程的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)的比較表明，膨脹后螺紋的連接狀態(tài)較為接近，可以利用數(shù)值模擬的方法來指導(dǎo)膨脹管螺紋的設(shè)計(jì)。

3）膨脹后內(nèi)、外螺紋端面都發(fā)生分離產(chǎn)生了間隙，并且內(nèi)、外螺紋端部都有較大變形，而這些變形不是都不利于接頭的連接能力，合理地利用膨脹過程造成的管體變形可以提高接頭的密封性能。

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［編輯］ 蕭 雨

TE28

A

1000－9752（2012）06－0112－03

2012－01－17

國家重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（2011ZX05021）。

肖凱文（1986－），男，2010年大學(xué)畢業(yè)，碩士生，現(xiàn)主要從事油氣井工程方面的學(xué)習(xí)與研究工作。