膨胀套管螺纹联接设计研究 - 文章

膨胀套管螺纹联接设计研究

作者：张建兵韩勇韩建增

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引言

膨胀套管联接是膨胀套管技术的关键问题之一，要系统掌握膨胀套管技术，就必须从技术上解决膨胀套管的联接问题。理论分析及实物试验表明，API标准套管螺纹及目前广泛使用的特殊螺纹均无法满足膨胀套管的技术要求。所以，必须专门针对膨胀套管的下井安装工艺及服役承载的工况特点，设计开发专用的膨胀套管螺纹联接。

膨胀套管螺纹联接的基本要求

膨胀套管螺纹联接除了具备普通油井套管螺纹联接的基本功能特点以外，还应该满足套管下井及膨胀作业的一些特殊要求。

(1)在膨胀过程中和膨胀后不丧失螺纹联接的结构完整性和密封完整性。这是对膨胀套管螺纹联接的基本要求，如果无法达到这一要求，那么将无法实现套管柱的顺利膨胀。

(2)螺纹联接部分应该和管体部分具有相同的壁厚和内外径。由于在膨胀管施工时所需的膨胀压力是管子壁厚的函数，为了便于作业，必须使膨胀过程保持恒定的膨胀压力.这就要求整个管柱自上而下各个部分的壁厚保持一致。膨胀套管柱具有相同的内径才能保证膨胀锥的通路畅通，膨胀套管柱自上而下具有相同的外径才能保证利用膨胀套管补贴损坏套管时两层管柱的全面贴合。

(3)螺纹联接部位的管子壁厚不均匀度和不圆度应该尽量小。联接部位的管子壁厚不均匀度过大，会使壁薄处在膨胀时发生破裂。不圆度过大，有可能使膨胀锥对螺纹联接无法均匀施力，影响膨胀作业。

(4)下套管时内螺纹端向下，外螺纹端向上。一般而言，套管柱膨胀过程都是膨胀锥自下而上进行的，而对于螺纹联接，应该使外螺纹先受到膨胀，再膨胀内螺纹，这样才能保证在膨胀时外螺纹和内螺纹不脱开。所以，下膨胀套管时应该内螺纹端向下，外螺纹端向上。膨胀套管螺纹联接设计

1.螺纹设计

(1)螺纹形状特殊螺纹的形状设计重点是

根据套管的材料、规格等已知参数，确定螺纹的承载面角度、导向面角度等未知参数。一般而言，目前大多数特殊螺纹都是在偏梯形螺纹的基础上经适当改进而制成的。表1为API圆螺纹、偏梯形螺纹和特殊螺纹各项参数的比较。

笔者设计的膨胀套管螺纹采用联接效率较高但密封性能稍差的偏梯形螺纹，同时在形状方面做了适当变化。

对于一般的特殊螺纹设计来讲，特殊螺纹承载面角度的确定依据是保证螺纹在联接时不发生滑脱失效。但是，对于膨胀套管螺纹联接而言，除了联接强度外，还要防止螺纹在膨胀过程中松开，因此选择承载面角度为负角的钩式螺纹，承载面角度设计为-8°。

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螺纹导向面角度与螺纹的认扣性能和抗压缩性能有关。一般来讲，螺纹导向面角度越大，螺纹越不容易错扣，但抗压缩能力越低。API偏梯形螺纹的导向面角度为10°，此时其抗压缩性能略高于联接强度，因此10°的导向面角度是合理的，笔者设计的导向面角度选择与API偏梯形螺纹一致，其大小为10°。

(2)螺纹长度除螺纹牙形外，螺纹长度(即啮合螺纹牙数)对套管螺纹的联接强度也有直接影响。API对圆螺纹联接进行了深人研究，得出联接强度与螺纹啮合长度的关系式，见API BUL5 C3。而对偏梯形螺纹和特殊螺纹联接，API未给出相应的公式。因此，设计时必须确定螺纹啮合长度与联接强度的关系。

经过分析，要保证联接不发生螺纹剪断失效，发挥螺纹的最大强度，最小啮合螺纹牙数即螺纹长度可以由式(1)近似确定。

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笔者的设计基于小108 mm x 7. 5 mm的膨胀套管，其材料屈服强度为379 MPa，据此计算得到的啮合螺纹牙数n> 6。也就是说，要使内、外螺纹啮合的有效牙数大于6牙，才能保证拉伸时螺纹不发生损坏。

