2. 中国石油塔里木油田分公司;
3. 中国石油川庆钻探工程有限公司
2. PetroChina Tarim Oilfield Company;
3. PetroChina Chuanqing Drilling Engineering Company Limited
0 引言
套管通过螺纹相互连接形成长达数千米的密封管柱,接头部位是整个管柱中最为薄弱的环节。常用的接头有API接头和特殊螺纹接头。现场使用表明,API接头已经无法满足越来越苛刻的作业要求,比如特殊工况(超深井、高温高压气井或热采井)和特殊应用(套管钻井和套管膨胀)。因此,采用特殊螺纹接头替代传统的API接头解决连接螺纹失效的问题势在必行。
套管在服役过程中承受着很高的内、外压力、轴向载荷、弯曲应力和振动载荷等等,复杂的受力环境会造成套管泄漏。而下套管作为作业的重要环节,直接决定了套管连接的密封性能[1]。
密封检测合格的套管才能被下放,现阶段常用的检查方法之一为内压气密封检测。内压检测系统将检测工具于套管内部坐封并加压,但是内压检测装置在实际应用中存在操作不便和不适用于小管径套管等缺点,故有学者提出外压检测方法,并将其作为内压检测方法的改进和补充。
1 特殊套管螺纹密封机理 1.1 特殊螺纹连接的常见密封结构特殊螺纹连接的密封性能主要靠特有的密封结构来实现,在连接方式上可以简单地分为接箍式和整体式接头。特殊螺纹的螺纹接头主要由螺纹、主密封面和扭矩台肩3个部分组成。其中扭矩台肩不仅提高了接头的抗过扭能力,还能起到一定的辅助密封作用,其实现方式为:当套管受到轴向压缩载荷时,会增加扭矩台肩上的接触压力,密封性能会有所提高,但也要注意接触压力超过套管材料的强度极限时会引起台肩的失效破坏。
特殊螺纹密封功能主要由主密封面来实现,螺纹只起连接作用。根据主密封面的形式,目前常见的密封结构主要有锥面-球面形式、柱面-球面形式和锥面-锥面形式。图 1是3种密封形式示意图。
对于锥面-锥面的密封形式,在密封面锥度匹配较理想的情况下,很小的过盈量就能获得很大的接触面积,在同样的接触应力条件下,该密封形式具有更好的密封效果。扭矩台肩不仅能限制上扣扭矩,还能起到一定辅助密封作用,亦可称作是接头的副密封面[2]。综合考虑密封性能、加工有效性和检测有效性,锥面-锥面金属密封形式具有更高的结构稳定性。
故笔者以锥面-锥面的密封形式来研究套管密封机理,并做出内、外压检测方法对锥面-锥面螺纹扣密封性能影响的分析。其连接示意图如图 2所示。
1.2 特殊螺纹套管密封机理
特殊螺纹套管的金属/金属结构设计将API标准螺纹的非接触式密封改为了接触式密封,密封性能显著提高[3]。对于这种密封结构,防止流体泄漏的条件是接触密封面的接触压力应该大于内部流体的最大压力。许多研究者把这一原则[4]作为密封设计的依据。
根据流体力学知识,间隙对流体产生的局部阻力取决于泄漏路径的长度和间隙的截面积,可表示为:
(1) |
式中:ΔR为局部阻力,Pa;S为间隙的截面积,m2;Δl为泄漏路径的最小长度,m。
由式(1) 可知,接触面的接触应力越大,密封面贴近得越紧密,间隙的截面积就越小,局部阻力就越大。故接触压力越大,间隙的截面积越小,局部阻力就越大。换成比例形式表示有:
(2) |
式中:p为接触压力, Pa。
当液体或是气体通过间歇时,产生的阻力是:
(3) |
阻力等于沿着泄漏路径积累的接触压力。该接触压力的临界密封压力可以表示为;
(4) |
式中:pcr为临界密封压力, Pa;K为常数。
综上所述,在设计螺纹接头金属/金属接触密封结构时,为了提高密封性能,应尽可能满足2个条件[5]:① 接触应力应尽可能大,从而使泄漏路径的截面积较小;② 接触面积应尽可能大,从而使泄漏路径的长度较长。
