張 強(qiáng)，劉瀟瀟

(濮陽(yáng)石油化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濮陽(yáng) 457000)

0 引言

直連型套管是一種將螺紋直接加工在本體上的一種套管連接螺紋，由于沒(méi)有像其他常規(guī)套管一樣使用接箍連接，因此直連型套管減少了整個(gè)套管柱的外徑尺寸，增大了套管柱與井壁之間的間隙，直連型套管這一特性在超深井、開(kāi)窗側(cè)鉆井、小井眼中有著重要的應(yīng)用意義[1]。

套管接頭分析的方法主要有三種：解析法、試驗(yàn)法和有限元方法。接頭螺紋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，解析法使用經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的模型來(lái)計(jì)算，結(jié)果不夠精確，不能直接應(yīng)用；試驗(yàn)法有周期長(zhǎng)、費(fèi)用高的缺點(diǎn)，因此有限元模擬就是分析接頭螺紋受力比較有效的方法。由于套管接頭螺紋的復(fù)雜性，建立三維有限元模型將帶來(lái)巨大的計(jì)算量，因此大多數(shù)學(xué)者采用各種各樣的簡(jiǎn)化模型，其中以軸對(duì)稱最多，并且解的有效性和合理性得到了工程界的普遍接受[2]。

本文使用ABAQUS有限元軟件，針對(duì)CST-ZT直連型套管建立了二維軸向?qū)ΨQ模型，分析了直連型套管在典型工況下的受力影響規(guī)律，以期為直連型套管的優(yōu)化和現(xiàn)場(chǎng)的使用提供一定的借鑒作用。

1 有限元模型的建立

1.1 ABAQUS有限元軟件

ABAQUS作為世界上使用最多的有限元軟件之一，可以用來(lái)解決復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題，并且特別適合解決和分析非線性力學(xué)問(wèn)題[3]。ABAQUS的操作流程主要分為三步：前處理、求解計(jì)算和后處理，如圖1所示。

圖1 ABAQUS操作流程

1.2 材料特性

攀成鋼研發(fā)的CST-ZT直連型套管接頭，套管鋼級(jí)Q140，規(guī)格為139.70 mm×7.72 mm，Q140鋼級(jí)材料機(jī)械性能和相關(guān)性能數(shù)據(jù)如表1所示[4]。

表1 Q140鋼級(jí)材料性能各項(xiàng)參數(shù)

1.3 模型假設(shè)

采用二維軸對(duì)稱模型來(lái)模擬螺紋的受力，在有限元建模時(shí)作如下假設(shè)。

1)材料為各向同性。

2)使用二維軸對(duì)稱模型。二維軸對(duì)稱模型解的有效性和合理性得到了工程界的普遍接受[2]，因此忽略較小的螺旋升角造成的影響。

3)螺紋面、密封面等接觸面的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.02[5]。

1.4 網(wǎng)格劃分

對(duì)模型進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，單元類型采用CAX8I，對(duì)螺紋嚙合面、密封面及臺(tái)肩處進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密，圖2、圖3為有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖。

圖2 有限元模型網(wǎng)格劃分

2 有限元模擬

2.1 上扣擰緊工況螺紋牙承載面接觸應(yīng)力模擬

圖4是上扣擰緊時(shí)，無(wú)軸向載荷，臺(tái)肩過(guò)盈量為0.02 mm的工況下的螺紋Mises應(yīng)力云圖。螺紋牙承載面的平均接觸應(yīng)力如圖5所示，從圖中可以看出，在臺(tái)肩處施加過(guò)盈接觸后，螺紋最后幾扣螺紋牙承擔(dān)了大部分的軸向預(yù)緊力。

圖4 臺(tái)肩過(guò)盈產(chǎn)生的Mises應(yīng)力云圖

圖5 上扣擰緊后臺(tái)肩過(guò)盈產(chǎn)生的螺紋牙承載面平均接觸應(yīng)力

2.2 軸向受拉下螺紋牙狀態(tài)分析

圖6是對(duì)套管接頭分別施加軸向受拉載荷700 kN、1 100 kN和1 600 kN下的Mises應(yīng)力云圖。從圖中可以看出在施加軸向載荷后，螺紋牙齒根處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，而第一牙和最后一牙的牙根處的應(yīng)力集中最為嚴(yán)重，因此在施加軸向受拉載荷下，螺紋的第一或最后一個(gè)螺紋牙承受了大部分的軸向載荷，失效將會(huì)在這里最先開(kāi)始。

圖6 軸向拉力700 kN、1 100 kN和1 600 kN時(shí)接頭Mises應(yīng)力云圖

圖7、圖8是各螺紋牙齒面接觸壓力和Von Mises應(yīng)力隨螺紋牙編號(hào)的變化曲線。從圖中可以看出，在施加軸向受拉載荷的作用下，嚙合螺紋面的接觸壓力和螺紋牙承載的軸向載荷都呈現(xiàn)兩邊高中間低的馬鞍形，其中第一和最后兩個(gè)螺紋牙承擔(dān)了大部分的軸向載荷。隨著載荷的增加，大部分增加的載荷都由第一螺紋牙承擔(dān)，其余的螺紋牙承擔(dān)的載荷增幅并不大。

圖7 不同拉力下的嚙合螺紋面平均Mises應(yīng)力對(duì)比

圖8 不同拉力下各螺紋牙承載面承擔(dān)的軸向力分布對(duì)比

2.3 上扣+軸向載荷工況模擬結(jié)果

圖9是對(duì)套管接頭臺(tái)肩分別施加過(guò)盈量0 mm和0.03 mm，軸向受拉載荷1 100 kN下的螺紋牙承載面上載荷隨螺紋牙編號(hào)的變化曲線。從圖中可以看出，當(dāng)施加0.03 mm的臺(tái)肩過(guò)盈量后，各螺紋牙齒面軸向載荷有些許增加，且最后兩牙增加最多。因此應(yīng)控制臺(tái)肩過(guò)盈量，以減少最后幾顆螺紋牙所承擔(dān)的軸向載荷。

圖9 上扣+軸向受拉工況下各螺紋牙承載面上載荷分布

3 結(jié)論

1)直連型套管在上扣擰緊工況下，軸向預(yù)緊力大部分由螺紋最后幾扣螺紋牙承擔(dān)。

2)軸向受拉工況下，各扣螺紋牙承載面所分擔(dān)的載荷分布并不均勻，其中第一和最后一扣螺紋牙承擔(dān)了大部分的軸向載荷。

3)上扣+軸向載荷工況下，當(dāng)施加一定的臺(tái)肩過(guò)盈量后，各螺紋牙齒面軸向載荷有些許增加，且最后兩牙增加最多，應(yīng)控制過(guò)盈量在合理范圍內(nèi)。