新型連接方式注水管的研制與應用

李松梅， 李淑濤， 秦雙雙

（中海能源發展股份有限公司油田建設工程公司，天津 塘沽300452）

1 引 言

目前海上注水井使用的注水管均為普通NU 油管，在高壓高流速的作用下，管體與接箍連接處形成較強的渦流，油管出現嚴重沖蝕和大面積結垢的現象,導致注水管的連續工作壽命較短，頻繁停機檢修，增加生產成本。針對這些問題設計了特殊注水管，該注水管接箍采用內凸臺的結構和特殊的螺紋結構形式，使得注水管與接箍連接起來后內徑完全一致，可有效消除由于渦流而帶來的影響，延長注水管的連續工作壽命，增加了注水量，提高了地層壓力，提高了原油的采收率，在很大程度上縮小了停機檢修的頻率，大大降低了生產成本。

2 結構形式和螺紋形式的設計

2.1 普通注水管的有限元分析計算

根據對普通注水管結垢、沖蝕的分析，出現該問題的原因是由于注水管在接箍連接處存有間隙，液體在高壓高流速下在此處產生較強的渦流，從而導致在該局部區域出現嚴重的沖蝕結垢現象。通過ANSYS 軟件對注水管管內的液體流速、壓力、結構過程以及沖蝕進行有限元分析計算，其結果證實了我們分析的原因的正確性，并模擬出了普通注水管的結垢過程。

如圖1、如圖2，通過對流速、流層的分析，可見在接箍中間縫隙位置，存在較強的渦流，正是渦流的存在導致了大面積結垢的發生。

圖1 流速分析圖

圖2 流層分析圖

通過壓力計算結果可以看出在接箍中間縫隙處的壓力較高，從而導致出現沖蝕現象。

通過分析軟件對其結垢過程進行模擬，如圖3、圖4。

圖3

圖4

對沖蝕現象我們用ANSYS 軟件進行了計算，并得出計算結論。根據以上螺紋裝配和加水壓的計算結果，鋼管容易出現沖蝕的部位有2 個，一是管頭，二是鋼管與螺紋套入口的接觸部位的內側。沖蝕機理和過程可以解釋為：因為在接箍中間有間隙，因此造成局部應力過高，在有腐蝕的環境下，如果管頭和鋼管高應力部位發生腐蝕，就會出現局部材料失效或脫落，局部材料的失效和脫落引起鋼管內部應力的重新分配，導致鋼管的部分區域的應力超標，局部的超標應力逐漸發展導致了較大區域的材料失效與脫落。

2.2 新型連接方式注水管的設計

根據以上分析，我們設計了新型連接方式注水管，其結構形式如圖5。

在新型連接方式注水管中，由于接箍形式的改變，消除了接箍中間的縫隙，消除了因縫隙而帶來的渦流，從而解決了結垢和沖蝕帶來的影響與不利。

通過用ANSYS 有限元分析軟件對新型連接方式注水管進行計算，其結果如圖6、圖7。

圖5 新型連接方式注水管結構示意圖

圖6

圖7

由計算結果可知，在新型連接方式注水管內，其液體的流速與壓力均是均勻分布，這就說明徹底地消除了渦流帶來的影響。

新型注水管材料仍選用N80，其力學性能完全滿足生產需要。

3 新型連接方式注水管的的加工

3.1 圖紙的設計

根據設計方案，我們繪制了設計圖紙，并進行優化設計，設計圖紙如圖8、圖9。

3.2 新型連接方式注水管的加工及上扣實驗

在螺紋的加工過程中，如何去確定合適的緊密距、上扣扭矩，以及合適的緊密距數值為多少成為了一個關鍵的技術難點，為此我們根據計算數據，加工了數十個不同的緊密距的螺紋，通過上扣實驗，反復地擰接，最終確定了緊密距以及上扣扭矩。

圖8 新型連接方式注水管接箍

圖9 新型連接方式注水管公頭

4 質量的保證

我公司已經從事多年加工各種API 標準鉆桿螺紋和油、套管螺紋的工作，并且通過了API 認證，我們還自行設計了擁有獨立產權的BHT 特殊螺紋。公司檢驗設備精良、齊全，檢驗員均通過了API 一級檢驗員考試，檢驗認真細膩，經驗豐富。可以說我們在螺紋加工方面具有豐富的經驗。為了保證加工精度和質量，我們在加工時采用先進的數控車床，以提高加工精度，在加工過程中增加階段檢驗的程序，嚴格地控制每道工序。

5 結 論

新型連接方式注水管的設計研發，完全解決了普通注水管因存在渦流而帶來的大面積的結垢現象，從而解決了實際生產中生產效率較低、頻繁修井作業以及生產成本高的問題，大大提高了生產效率，降低了生產成本。

［1］ 孫訓方，等.材料力學［M］.北京高等教育出版社，1994.

［2］ 許志倩，等.非API 標準Big Omega 特殊螺紋接頭連接性能數值分析［J］.石油礦場機械，2009，38（6）：34-39.