狄勤豐, 王 楠, 陳 鋒, 王文昌, 牛新明, 張金成

(1.上海大學(xué)上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所,上海200072;2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院,北京100101)

石油天然氣鉆采一方面離不開鉆具(主要包括鉆桿、鉆鋌),另一方面需要消耗大量的油管和套管(簡(jiǎn)稱油套管).鉆具和油套管通過螺紋接頭(簡(jiǎn)稱油井管螺紋接頭)連接成最長(zhǎng)超過萬米的管柱.因此,油井管柱是否安全可靠是石油鉆采作業(yè)順利進(jìn)行的關(guān)鍵.隨著油氣勘探開發(fā)難度的增大,超深、高溫、高壓井逐漸增多,油井管受到的載荷工況(包括拉伸、壓縮、彎曲、內(nèi)壓、外壓以及溫度等)越來越復(fù)雜,油井管柱面臨的安全性挑戰(zhàn)也越來越大.油井管柱失效已成為各油田遇到的主要問題之一[1],其中尤以螺紋接頭的失效最為嚴(yán)重.國(guó)內(nèi)外油套管失效情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,油套管失效事故約64%發(fā)生在螺紋連接處,有的油田這一比例甚至接近86%[2].由此可見,油井管螺紋連接部位是油井管柱的薄弱環(huán)節(jié),提高其連接質(zhì)量和密封性能是確保油井管柱質(zhì)量的關(guān)鍵.為了確保油井管螺紋接頭的安全性,許多學(xué)者對(duì)其力學(xué)特性進(jìn)行了研究,取得了很好的進(jìn)展.然而,隨著超深、高溫、高壓井?dāng)?shù)量的不斷增加,油井管螺紋接頭的失效問題逐漸增多,這在某種程度上與復(fù)雜載荷條件下油井管螺紋接頭力學(xué)性能分析不足有關(guān).本工作在介紹油井管螺紋接頭發(fā)展進(jìn)程的基礎(chǔ)上,首先闡述了油井管螺紋接頭力學(xué)性能的研究進(jìn)展,對(duì)國(guó)內(nèi)外油井管螺紋接頭力學(xué)特性的試驗(yàn)方法、設(shè)備以及數(shù)值模擬方法進(jìn)行了描述,明確了當(dāng)前研究中存在的不足之處,為油井管螺紋接頭力學(xué)性能的研究方向提供新的思路.

1 油井管螺紋接頭的研究進(jìn)展

圖1為油氣井系統(tǒng)及鉆具、油套管產(chǎn)品示意圖.由于受力特征不同,鉆具螺紋接頭和油套管螺紋接頭存在一定的差異.除可能的彎矩外,前者需承受很大的軸向力和扭矩,而后者主要面臨內(nèi)外壓差和高溫的載荷環(huán)境.在復(fù)雜外載荷作用下,油井管螺紋接頭常發(fā)生失效(見圖2)[3],給工程作業(yè)和安全生產(chǎn)帶來不利影響,嚴(yán)重時(shí)可能造成井筒和油井報(bào)廢,損失上億元.為了確保油井管柱螺紋接頭的連接強(qiáng)度和密封安全性,國(guó)內(nèi)外研究人員投入了大量的人力物力,形成了油井管螺紋接頭系列產(chǎn)品,有力保障了油氣資源的開發(fā).

圖1 油氣井系統(tǒng)與鉆桿、油套管Fig.1 Schematic diagram of oil gas system,drill pipe,tubing and casing

