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        API長(zhǎng)圓螺紋在水平井工況中的適用性試驗(yàn)研究

        2020-01-01 07:30:42張培毅趙延延郝玉華
        鋼管 2019年5期
        關(guān)鍵詞:外螺紋內(nèi)螺紋螺紋

        戈 曉,張培毅,趙延延,郝玉華

        (天津鋼管集團(tuán)股份有限公司,天津 300301)

        水平井鉆井技術(shù)的大力發(fā)展,使復(fù)雜油氣藏和老油田不可開采的剩余儲(chǔ)量得到開發(fā),油氣采收率顯著提高,開發(fā)成本進(jìn)一步降低。API長(zhǎng)圓(LC)螺紋具有易加工、易修復(fù)、成本低等特點(diǎn),得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)某油田區(qū)塊井身設(shè)計(jì)的水垂比大于1,最大井斜角91°/1 200 m,屬水平井,下套管作業(yè)摩擦阻力較大,當(dāng)管柱遇阻時(shí),為使套管下放到設(shè)計(jì)位置,不得不進(jìn)行“上提下放”等解卡作業(yè)[1]。該區(qū)塊選用套管螺紋類型為API LC螺紋類型,目前有2口井發(fā)生螺紋泄漏,針對(duì)這一情況,天津鋼管集團(tuán)股份有限公司開展相關(guān)試驗(yàn)研究,以評(píng)估該螺紋類型在水平井中的適用性。

        1 有限元工況模擬

        以Φ139.7 mm×10.54 mm N80鋼級(jí)套管的LC螺紋為研究對(duì)象,進(jìn)行分析和數(shù)值模擬,其使用性能[2-3]及加載載荷見表1。施加的拉伸載荷設(shè)定為螺紋連接強(qiáng)度的95%,壓縮載荷設(shè)定為螺紋連接強(qiáng)度的50%。

        1.1 有限元建模

        按規(guī)定中的API LC螺紋參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值及最佳位置擰緊螺紋。上扣時(shí)根據(jù)API Spec 5B—2008《套管、油管和管線管螺紋的加工、測(cè)量和檢驗(yàn)規(guī)范》首先完成手緊上扣,因該規(guī)格緊密距為3圈,因此需要再機(jī)緊3圈,以完成上扣[4],此時(shí)外螺紋與內(nèi)螺紋的相對(duì)位置即最佳上扣位置。分別按無(wú)軸向載荷、50%壓縮載荷和95%拉伸載荷建立3個(gè)模型,不同載荷下LC接頭的等效應(yīng)力分布如圖1所示。圖1(a)所示為不承受軸向載荷,其高應(yīng)力區(qū)為外螺紋的1~4個(gè)螺紋和內(nèi)螺紋的1~4個(gè)螺紋,該位置是上卸扣試驗(yàn)時(shí)容易發(fā)生螺紋黏結(jié)的位置;圖1(b)所示為承受50%壓縮載荷后,高應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移到內(nèi)螺紋的2~5個(gè)螺紋,而擰緊螺紋后外螺紋形成的高應(yīng)力區(qū)(圖1a),應(yīng)力雖變化不大,但已經(jīng)不處于最高應(yīng)力區(qū)了;圖1(c)所示為承受95%拉伸載荷,整個(gè)外螺紋成為新的高應(yīng)力區(qū)。因此,套管串在“上提下放”作業(yè)時(shí),外螺紋和內(nèi)螺紋將承受交變載荷作用。

        表1 Φ139.7 mm×10.54 mm N80鋼級(jí)LC螺紋類型套管使用性能及加載載荷

        1.2 螺紋密封能力分析

        圖1 不同載荷下LC接頭的等效應(yīng)力分布

        將等效應(yīng)力云圖的螺紋部放大后,觀察不同載荷下的螺紋接觸面情況。不同載荷下螺紋接觸情況如圖2所示。對(duì)比可知,壓縮載荷對(duì)螺紋的接觸面積影響不明顯,而拉伸載荷對(duì)螺紋的接觸面積影響非常大。不同載荷下接觸應(yīng)力沿螺紋分布情況如圖3所示,2D建模時(shí)是按照0.6 mm劃分的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn),因此每個(gè)接觸線段代表了一個(gè)接觸面,且接觸長(zhǎng)度為0.6 mm。當(dāng)該接觸線段的接觸應(yīng)力大于0時(shí),接觸面能夠起到密封作用,視為有效接觸面;接觸應(yīng)力為0時(shí),視為無(wú)效接觸,其密封只能依靠于優(yōu)質(zhì)螺紋密封脂來(lái)實(shí)現(xiàn)。有效接觸面所占比例越高,表征螺紋的密封能力越強(qiáng)。將所有接觸線和對(duì)應(yīng)的接觸應(yīng)力導(dǎo)入Excel表中,統(tǒng)計(jì)出不同載荷下的螺紋有效接觸面所占比值情況,見表2。分析可知,當(dāng)拉伸載荷達(dá)到螺紋連接強(qiáng)度的95%時(shí),有效接觸面由65.3%下降到37.8%,密封能力明顯下降。