2 内压/外压检测对密封性能影响分析 2.1 内压检测密封性能有限元分析建模现场常用套管和接箍的连接密封为锥面-锥面的密封方式,套管的几何尺寸为ø127.00 mm×12.14 mm。偏梯形螺纹的承载面倾斜度为-3°,导入面的倾斜度为10°,扭矩台肩-15°。螺纹啮合段直径锥度为1 : 16,主密封面锥度为1 : 10,接箍为双头内螺纹,中面对称。鉴于三维模型计算量过大,对计算机要求过高,对模型做轴对称简化,二维模型如图 3所示。为保证计算精度,建模时套管取大于2倍螺纹消失点的长度,接箍取轴线方向上总长度的½。根据套管和接箍的结构特点,做出以下假设和简化:① 套管和接箍的材料都是各向同性;② 忽略螺纹升角的影响。
2.1.1 螺纹扭紧状态时受力分析
采用有限元分析软件ABAQUS对套管和接箍的接头接触应力进行分析。套管和接箍的材料弹性模量210 GPa,泊松比0.3。由于接箍的对称性,接箍中面定义为完全约束。设定套管螺纹和接箍螺纹为表面与表面接触,滑移公式采用有限滑移,摩擦采用滑动库伦摩擦模型,摩擦因数为0.02。
仿真模拟中,通过以施加过盈量的方式来模拟套管连接螺纹的预紧力。套管接箍上扣合格时,主密封面的过盈量为0.12 mm,扭矩台肩的过盈量为0.05 mm。笔者采用此过盈量进行有限元仿真模拟,得到套管和接箍的Mises应力和接触应力云图,如图 4和图 5所示。
由图 4可知,在主密封面和扭矩台肩接头处是Mises应力的主要集中区域,在此区域中,Mises应力的最大值为389.9 MPa。在扭矩台肩-15°的锐角结构中有较高的应力集中,Mises应力达到最大。连接体的轴向力主要由扭矩台肩承担,起到一定的过扭保护作用。Mises应力在套管的分布由套管扭矩台肩接头开始沿着套管轴线向螺纹处降低,螺纹连接处的Mises应力较小,主要集中在靠近套管主密封面的前3牙螺纹连接处,其余的螺纹连接Mises应力小且大小均匀。
由图 5可知,套管处的接触应力主要分布在主密封面和扭矩台肩处,2处的接触应力分布情况相似,都成峰状分布,最大接触应力598.2 MPa位于主密封面的上部。经测量,接触应力在主密封面处大于100 MPa的密封长度为4.96 mm,在扭矩台肩处大于100 MPa的密封长度为4.72 mm,主密封面和扭矩台肩在空间上相邻,共同发挥密封作用。螺纹处的接触应力较小,主要集中在靠近主密封面的3个螺纹牙内,且沿套管轴线方向逐渐减小。
2.1.2 内压检测过程对套管密封性能的影响当套管接箍螺纹扭紧后,开始进行内压检测,内压检测的实际位置为2个套管靠近接箍端口一定距离处。当2胶芯完成坐封后,在其之间充入气体,使胶芯之间的部位存在施加于套管和接箍内表面的气压力,同时坐封完成的胶芯对套管壁也存在因坐封产生的作用力。模型的材料属性、分析步、接触关系和网格划分等都与模拟套管扭紧状态时相同,不同的是在载荷施加步骤中,增加内压载荷。施加载荷的方式如图 6所示。图中红色箭头表示检测工具的密封胶芯对套管内表面挤压密封力,蓝色箭头表示在密封胶芯完成坐封后,向环空部位充入的一定压力气体对套管和接箍内表面的作用力。取3组充入气体压力和胶芯密封压力,分别为20和24 MPa、30和36 MPa、40和48 MPa,分析其对套管接箍连接处密封性能的影响。
2.2 不同检测内压力对套管密封性能的影响
图 7为3种情况下的套管和接箍的Mises应力云图。从图可以看出,由于套管接头处比接箍薄弱,套管密封接头处的Mises应力较接箍处大;随着充入套管和接箍内部的检测气体的压力不断增大,套管的最大Mises应力也呈现出不断增大的趋势;随着检测气压的不断增大,最大Mises应力的分布范围逐渐减小,螺纹连接处的应力增大,应力分布范围逐渐覆盖至整个螺纹处。
