艾　池，高長(zhǎng)龍，郝　明，徐　樂，李　騰

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.遼河油田鉆采工藝研究院，遼寧盤錦124010）①

特殊螺紋氣密封性數(shù)值模擬

艾池1，高長(zhǎng)龍1，郝明1，徐樂2，李騰2

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.遼河油田鉆采工藝研究院，遼寧盤錦124010）①

利用ANSYS軟件，以BGT1螺紋和FOX螺紋為研究對(duì)象，對(duì)不同軸向拉載荷作用下特殊螺紋的Von Mises應(yīng)力及接觸應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：特殊螺紋公扣密封面及母扣管體大端Von Mises應(yīng)力較高，容易發(fā)生塑性變形，在相同軸向拉載荷條件下，F(xiàn)OX螺紋較BGT1螺紋更易發(fā)生塑性變形；隨著軸向拉載荷增加，BGT1螺紋和FOX螺紋的接觸長(zhǎng)度不變，密封面上接觸應(yīng)力逐漸減小，氣密封性能降低；在相同工況條件下，F(xiàn)OX螺紋的氣密封性能優(yōu)于BGT1螺紋，且相對(duì)于BGT1螺紋，F(xiàn)OX螺紋氣密封性能受軸向拉載荷影響較小。

特殊螺紋；接觸應(yīng)力；Von Mises應(yīng)力；軸向拉載荷；氣密封性能

相比于油和水等流體介質(zhì)，氣體具有更強(qiáng)的滲透能力，因此，氣井對(duì)螺紋密封性能的要求也更加苛刻，一旦螺紋密封失效，將導(dǎo)致氣體泄漏和套管環(huán)空異常帶壓等現(xiàn)象的發(fā)生［1-3］。目前，在深井、高溫高壓氣井的開采中，油氣田大都根據(jù)井下工況選擇具有高密封性能的特殊螺紋［4-7］。本文利用ANSYS有限元軟件，建立BGT1螺紋和FOX螺紋的有限元模型，并對(duì)不同軸向拉載荷條件作用下螺紋的Von Mises應(yīng)力、接觸應(yīng)力和接觸長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析軸向拉載荷對(duì)特殊螺紋氣密封性能的影響，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過程中特殊螺紋的合理選用提供理論依據(jù)［8-10］。

1　有限元模型

以73.03mm×5.51mmBGT1螺紋為研究對(duì)象，其螺紋結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格剖分模型如圖1所示。BGT1螺紋密封形式為柱面球面［11］，承載面角度3°，導(dǎo)向面角度10°，彈性模量205GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度552MPa，抗拉強(qiáng)度655MPa。

圖1　BGT1螺紋

以73.03 mm×5.51 mm FOX螺紋為研究對(duì)象，其螺紋結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格剖分模型如圖2所示。FOX螺紋密封形式為球面球面［12］，承載面角度3°，導(dǎo)向面角度10°，彈性模量205 GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度379 MPa，抗拉強(qiáng)度517 MPa。

圖2　FOX螺紋

本文將模型簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，螺紋幾何尺寸及施加的載荷均關(guān)于中心軸對(duì)稱，螺紋為各向同性材料，材料屈服后各向同性強(qiáng)化，進(jìn)行彈塑性接觸分析。為消除剛性位移，接箍對(duì)稱面軸向約束，接箍中間平面徑向和環(huán)向不施加約束，保持自由。選用具有軸對(duì)稱功能的PLANE82單元對(duì)螺紋進(jìn)行網(wǎng)格剖分，并利用TARGE169與CONTA172接觸單元模擬螺紋的面-面接觸對(duì)。

2　不同軸向拉載荷下特殊螺紋　Von　Mises應(yīng)力分布

利用ANSYS軟件，對(duì)不同軸向拉載荷作用下BGT1螺紋和FOX螺紋的受力狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，BGT1螺紋和FOX螺紋在0～300 k N軸向拉載荷作用下Von Mises的應(yīng)力分布如圖3～4所示。