        圖2 不同載荷下螺紋接觸情況

        2 實(shí)物驗(yàn)證試驗(yàn)

        2.1 試樣準(zhǔn)備

        隨機(jī)選取一支Φ139.70 mm×10.54 mm N80 LC成品管,截取外螺紋和內(nèi)螺紋作為試驗(yàn)樣,經(jīng)測(cè)量螺紋參數(shù),符合API Spec 5B—2008要求[4],螺紋參數(shù)測(cè)量結(jié)果見表3。為了模擬API LC螺紋服役的最苛刻情況,一般應(yīng)選擇最小扭矩控制螺紋擰緊后進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)。需要說(shuō)明的是,此時(shí)外螺紋與內(nèi)螺紋的相對(duì)位置并非最佳位置,而是符合API RP 5C1—1999《套管和油管維護(hù)與使用推薦作法》要求的最小過(guò)盈配合,也是可接受的最苛刻(密封能力最差)的一種配合。因此該試樣按照最小扭矩5 115 N·m擰緊螺紋,試樣螺紋擰緊扭矩-圈數(shù)曲線如圖4所示。

        2.2 “上提下放”工況模擬試驗(yàn)

        圖3 不同載荷下接觸應(yīng)力沿螺紋分布情況

        表2 不同載荷下的螺紋有效接觸面占比%

        為模擬不同載荷下套管管柱“上提下放”工況,實(shí)物試驗(yàn)方案分成兩部分,試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果見表4。第一部分為10次30%~80%拉壓載荷循環(huán)試驗(yàn),80%拉壓循環(huán)加載曲線如圖5所示,試驗(yàn)結(jié)束后按照API TR 5C3—2008《套管、管道和用作套管或管道的線管的等式和計(jì)算技術(shù)報(bào)告》試水壓68.1 MPa,80%拉壓循環(huán)結(jié)束后試壓曲線如圖6所示,接頭未發(fā)生泄漏;第二部分為10次50%~95%拉壓載荷循環(huán)試驗(yàn),95%拉壓循環(huán)加載曲線如圖7所示,加載結(jié)束后試水壓68.1 MPa,95%拉壓循環(huán)結(jié)束后試壓曲線如圖8所示,接頭發(fā)生泄漏,螺紋泄漏實(shí)物如圖 9 所示[5-15]。

        表3 螺紋參數(shù)測(cè)量結(jié)果

        圖4 試樣螺紋擰緊扭矩-圈數(shù)曲線

        表4 模擬拉壓工況試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

        圖5 80%拉壓循環(huán)加載曲線

        3 分析討論

        圖6 80%拉壓循環(huán)結(jié)束后試壓曲線

        實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果表明,“上提下放”施加的載荷低于連接強(qiáng)度80%時(shí),對(duì)長(zhǎng)圓螺紋的密封能力影響不大,循環(huán)加載10次后螺紋密封未失效;當(dāng)“上提下放”施加的載荷增加到連接強(qiáng)度的95%時(shí),循環(huán)加載10次后進(jìn)行水壓測(cè)試,螺紋發(fā)生泄漏,螺紋密封能力已不能滿足產(chǎn)品抗內(nèi)壓泄漏要求。由有限元模擬可知,當(dāng)拉壓載荷循環(huán)加載時(shí),外螺紋和內(nèi)螺紋的有效接觸面是在37.5%~65.3%反復(fù)變化的,這種螺紋間隙的變化為螺紋脂的緩慢流變提供了空間和動(dòng)能,從而產(chǎn)生了對(duì)接頭密封性不利的影響。

        圖7 95%拉壓循環(huán)加載曲線

        圖8 95%拉壓循環(huán)結(jié)束后試壓曲線

        圖9 螺紋泄漏實(shí)物示意

        4 結(jié) 語(yǔ)

        (1)API LC螺紋擰緊后存在螺紋間隙,當(dāng)施加拉壓循環(huán)載荷時(shí),內(nèi)外螺紋將承受交變載荷,同時(shí)螺紋間隙也是變化的,對(duì)螺紋接頭水密封能力可能會(huì)產(chǎn)生消極影響。

        (2)當(dāng)拉伸載荷小于80%螺紋連接強(qiáng)度時(shí),API LC螺紋密封可靠;當(dāng)拉伸載荷達(dá)到95%螺紋連接強(qiáng)度時(shí),API LC螺紋密封能力顯著下降,甚至喪失密封能力。

        (3)對(duì)于水平井,因下套管作業(yè)遇阻情況較多,經(jīng)多次大載荷“上提下放”管串進(jìn)行解阻作業(yè)后,接頭將承受密封失效風(fēng)險(xiǎn)。

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