鋁合金直連型套管接頭密封性能分析*

呂瑋 張全勝 李玉寶 李娜 趙鵬程 任京文

(1.勝利油田石油工程技術研究院 2.中國石油大學(華東)機電工程學院)

0 引 言

由于地質條件的不同，某些特殊油藏中的石油開采有特殊要求。針對油田中的碳酸鹽巖地層的奧陶系油藏，油井常用裸眼完井方式。為提高產量需對地層實施酸化壓裂措施，但這會破壞裸眼井壁穩定性，導致裸眼井壁發生坍塌[1]，影響正常生產，因此在壓裂時需下入套管起支撐保護井壁的作用，在完成壓裂酸化后，需鉆除井底套管以恢復裸眼井筒。目前采用常規鋼制的接箍型套管能滿足支撐保護井壁的作用，但在鉆磨過程中存在施工難度大，作業時間長、費用高等問題，而選用鋁合金材料套管可以有效地解決這個問題[2]。

目前普通鋼制套管產品有很多，也有很多關于鋼制的特殊螺紋接頭設計與研究，但對于某些油藏在開采中需要的可鉆套管，國內外對此研究較少。2011年，張占國等[2]對套管偏梯形螺紋接頭的性能、螺紋牙受力分布規律進行了有限元仿真分析，提出了增加完整螺紋段長度以減輕應力集中。2016年，竇益華等[3]建立了特殊螺紋接頭的三維有限元分析模型，對不同扭矩下的螺紋接頭進行有限元分析。分析表明，當扭矩不足時，接頭能實現密封，但此時輔助密封失效；扭矩過大時，接頭密封性能較好，但此時接頭的應力較大，容易造成接頭的損壞。2018年，Wei Chen等研究了超深井和大位移井下的密封失效問題，建立了考慮非線性的三維有限元模型，分析發現預緊力對接頭的密封性能有重要影響，軸向載荷的增加會提高螺紋段的密封性能，同時會削弱密封面和扭矩臺肩上的密封性能。2019年，劉奔等[4]對鋁合金油管進行研究，設計了一款接頭加厚的直連型油管接頭，對接頭的連接與密封性能進行了分析。但其接頭部分的厚度較大，加工和下入性能較差，不適用于套管接頭的設計。

綜上所述，對于套管接頭的設計與分析已經進行了一些研究，研究方法包括理論分析、數值仿真和試驗等。但大多數的研究都是基于API鋼級，目前對于其他材料的套管接頭研究并不多，僅有少數學者研究了鋁合金在油管與鉆桿上的應用。但由于實際開采的要求，某些情況下需要選用鋁合金金屬材料制作的套管，且對接頭的密封性能有較高的要求，因此需開展鋁合金材料套管接頭的密封性研究與分析。

1 直連型接頭模型建立及精度驗證

1.1 直連型接頭模型建立

直連型接頭采用7075牌號的鋁合金設計。7075牌號鋁合金在20 ℃下的屈服強度為540 MPa，抗拉強度為600 MPa；在100 ℃下的屈服強度為473 MPa，抗拉強度為550 MPa。螺紋形式為梯形螺紋，螺紋牙數為13牙，齒高為1.4 mm，螺距為6牙/in，承載面和導向面角度分別為3°和6°，錐度成1∶16。采用齒頂面與齒根面過盈接觸的配合方式。臺肩面選用逆向臺肩結構，逆向臺肩的臺肩角范圍為-15°～ 0°，采用錐面-錐面的密封結構形式[5-6]。

套管接頭為復雜螺旋曲面形成的幾何實體，為降低計算量提高計算效率，采用二維軸對稱模型進行接頭性能分析，摩擦因數為0.1，利用上扣扭矩與過盈有定量的關系來模擬上扣扭矩。而對于軸向載荷和內外壓載荷則直接施加在相應作用面上。接頭分析的邊界條件為將接頭一端(A端)設置為軸向固定、徑向自由的約束，如圖1所示。而對接頭的載荷加載需分為2步：第一步是施加接頭的上扣扭矩，設置螺紋、密封和扭矩臺肩的過盈以模擬上扣扭矩；第二步是在施加上扣扭矩基礎上，由具體分析內容在相應作用面施加軸向載荷或內外壓載荷[7-8]。