圖2 油井管螺紋接頭失效Fig.2 Failure of threaded connections

油套管的上卸扣次數(shù)很少,一般使用細(xì)扣.自20世紀(jì)初以來,API圓螺紋接頭在油田得到了廣泛的應(yīng)用.但當(dāng)所受載荷較復(fù)雜時(shí),圓螺紋接頭在使用中也逐漸暴露出一些問題,如強(qiáng)度不夠(僅為管體的60%～80%)、易滑脫、密封性差等.為了提高油套管螺紋接頭的連接強(qiáng)度,越來越多的油田開始使用API偏梯形螺紋接頭.然而,偏梯形螺紋接頭的密封性能并不理想[4],且粘扣失效事故時(shí)有發(fā)生,給油田造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失.美國(guó)Atlas Brandford和Hydril兩家公司于20世紀(jì)60年代初最早成功開發(fā)了特殊螺紋接頭并申請(qǐng)了專利,隨后其他公司和研究單位也紛紛開展相關(guān)研究,并相繼推出了各自的特殊螺紋接頭.據(jù)統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)和使用的特殊螺紋接頭已達(dá)上百種,在油氣田獲得廣泛應(yīng)用的也有幾十種,而且每年都有新型接頭問世[5].由于需要頻繁上卸扣,所以用于鉆井工程的鉆桿、鉆鋌等鉆具常用粗扣,主要包括數(shù)字扣、內(nèi)平扣、貫眼扣和正規(guī)扣4種API標(biāo)準(zhǔn)扣型.目前,正規(guī)扣主要用于鉆頭連接,內(nèi)平扣和慣眼扣正逐步被數(shù)字扣取代.隨著油氣井鉆采作業(yè)向更大井深、更苛刻工況條件方向發(fā)展,常用的API標(biāo)準(zhǔn)鉆桿已難以滿足油田進(jìn)一步開發(fā)的要求,所以國(guó)內(nèi)外各大鉆桿生產(chǎn)廠商相繼開發(fā)了具有更高抗扭性能的雙臺(tái)肩鉆桿接頭.Grant Prideco公司于20世紀(jì)90年代開發(fā)了第一代雙臺(tái)肩接頭——HT接頭,其抗扭矩能力比API標(biāo)準(zhǔn)接頭提高約40%.此后又相繼開發(fā)了GPDS,XT,TT等一系列特殊螺紋鉆具接頭,均取得了較好的應(yīng)用效果.此外,VAM公司的VAM TAURUS,VAM EIS接頭,OMSCO公司的TorqMaster TM4接頭,NKK的DS接頭,寶鋼、渤海能克、海隆等鉆桿生產(chǎn)廠商開發(fā)的雙臺(tái)肩系列鉆桿等,均在國(guó)內(nèi)外油氣田得到了較為廣泛的應(yīng)用.

需要指出的是,超深井油井管特殊螺紋接頭的失效仍然頻繁發(fā)生[6],嚴(yán)重影響了深層油氣井的壽命和生產(chǎn)效率,這與對(duì)螺紋接頭的力學(xué)性能分析不足密切相關(guān)[7].本工作主要闡述了油井管螺紋接頭力學(xué)性能的研究進(jìn)展,分析了存在的問題,指出了油井管特殊螺紋接頭力學(xué)性能新的研究方向.

2 油井管螺紋接頭力學(xué)性能的研究進(jìn)展

多年來,研究人員分別用解析法、試驗(yàn)法和數(shù)值模擬方法等對(duì)螺紋接頭的力學(xué)特性進(jìn)行了深入的研究,得到了很多重要的結(jié)論,對(duì)揭示油井管螺紋接頭的受力特征和指導(dǎo)新型接頭開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義.

2.1 解析法

解析法的力學(xué)概念清晰,力學(xué)形象完整并具有普遍的指導(dǎo)意義.