图 8为内压检测4种情况下接触应力曲线。由图可知,随着密封压力和充入气体压力的增大,主密封面的接触应力相应地增加,扭矩台肩的接触应力变化较小。主密封面和扭矩台肩的接触应力分布趋势没有变化,最大接触应力位于主密封面靠近螺纹处。接触应力增大的原因是内部加压后,气压大部分直接作用于套管内表面,接触面积大,套管向外膨胀变形比接箍要大,使得套管和接箍的主密封面接触更加紧密,越压越紧。主密封面的接触应力在编号1~编号3的位置变化浮动最大,最大接触应力随内部检测压力的增加而增加。
2.3 外压检测密封性能有限元分析建模
外压检测装置位于套管外部,故其施加载荷的方向与内压检测的施加方向相反,加载方式如图 9所示。外压检测套管密封性能的几何建模、材料属性、分析步、接触关系和网格划分等都和内压检测基本相同。压力变量仍然取与内压检测相同的3组进行加载,分析其对套管与接箍连接密封性能的影响。胶芯密封压力和气压分别为24和20 MPa、36和30 MPa、48和40 MPa。
2.4 不同检测外压力对套管密封性能的影响
图 10为外压检测3种情况下的Mises应力云图。由图可知,在施加外压的情况下,套管和接箍的Mises应力随着外密封压力和气体压力的增加而增加;在不同外压下,最大Mises应力的分布区域都位于扭矩台肩处,且在3组不同的外密封压力和气体压力的情况下,最大Mises应力的分布范围基本没变。
套管和接箍在3组外压检测情况下的接触应力曲线如图 11所示。
由图 11可知,在外压检测过程中,随着压力的增大,主密封面的接触应力相应增加。接触应力增大的原因是:由于外部施加的压力直接作用在接箍的外表面和套管除螺纹以外的外表面部分,使得接箍和套管螺纹以外的部分都向内压缩,但是相比于接箍的内缩量,套管要偏小一些,最终使得2主密封面更加贴紧,使其接触应力不断增加。接触应力在编号1~编号3的位置变化浮动最大,扭矩台肩和螺纹连接处的接触应力基本保持与扭紧状态一致。
3 结论(1) 无论是内压检测还是外压检测,都会增大套管和接箍的Mises应力。
随着内压检测过程的压力逐渐增大,最大Mises应力的分布范围会减小,主要集中分布在主密封面处。主密封面的Mises应力若达到屈服强度,将影响主密封面的密封性能。外压检测的最大Mises应力主要位于扭矩台肩处,随着外压的增大,最大Mises应力覆盖范围变化小,但是对主密封面的密封性能影响甚小。
(2) 内压和外压检测的过程,主密封面和扭矩台肩处的接触应力分布情况和变化趋势一致。随着检测压力的增加,接触应力都会增大,主密封面上最大接触应力的增大幅度最大。相对于内压检测,外压检测降低了对主密封面施加的检测压力。
可以认为,内压检测方式在某种程度上起到一定的辅助密封作用,即可能出现连接密封性本身存在问题,但是由于内压检测方式起到一定的密封作用,对实际密封状况的真实性反映有一定的蒙蔽。
(3) 外压检测方法相较于现阶段使用的内压检测方法,对套管接箍连接的密封影响较小且在接受的范围内。可以认为,采用外压检测方法对于套管接箍连接的密封进行检测可行。
[1] | 周星. 石油套管螺纹连接性能仿真分析[D]. 东营: 中国石油大学(华东), 2009: 84. |
[2] | 孔华, 步玉环, 马明新. 特殊螺纹接头锥面/锥面结构密封特性研究[J]. 石油机械, 2011, 39(4): 14–17. |
[3] | 习俊通, 聂钢, 梅雪松, 等. 螺距误差对套管螺纹载荷传递特性的影响[J]. 西安交通大学学报, 2000, 34(1): 46–49. |
[4] | AMERICA PETROLEUM INSTITUTE.Bulletin on formulas and calculation for casing, tubing, drill pipe and line pipe properties:BUL 5C3[S].Washington:API, 1994:16-18. |
[5] | 高连新, 金烨, 张居勤. 石油套管特殊螺纹接头的密封设计[J]. 机械工程学报, 2005, 41(3): 216–220. |