(3)螺纹过盈量研究表明，API螺纹的两端是高应力区。这些高应力区直接与腐蚀介质接触，易于发生应力腐蚀而损坏。为了预防应力腐蚀问题，应力水平越低越好，但是应力水平太低又容易使螺纹联接松动，笔者依据2个原则设计了合理的螺纹过盈量:①螺纹联接两端的应力水平低于API螺纹;②螺纹联接的上扣扭矩不低于API螺纹的上扣扭矩，以防止螺纹松动。另外，笔者还专门设计了螺纹内外扭矩台肩，防止外螺纹过度地拧人内螺纹，同时扭矩台肩可以吸收一部分上扣扭矩，从而显著降低螺纹分担的扭矩，降低螺纹部分的应力水平。

2.密封设计

密封设计是膨胀套管螺纹设计的关键。特殊螺纹的密封性能、耐粘扣性能都与螺纹联接的密封结构紧密相关，密封结构的选型是螺纹联接密封设计的关键。目前特殊螺纹的密封结构形式主要有锥面对锥面、球面对锥面、球面对柱面、柱面对柱面等几种类型。笔者选择应用较多的锥面对锥面形式，密封锥度选择1:5。

密封过盈量和加工公差的确定也是关键环节。从理论上讲，密封过盈量和加工公差的确定主要依据以下2个原则:①密封面应力状态要小于材料屈服强度;②密封接触压力要大于管体内屈服压力。笔者设计的过盈量很小，设计时金属对金属的的密封结构不起主要作用，而是依靠弹性密封达到密封效果。

为了保证密封面的耐粘结性，通常螺纹联接表面都要经过一些表面处理，笔者的设计为无接箍式螺纹，需要对内、外螺纹同时进行冷磷化处理。

3.扭矩台肩设计

一个设计合理的扭矩台肩，应该达到如下目标:①能有效地保护密封面，包括上扣定位作用使密封面配合良好，承载时的分担载荷作用使密封面的关键部位不发生塑性变形而降低密封抗力;②能有效控制机紧上扣扭矩，限定螺纹机紧过盈量，提高螺纹抗粘扣能力;③使螺纹联接有较好的抗过扭矩能力;④土扣后能产生一定的轴向过盈量，起到辅助密封的作用。依据上述4个设计原则，笔者设计了主台肩(外扭矩台肩)和辅助台肩，且均为直角台肩。

通过以上分析，笔者设计出内外壁都与管体平齐的直联型膨胀套管螺纹联接。

螺纹应力有限元计算分析

对设计进行了计算机有限元模拟分析，采用的软件为大型非线性有限元分析软件MSC. Marc。将膨胀套管螺纹联接按轴对称问题处理，选用的单元类型为轴对称四节点四边形实体单元。模型材料特性参考API SPEC SCT标准对J55套管材料特性的规定。应力应变曲线采用理想弹塑性线性强化模型。

有限元模拟分析表明，设计的螺纹在上扣过程中，其等效VME应力分布基本上呈现啮合螺纹端部较高、中间部分较低的分布趋势，最大值约为27I MPa，上扣后螺纹并没有发生屈服(材料的屈服强度为379 MPa )，说明螺纹的过盈量选择是合适的。螺纹上扣后以轴向应力为主，而不像普通API螺纹联接那样以环向应力为主，这主要是台肩的轴向作用所导致的结果。

密封面的接触压力分布状况对特殊螺纹的密封性能十分重要，对膨胀套管螺纹而言，在套管膨胀过程中螺纹部位要承受长时间的液体高压作用，螺纹的密封能力尤其关键。所以对螺纹密封处的应力应变情况进行了专门分析，图1是上扣后主密封处的接触状态，图2是主密封处的应变分布。

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图1 螺纹上扣后主密封处的接触状态

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图2 螺纹上扣后主密封处的应变分布

可见，尽管设计有金属对金属的密封锥面，接触面基本上靠弹性密封圈形成。从图中可知，由于槽子底是水平的，密封圈的厚度又基本上均匀，导致密封圈在挤压过程中变形量不同，所以接触压力分布也很不均匀。由于密封圈的寿命有限，一般在特殊螺纹中不采用这种形式。但由于该特殊螺纹要用于专门的膨胀用途，由于密封圈具有良好的弹性，在螺纹联接膨胀过程中，该结构具有更好的密封性能。螺纹膨胀过程模拟计算结果表明，螺纹联接膨胀后回弹很小，密封圈发生了很大的弹性变形，但没有发生塑性变化。总的说来，螺纹联接膨胀后仍然保持了较好的完整性，可以满足膨胀套管的使用要求。