圖1 邊界條件與載荷施加示意圖Fig.1 Schematic diagram of boundary conditions and loading

1.2 仿真模型試驗驗證

采用套管內加壓的方法代替軸向拉伸載荷，對3根?121 mm×8 mm的圓螺紋套管接頭進行試驗驗證。設計了如圖2所示的試驗方案，動力系統主要由試壓泵和穩壓罐組成，試驗系統由水箱和固定夾鉗組成；水箱實現了控溫和安全防護的作用，固定夾鉗起到固定試樣的作用。

恒溫安全水箱設置溫度為20 ℃(即室溫)，啟動試壓泵，開始以6 MPa為增量進行連續加壓；加壓到30 MPa時，以2 MPa為增量進行增壓，觀察套管短節螺紋處是否斷裂，當螺紋斷裂時即停止加壓。斷裂后的形貌如圖3所示。

1—電動試壓泵；2—穩壓罐；3—壓力表；4—壓力控制閥；5—管線；6—套管接頭試樣；7—恒溫安全水箱；8—絲堵；9—固定夾鉗；10—加壓接頭。圖2 試驗方案圖Fig.2 Test scheme

圖3 接頭斷裂圖Fig.3 Joint fracturing

利用有限元建立同試樣尺寸相同的分析模型，仿真結果如圖4所示。試驗與有限元分析結果對比如表1所示。

圖4 仿真結果圖Fig.4 Simulation results

表1 試驗與有限元結果對比Table 1 Test and finite element simulation results

由表1可以看出，有限元結果比試驗值偏大，這是由零件加工誤差等因素引起的。但有限元結果與試驗結果相對誤差為8.85%，有限元分析結果滿足要求，表明有限元參數設置合理。

2 結構參數影響分析

2.1 密封面角度影響

當密封面角度較小，產生相同過盈量時，需較長的上扣量，綜合考慮選擇密封面的角度為8°～20°。取?139.7 mm×12.5 mm的套管作為研究對象，在進行分析設置時，通過過盈量來控制上扣。上扣時螺紋部分徑向過盈量為0.155 mm，主密封面的徑向過盈量為0.35 mm，扭矩臺肩為直角臺肩，扭矩臺階面的軸向過盈量為0.04 mm，并在軸向施加200 kN的拉力，分析在上扣和上扣加拉伸時的密封性能[9]。結果如圖5所示。

圖5 密封面角度對密封性能的影響Fig.5 Influences of sealing surface angle on sealing performance

由圖5可知，在上扣和上扣+拉伸2種工況下，隨著密封面角度的增加，密封面的最大接觸壓力呈現先增加后減小的趨勢，而密封面的接觸強度先小幅增加后呈現降低的趨勢。在密封面角度為16°時，雖然上扣工況下的密封強度不是最大，但在拉伸工況下其密封強度接近最大，且此時密封面的接觸壓力達到最大，因此將密封面角度選為16°。

2.2 密封面長度影響

過長的密封長度將會造成加工和裝配的復雜性，因此需考慮密封面長度對密封性的影響。根據所設計的接頭尺寸，將密封長度范圍限定在2.0～3.5 mm之間。將套管尺寸、上扣扭矩過盈量和軸向載荷同上述分析成同樣參數，并將密封面角度取為16°，分析得到不同密封面長度下的接觸壓力的分布，如圖6所示。

由圖6可知，隨著密封面長度的增加，在上扣和上扣+拉伸2種工況下，其最大接觸壓力和密封強度均有所上升，這表明在尺寸允許范圍內，增大密封面的長度可提高密封性能，因此將密封面的長度設為3.5 mm。

