直連型油套管接頭結構設計與分析

郭 強

(天津鋼管制造有限公司，天津 300301)

0 引言

直連型油套管特殊螺紋接頭的特點是不需要接箍連接，管體兩端加工公母螺紋后直接連接在油套管的端部。其優點是油套管與井壁的間隙相對增大，有利于套管的下入和水泥封固質量的提高[1-3]，廣泛用于深井、超深井的鉆井以及小間隙固井、修井等作業，對解決由于井眼小，套管下入困難及固井質量不能保證等問題具有重要的意義[4-7]。目前國內直連型特殊扣油套管產品中，主要有瓦盧瑞克公司的VAM-FJL、特納瑞斯公司的W-511和W-513、天津鋼管公司的TP-FJ、寶鋼的BG-FJ等。直連型特殊扣產品的主要性能要求包括軸向拉力、抗擠毀性能和抗內壓性能，由于其特殊的結構形式，產品抗內壓強度要低于管體本體，連接強度僅為管體的50%～60%，壓縮效率低于管體，以VAM-FJL為例，其壓縮效率僅為管體的20%～25%[8-9]。

為了滿足油田日益苛刻的井況，直連型特殊扣油套管產品的設計優化改進是必要的。本文對直連型特殊扣油套管產品進行優化設計開發，通過有限元分析方法，選出最優設計方案，并最終確定了勾型齒形和球對錐的特殊扣密封結構，并對其上、卸扣和氣密封性進行了驗證。

1 直連型螺紋接頭的特點及結構優化

1.1 普通直連型螺紋接頭的特點

市場常見的直連型特殊扣產品為內外平齊直連型特殊扣油套管，主要用于中、厚管壁油套管接頭加工，其結構特點如下：

（1）螺紋形式：錐度1:16，螺距5牙/英寸，API偏梯型齒形螺紋結構。

（2）密封位置和形式：公端端部,采用錐對錐密封。

（3）上扣對頂位置：母端端部與公端尾部對頂。

（4）內外完全齊平，適用于中等壁厚和厚壁套管產品，對薄壁直連型產品的性能具有局限性。

（5）對常規壁厚的直連型套管內壓和外壓密封能力低。

（6）抗壓縮和抗過扭能力較低。

1.2 直連型螺紋接頭的結構優化

普通直連型螺紋接頭產品性能較低，不能滿復雜井況下的需求。為提高該產品的使用性能和穩定性，需要對現有產品進行優化升級，具體如下：

1.2.1 齒形改進

采用6～8牙/英寸的勾型齒形，承載側角度為-4～-10°，導入側角度為10～20°，公齒高為0.8～1.2mm，母齒高為0.8～1.2mm，降低齒高有利于保證密封面厚度，更好的分配公母端的壁厚。

1.2.2 密封結構

采用公母端雙密封面結構設計，第一級密封為主密封，采用錐面對錐面金屬密封結構，內外密封面采用大角度設計。

1.2.3 對頂形式

扭矩臺階設計為負角度臺肩設計，外臺肩對頂形式。

2 有限元結構分析

2.1 模型及邊界條件

此次模擬分析選用規格為Φ114.3mm×8.56mm的P110鋼級油套管建立有限元模型，模型為軸對稱型。P110鋼級油套管楊氏模量E=2×105MPa，泊松比=0.3。模擬分析幾何模型如圖1所示，網格劃分如圖2所示，內密封網格細化如圖3所示，螺紋網格細化如圖4所示，外密封網格細化如圖5所示。

圖1 幾何模型

圖2 網格劃分

圖3 內密封網格細化

圖4 螺紋網格細化

圖5 外密封網格細化

2.2 加載分析

在P110鋼級油套管上取樣進行拉伸試驗，套管材料室溫下拉伸曲線如圖6所示。對接頭施加載荷的套管和接頭的等效VME應力曲線如圖7所示。載荷值根據API RP 5C5 2017 A系計算得到，14個載荷點均位于接頭95%等效VME應力曲線上。

圖6 P110鋼級拉伸曲線

圖7 套管和接頭的VME曲線

各載荷步載荷點見表1。表1中：軸向載荷是施加在管端部，拉伸為正，壓縮為負；壓力載荷分為內、外壓力載荷，內壓載荷是施加在管體內壁、接頭公母端臺肩和公母端密封面處，為正值，外壓載荷是施加在管體外壁、公母端臺肩和公母端密封面處，為負值。