从膨胀后的塑性应变分布图可以看出，管子膨胀后螺纹外扭矩台肩已经不再接触(见图3)，这一点也被后文中所进行的实物试验结果所证实。计算结果同时表明内密封锥面也发生了较大的变形，使金属对金属密封的效果下降。但模拟计算结果显示，密封圈在膨胀过程中一直处于压缩状态，起到很好的密封效果。由此可知，螺纹膨胀前具有外台肩密封、密封圈密封、锥面对锥面的金属密封、螺纹密封等多重密封，膨胀后只有密封圈起密封效果，说明螺纹在膨胀后密封性能有所下降。

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图3 套管膨胀后螺纹外扭矩台肩部位应变分布

计算结果表明，螺纹联接在拉伸载荷达到498kN时发生断裂失效，大约比膨胀前的连接强度(533 MPa)下降了6.6%。

膨胀套管螺纹联接实物膨胀试验

在上述有限元模拟分析结果的基础上，对原设计参数进行了进一步优化，在小108 mm x 7. 5 mm的膨胀套管上加工了膨胀套管螺纹试样，并完全模拟井眼中套管膨胀的力学原理进行液压驱动膨胀锥的套管膨胀试验，试验的管柱装置见图4。试验时高压液体经内工作管进人膨胀锥启动腔部位，高压聚集推动膨胀锥向右移动将膨胀套管扩开。试验的膨胀套管山依靠两处可由膨胀螺纹联接的3个短节组成，膨胀锥的锥角为80,套管膨胀变形幅度为14. 9%(内径变形幅度)。

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开泵升压后，在泵服为29 MPa时膨胀锥开始移动，套管开始被膨胀，稳定膨胀时的版力约为27 MPa，上下各有约1 M Pa的波动螺纹联接被膨胀时泵压降低，螺纹联接1被膨胀时的最低压力力约为21 MPa,螺纹联接2被膨胀时的最低压力约为18 MPa,螺坟联接部位被膨胀后泵压出现明显上升，螺纹联接1被膨胀后压力30 M Pa ,螺纹联接2被膨Ilk后压力上升到约28 MIa时趋于稳定，膨胀过程中膨胀套管螺纹部位未发生漏失。

对膨胀后的螺纹进行观察，发现螺纹外台肩在膨胀后出现厂约1 min的缝隙，这和前面有限元模拟的结果是一致的，外台肩的脱离说明外台肩已经不起密封作用。可见，笔者设计的螺纹密封性能主要依靠密封圈来实现，膨胀时没有该台肩的密封作用是完全可行的。

笔者还进行了膨胀后带螺纹套管的拉仲破坏试验。结果表明，在拉伸载荷为478. 3 kN时，螺纹联接从靠近外台肩端的外螺纹根部处断裂。经分析，该联接强度完全能够满足现场膨胀套管柱下井膨胀的安装要求。

根据膨胀套管柱膨胀作业过程中螺纹联接承受的内压特点，自行设计并进行了室温液体密封循环试验，对膨胀后的螺纹联接密封性能进行测试，试验的设计载荷图见图5，试验的压力介质为水。

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第1次施压加伐到30 MPa后，停止加压并稳定15 min，螺纹末发生密封渗漏问题。卸载后进行第2次加压，压力加载到40 MPa后，停止加压，螺纹部位出现渗漏，压力下降到约35 MPa后，渗漏明显减弱，9 min压力约下降0.5MPa。又接连进行2次和第2次同样的加载过程，试验结果基本相1司整个试验过程螺纹联接未发生结构损坏。在现场套管膨胀时，要对膨胀套竹内壁进行润滑处理，那么膨胀过程中需要的液压力将会显著降低，一般不会超过27 MPa，如果使用大排量泵(排量为50L/min以上)，那么膨胀1个膨胀套竹单根的时间不会超过3 min，以该螺纹联接的密封能力来看，完全可以满足膨胀要求。

从实物试验结果来看，笔者设计的膨胀套管螺纹达到了设计要求，能够在现场应用。

结论与建议

(1)普通套管螺纹无法满足膨胀套管的要求，对膨胀套释必须设计专门适合膨胀的螺纹联接。
(2)膨胀套杆螺纹联接适宜采用承载面角度为负的钩式螺纹，并以弹性密封为主密封形式。
(3)有限元计算结果及实物试验结果表明，笔者设计的可膨胀套竹螺纹符合膨胀套管螺纹的基本要求，膨胀后的结构及密封性能满足现场要求，可以应用。
(4)膨胀套管螺纹是一个新研究领域，是膨胀套管技术应用的关键环节之一，应加强研究，并尽快形成螺纹生产加工及现场应用标准。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/3/2008)


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