由圖3可以看出：公扣密封面上Von Mises應(yīng)力較大，容易發(fā)生塑性變形；距離密封面越遠(yuǎn)，Von Mises越小，母扣管體大端上Von Mises應(yīng)力較大，容易發(fā)生塑性變形；距離管體大端越遠(yuǎn)，Von Mises應(yīng)力越?。浑S著軸向拉載荷的增加，公扣密封面上的Von Mises應(yīng)力逐漸降低。

圖3　不同軸向拉載荷下BGT1螺紋Von Mises應(yīng)力分布云圖

由圖4可以看出：FOX螺紋在不同軸向拉載荷作用下的Von Mises應(yīng)力分布及變化規(guī)律與BGT1螺紋相同；但在相同拉載荷下，F(xiàn)OX螺紋的Von Mises應(yīng)力高于BGT1螺紋。因此，在相同工況條件下，F(xiàn)OX螺紋更易發(fā)生塑性變形。

圖4　不同軸向拉載荷下FOX螺紋Von Mises應(yīng)力分布云圖

3　軸向拉載荷對(duì)特殊螺紋氣密封性能的影響

以圖1b和圖2b中所示的參考點(diǎn)為起始點(diǎn)，數(shù)值模擬不同軸向拉載荷條件下BGT1和FOX螺紋密封面上接觸應(yīng)力的變化規(guī)律，如圖5～6所示。

圖5　不同軸向拉載荷下BGT1螺紋接觸應(yīng)力變化規(guī)律

由圖5可以看出：隨著與參考點(diǎn)距離的增加，BGT1螺紋接觸應(yīng)力先增大后降低，存在最大值點(diǎn)，BGT1螺紋的氣密封性能主要依靠此點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)；隨著軸向拉載荷的增加，BGT1螺紋接觸長(zhǎng)度保持0.795 mm不變，最大接觸應(yīng)力逐漸減小，氣密封性能降低。

圖6　不同軸向拉載荷下FOX螺紋接觸應(yīng)力變化規(guī)律

由圖6可以看出：FOX螺紋密封面上接觸應(yīng)力分布與BGT1螺紋有較大區(qū)別，上升與下降較快，在軸向拉載荷較小時(shí)（0～100k N），F(xiàn)OX螺紋依靠點(diǎn)1實(shí)現(xiàn)密封，軸向拉載荷較大（100～300kN）時(shí)，點(diǎn)2起到密封作用；隨著拉載荷增加，F(xiàn)OX螺紋接觸長(zhǎng)度保持0.637mm不變，最大接觸應(yīng)力逐漸減小，氣密封性能降低。

為比較不同拉載荷條件下BGT1螺紋及FOX螺紋的氣密封性能，計(jì)算不同軸向拉載荷作用下BGT1螺紋和FOX螺紋密封面上最大接觸應(yīng)力的變化規(guī)律，如圖7所示。

圖7　不同軸向拉載荷條件下螺紋最大接觸應(yīng)力變化規(guī)律

由圖7可以看出：隨著軸向拉載荷的增加，BGT1螺紋及FOX螺紋最大接觸應(yīng)力降低，螺紋氣密封性能下降，但相比于BGT1螺紋，F(xiàn)OX螺紋最大接觸應(yīng)力降低相對(duì)較為緩慢，其氣密封性能受軸向拉載荷影響較小；在相同軸向拉載荷條件下，F(xiàn)OX螺紋最大接觸應(yīng)力高于BGT1螺紋，氣密封性能要優(yōu)于BGT1螺紋。

4　結(jié)論

1） 特殊螺紋公扣密封面和母扣管體大端處Von Mises應(yīng)力較大，容易發(fā)生塑性變形；在相同拉載荷條件下，F(xiàn)OX螺紋較BGT1螺紋更易發(fā)生塑性變形。

2） 軸向拉載荷不影響B(tài)GT1螺紋和FOX螺紋密封面的接觸長(zhǎng)度，但BGT1螺紋的接觸長(zhǎng)度大于FOX螺紋的接觸長(zhǎng)度；隨著軸向拉載荷的增加，BGT1螺紋密封點(diǎn)的位置不變，F(xiàn)OX螺紋密封點(diǎn)發(fā)生改變。