表1 載荷步加載點

此次有限元分析共建立了3種模型，對每種模型結構的齒形和密封結構進行優化分析，優選出有限元分析的最優結果，進行樣品加工后進行實物試驗。

2.3 有限元結果分析

2.3.1有限元分析結果

規格Φ114.3mm×8.56mm的P110鋼級直連型氣密封特殊扣共分析了3種模型，每種模型根據不同的公母端密封面密封結構和過盈形式，進行優化選擇分析。通過對3種模型進行有限元分析后，提取分析結果，計算分析每種模型密封指數，密封接觸長度，最大密封接觸壓力，用以優選最優模型設計。每種模型的參數變化見表2。

表2 3種模型參數

圖8為3種模型內密封面在上扣（MU），T95、T95 I95和CEPL載荷步下密封面接觸長度和接觸壓力的曲線圖。圖9為3種模型外密封面在上扣（MU），C60 E100，E100和T67 E100載荷步下密封面接觸長度和接觸壓力的曲線圖。圖10為在最大拉伸（T95）載荷步、最大內壓點（CEPL）載荷步和拉伸加外壓（T67 E100）載荷步下的等效應力分布云圖。

圖8 內密封各載荷步接觸長度和接觸壓力的曲線

圖9 外密封面在各載荷步下密封接觸長度與接觸壓力曲線

圖10 重要載荷步應力云圖

2.3.2 模型有限元分析結果優選

根據有限元結果的分析情況，對上述模型做出的結果進行分析：

（1）模型1和模型2對比分析：模型2的密封面最大接觸壓力非常大，粘扣風險高；模型2在T95載荷步下，密封面接觸長度最短，接觸長度僅為0.6mm。

（2）模型3與模型2對比分析：模型3的在T95載荷步的密封接觸長度為1.3mm，在各載荷步下密封指數較平穩，且都大于3，密封面最大接觸應力要明顯低于模型2，粘扣風險低。

經上述對比分析，以模型3作為最優結果。分析模型3規格Φ114.3mm×8.56mm P110鋼級的上扣載荷步和VME曲線，14點各載荷步的密封指數如圖11所示。

由圖11可以看出，模型3規格Φ114.3mm×8.56mm P110鋼級內外平齊型直連型氣密封接頭在受到內壓載荷時，內密封面的密封指數平均3以上；在受到外壓載荷時，外密封面的密封指數在T67 API100載荷步下，密封指數為1.7。密封指數只能作為有限元分析數據，若作為設計參考依據，還是要通過實物評價試驗最終確定密封指數與設計密封性能的關系。

圖11 模型3在各載荷點的密封指數

2.4 實物試驗

對優選后的Φ114.3mm×8.56mm規格P110鋼級直連型套管按照API RP 5C5 2017版標準加工試樣，進行上卸扣試驗，試驗共進行3次。3次上扣曲線如圖12、圖13和圖14所示。由圖12可以看出，第一次上扣試驗，按照最佳上扣扭矩為2220ft.lbs，拐點扭矩偏高；由圖13、圖14可以看出，第二、第三次上扣試驗，按照最佳扭矩為2500ft.lbs上扣，拐點扭矩趨于合理，卸扣后螺紋和密封面情況良好，無粘扣情況發生。

圖12 第一次上扣曲線

圖13 第二次上扣曲線

圖14 第三次上扣曲線

另外，按照API RP 5C5 2017要求，進行B系和C系載荷試驗，并通過了載荷架試驗。實物試驗驗證了模型3密封結構具有良好的密封完整性，能夠完成復雜井況的工況要求。

3 結語

為滿足日益復雜的超深井及復雜井等特殊井況需求，新開發的內外平齊直連型特殊扣產品能夠通過最苛刻的API RP 5C5 2017版標準試驗要求。以Φ114.3mm×8.56mm規格P110鋼級產品設計為例，通過有限元分析和實物試驗相結合的方法，設計開發出了滿足超深井井況需求的直連型特殊扣產品。通過對小口徑直連型特殊扣油套管的齒形和密封結構進行優化，采用一致性設計原則，完成小口徑規格內外平齊式直連型產品的設計。優化設計有以下幾點：

（1）齒形結構優化采用6～8牙/英寸的勾型齒形，承載側角度-4～-10°，導入側角度10～20°，公齒高為0.8～1.2mm，母齒高為0.8～1.2mm，降低齒高有利于保證密封面厚度，更好的分配公母端的壁厚。

（2）密封結構優化采用球對錐的密封結構，在內外平齊直連型產品結構中，球對錐密封結構具有穩定的密封性能。

（3）管端收口能夠保證公端密封面的厚度，提高密封面剛度，收口工序對產品密封性有增益效果。