圖6 密封面長度對密封性的影響Fig.6 Influences of sealing surface length on sealing performance

2.3 扭矩臺肩角度影響

在扭矩臺肩設計時，以直角臺肩和逆向臺肩作為設計方案，直角臺肩和逆向臺肩均為面接觸，因此可以將直角臺肩視為逆向角為0°的特殊逆向臺肩，逆向角越小，加工越困難，通常逆向角的范圍為-15°～0°。通過有限元分析，分析逆向角不同時的特性，優選合理的臺肩角度，更好地發揮扭矩臺肩的密封效果。

扭矩臺肩對主密封面不僅有保護作用，還能影響密封面的密封性能。圖7為扭矩臺肩角度對密封面密封性能的影響。在上扣和上扣+拉伸2種工況下，隨著扭矩臺肩角度的增加，密封面的最大的接觸壓力和密封強度均呈現下降趨勢，因此選擇小的扭矩臺肩角度可以提高主密封面的密封性能[10-13]。

圖7 臺肩角對密封面密封性的影響Fig.7 Influences of torque shoulder angle on sealing performance

3 過盈量影響分析

3.1 密封面過盈量影響

為分析密封面過盈量對接頭的密封性能的影響，首先研究密封面不同法向過盈量時，其上的接觸壓力和密封強度的變化情況，結果如圖8和圖9所示。密封面過盈量對接頭應力的影響如圖10所示。

圖9 密封面過盈量對密封強度影響Fig.9 Influences of sealing surface interference on sealing strength

從圖8可知，在密封面長度上接觸壓力呈現不均勻分布，隨著密封面過盈量的增加，接觸壓力分布不均勻的現象并未得到改善，但隨著密封面過盈量的增加，最大接觸壓力顯著增加。

從圖9可知，隨著密封面過盈量的增加，密封強度顯著提高。通過上述分析可知，增大密封面的過盈量可增加密封的可靠性。

圖10 密封面過盈量對接頭應力的影響Fig.10 Influences of sealing surface interference on joint stress

由圖10可知，隨著密封面過盈量的增加，接頭的應力隨之增加。為防止較大的塑性變形使接頭密封面產生破壞，因此應使接頭的最大應力應小于材料的屈服強度，密封面的過盈量設計為0.4 mm。

3.2 臺肩面過盈量影響

為分析臺肩面過盈量對接頭的密封性能的影響，首先研究不同臺肩面過盈量時，密封面上的接觸壓力變化情況，結果如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 臺肩面過盈量對密封強度影響Fig.11 Influences of shoulder surface interference on contact pressure distribution

由圖11可知臺肩面過盈量的增加，接觸壓力有一定程度的增加，但最大接觸壓力增加不顯著。由圖12可知，隨著臺肩面過盈量的增加，密封強度有所提高，當扭矩臺肩過盈量超過0.1 mm后，密封強度的增長速率有所降低。由此可以得到，適當增加臺肩面過盈量可增強密封面的密封性能。

圖12 臺肩面過盈量對密封強度影響Fig.12 Influences of shoulder surface interference on sealing strength

圖13 不同臺肩面過盈量對接頭應力的影響Fig.13 Influences of shoulder surface interference on joint stress

根據圖13可知，隨著套管螺紋扭矩臺肩面過盈量的增加，密封面的應力也隨之增大。為了防止較大的塑性變形使套管螺紋接頭密封面產生破壞，應使接頭的最大應力盡可能小于材料的屈服強度。從圖13可以發現：當臺肩面過盈量為0.06 mm時，上扣后密封面處最大應力為471.28 MPa，接近材料的屈服強度473 MPa；當臺肩面過盈量為0.08 mm時，套管螺紋上扣后密封面處最大應力473.36 MPa，稍微大于材料的屈服強度。因此可得臺肩面過盈量范圍在為0.06～0.08 mm時，可以在滿足強度要求的前提下獲得更高的密封強度。