3） 隨著軸向拉載荷增加，BGT1螺紋和FOX螺紋的氣密封性能變差；在同一拉載荷作用下，F(xiàn)OX螺紋的氣密封性能優(yōu)于BGT1螺紋；相比于BGT1螺紋，F(xiàn)OX螺紋的氣密封性受軸向拉載荷影響相對(duì)較小。

［1］ 竇益華，于洋，曹銀萍，等.動(dòng)載作用下特殊螺紋油管接頭密封性對(duì)比分析［J］.石油機(jī)械，2014（2）：63-65.

［2］ 杜現(xiàn)飛，王海文，王帥，等.深井壓裂井下管柱力學(xué)分析及其應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（8）：28-33.

［3］ 黃翠英，張宏，段慶全.地下儲(chǔ)氣庫(kù)特殊螺紋套管接頭密封性分析［J］.石油機(jī)械，2010（5）：49-51.

［4］ Assanell A P，Dvorkin E N.Finite element methods of OCTG threaded connection［J］.Computer＆Struc-tures，1993，47（4）：723-734.

［5］ Hilbert L B Jr，Kalil I A.Evaluation of premium threa- ded connections using finite element analysis and full scale testing［G］.IADC/SPE 23904，1992：563-580.

［6］ 王定峰，林勇，巨滿成.長(zhǎng)北氣田優(yōu)質(zhì)油井管螺紋類型及其應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（11）：85-87.

［7］ Kawashima H，Morita Y，Tshihara K·Stress and con-tact pressure analysis of premium connections by finite element method［J］.SumitomoSearch，1986（33）：96-108.

［8］ 石曉兵，陳平，聶榮國(guó)，等.高壓對(duì)氣井套管接頭螺紋接觸應(yīng)力的影響研究［J］.石油機(jī)械，2006（6）：32-34.

［9］ Gabriel Carcagno.The design of tubing and casing pre-mium connection for HTHP wells［M］.SPE workshop in high pressure/high temperature sour de-sign.TX，U.S.A，2005：17-19.

［10］ 周海凌.動(dòng)載作用下特殊螺紋油管接頭連接強(qiáng)度及密封性分析［D］.西安：西安石油大學(xué)，2013.

［11］ 王定峰，林勇，巨滿成.長(zhǎng)北氣田優(yōu)質(zhì)油井管螺紋類型及其應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，37（11）：85-87.

［12］ 郭建華，馬發(fā)明.四川盆地高含硫氣井油管螺紋氣密封性能評(píng)價(jià)與應(yīng)用——以龍崗氣田為例［J］.天然氣工業(yè)，2013（1）：128-131.

Numerical Simulation Study on Special Sealing Threads

AI Chi1，GAO Changlong1，HAO Ming1，XU Le2，LI Teng2
（1.College of Petroleum Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China；2.Liaohe Oilfield Drilling&Production Technology Research Institute，Panjin 124010，China）

In this paper we use ANSYS to study the Von Mises stress and the contact stress of BGT1 and FOX thread with the different axial tensile loads.The research results show that Von Mises stress is high in the sealing surface of the male thread and tube end of female thread，prone to plastic deformation.In the same conditions of tensile axial load，F(xiàn)OX is more susceptible to plastic deformation than BGT1；with the axial tensile load increases，the contact length BGT1 and threads is invariant，while sealing surface contact stress decreases gradually and gas seal perform ance reduces.In the same condition，the gas seal performance is better than FOX and BGT1.Rela tive to the BGT1 thread，axial tensile load affects less gas sealing performance of FOX threads.

special thread；contact stress；Von Mises stress；axial tensile load；gas seal performance

TE931.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.001

1001-3482（2015）07-0001-04

①2014-12-30

國(guó)家自然科學(xué)基金“基于混沌理論煤層氣井壓裂孔裂隙分形演化與滲流特征研究”（51274067）

艾 池（1957-），男，黑龍江大慶人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油氣井工程力學(xué)、油水井增產(chǎn)增注方面研究，E-mail：aichi2001＠163.com。