4 載荷作用影響分析

4.1 軸向拉伸載荷下密封性分析

以100 kN增量逐步增加軸向拉力，得到軸向載荷變化對不同壁厚的密封性能的影響，結果如圖14所示。隨著軸向拉力的增加，最大接觸壓力和密封強度均呈現下降趨勢，這表明軸向載荷對密封性能的影響較大，在有軸向載荷時應注意考慮軸向載荷對密封性能的影響。此外在同一軸向拉力下，隨著壁厚的增大，套管接頭的最大接觸壓力和密封強度也逐漸增大，因此選擇壁厚較大的套管接頭可獲得較好的密封性能[14-15]。

圖14 軸向拉力對密封性能影響Fig.14 Influences of axial tension on sealing performance

4.2 軸向壓縮載荷下密封性分析

以?139.7 mm×12.5 mm 和?139.7 mm×13.5 mm的接頭作為分析對象，分析不同軸向壓縮載荷時接頭的密封性能，得到軸向壓力變化對套管螺紋最大接觸壓力和密封強度的影響，所得結果如圖15所示。

圖15 軸向壓力對密封性能影響Fig.15 Influences of axial compression on sealing performance

由圖15可得，隨著軸向壓力的增加，最大接觸壓力有所增加，并且其密封強度也隨軸向壓力的增加而增加。因此在受壓工況下，接頭的密封性能優于最佳上扣時的密封性能，此時接頭的密封性良好，所以在此種工況下不需要考慮軸向壓力對密封性能削弱作用。

4.3 內壓載荷下密封性分析

內壓增大使密封面應力增大可能會引起密封面失效，所以以尺寸為?139.7 mm×12.5 mm的鋁合金接頭和?139.7 mm×13.5 mm的鋁合金接頭作為研究對象，分析內壓變化對不同壁厚接頭的密封性能影響，對分析得到的數據進行處理可得內壓對密封性能的影響如圖16所示。

由圖16a可知，隨著內壓載荷的增加，接頭的最大接觸壓力呈現先增加后降低的趨勢，這是因為在內壓作用時，接頭密封面的應力較大，對密封面的接觸壓力產生了影響，雖然最大接觸壓力有降低的趨勢，但是其壓力值仍接近或大于內壓為0時的接觸壓力。

由圖16b可知，隨著密封強度隨內壓的增加而增加，這說明在內壓作用下，密封面的接觸壓力有變均勻的趨勢。綜上，在內壓工況下套管接頭密封性能沒有下降，因此不需考慮內壓對密封性削弱的影響。

4.4 外壓載荷下密封性分析

為分析不同外壓作用下對套管接頭的密封性能影響，以尺寸?139.7 mm×12.5 mm和?139.7 mm×13.5 mm的套管接頭作為研究對象對分析得到的數據進行處理可得外壓對密封性能的影響如圖17所示。由圖17可知，隨著外壓的增加，接頭密封面上的最大接觸壓力先增大后減小，當外擠壓力較大時密封面上的最大接觸壓力小于僅在上扣扭矩作用時的最大接觸壓力，密封強度隨著壓力的增加也呈現先增大后減小的趨勢，但密封強度整體與僅在上扣時的密封強度接近，因此可在使用時不考慮外壓作用對密封性能削弱的影響。

圖17 外壓對密封性能的影響Fig.17 Influences of external pressure on sealing performance

5 結 論

(1)密封面角度為16°，密封面長度為3.5 mm，扭矩臺肩角度為逆向角-15°，密封面過盈量為0.4 mm，扭矩臺肩面過盈量為0.06～0.08 mm時接頭的密封性能較好；適當地增大密封面長度，減小扭矩臺肩面角度有利于增加密封性能。在上扣后密封面應力不超過材料屈服強度的前提下，增加密封面過盈量有利于增加密封性能。

(2)在軸向拉伸載荷、軸向壓縮載荷、內壓載荷、外壓載荷4種工況下，接頭的密封性可以滿足使用要求。軸向拉伸載荷作用對其密封性能的影響最大，而軸向壓縮載荷、內壓載荷和外壓載荷對密封性能影響可不予考慮。