(1)在螺紋接頭受力方面.Sopwith等[8]假定螺紋牙上的接觸力作用在螺紋牙承載面的中間線上,可將螺紋牙看成是具有一定寬度的懸臂梁,推導(dǎo)出軸向載荷作用下螺紋接頭的載荷分布特征.該模型考慮了徑向位移引起的公扣“收縮”和母扣“鼓脹”,得到了較普遍的認(rèn)可.Yazawa等[9]假定軸向力、剪力、彎矩作用下螺紋牙上的載荷分布為螺旋升角θ的多項(xiàng)式函數(shù),通過數(shù)值積分得到了相應(yīng)的合力、合力矩表達(dá)式,同時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定了該表達(dá)式中的待定系數(shù).很多學(xué)者的分析結(jié)果均表明,螺紋接頭各螺紋牙的承載很不均勻,第一個(gè)螺紋牙處的應(yīng)力集中嚴(yán)重.高學(xué)仕等[10]提出了計(jì)算雙級(jí)螺紋接箍套管螺紋牙接觸壓力分布的解析法,發(fā)現(xiàn)接觸壓力分布呈“w”形,有效促進(jìn)了接觸壓力分布的均勻性.高連新等[11]建立了套管螺紋接頭在軸向拉力作用下的力學(xué)模型,分析了各螺紋牙的受力和變形特點(diǎn),提出了內(nèi)螺紋變螺距的方案,用以改善套管螺紋接頭的受力分布.

(2)在螺紋接頭密封性方面.Blose等[12]忽略了螺紋牙的螺旋升角,用圓柱體收縮配合法,研究了接頭螺紋過盈配合后產(chǎn)生的接觸壓力分布規(guī)律,指出接觸壓力大于流體壓力是保證接頭密封的關(guān)鍵.Schwind[13]就影響API圓螺紋抗泄漏能力的各種參數(shù)進(jìn)行了研究,并基于彈性理論給出了可評(píng)價(jià)螺紋接頭應(yīng)力和抗泄漏能力的數(shù)學(xué)模型.龔偉安[14]研究了螺紋牙高公差、牙型角公差和錐度公差對(duì)API套管螺紋接頭密封性能的影響.許志倩等[15]給出了一種針對(duì)非API套管接頭的密封性能解析評(píng)估計(jì)算方法,討論了壁厚和密封面錐度對(duì)套管螺紋接頭密封性能的影響規(guī)律.許紅林[16]基于Hertz接觸力學(xué)理論和密封接觸能機(jī)理,建立了特殊螺紋接頭氣密封壓力計(jì)算理論模型,給出了球面半徑、錐面錐度和密封面作用扭矩對(duì)螺紋接頭氣密封性能的影響規(guī)律.

螺紋接頭的力學(xué)計(jì)算是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性問題,解析法雖屬最佳追求目標(biāo),但卻非常困難,必須基于很多假設(shè)性條件.此外,解析法分析螺紋接頭受力特征時(shí)都基于傳統(tǒng)的彈性力學(xué)理論,假定所有的變形都在彈性范圍內(nèi),利用彈性力學(xué)的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行分析.事實(shí)上,由于油井管螺紋接頭受力特征復(fù)雜、應(yīng)力集中明顯,在實(shí)際工況條件下嚙合螺紋的局部應(yīng)力已超出了材料的屈服強(qiáng)度,產(chǎn)生了塑性變形,使得螺紋牙承受的載荷重新分布,因此彈性模型已無法準(zhǔn)確描述油井管螺紋接頭的變形特征和受力狀態(tài).對(duì)于油套管特殊螺紋接頭來說,由于增加了專用的密封結(jié)構(gòu),使得其力學(xué)性能研究更為復(fù)雜,解析方法更為困難.

2.2 試驗(yàn)法

試驗(yàn)法是力學(xué)性能分析的有效方法之一.在螺紋接頭力學(xué)性能研究中,全尺寸實(shí)物試驗(yàn)是一種可靠的力學(xué)性能評(píng)估方法,可以直觀地反映螺紋接頭的性能,呈現(xiàn)螺紋接頭的失效形式及失效條件.

(1)在螺紋接頭連接強(qiáng)度方面.Goodier[17]利用電阻應(yīng)變片測(cè)量了受載螺母的軸向和徑向位移,并據(jù)此計(jì)算了螺母多個(gè)截面上的受力情況.Hetenyi[18],Brown等[19]利用光彈性試驗(yàn)技術(shù),證明了最大局部應(yīng)力位于各螺紋牙的根部,且應(yīng)力最大值出現(xiàn)在第一個(gè)螺紋牙處.Birger[20],Pl′acido[21],Jeroen等[22]等通過對(duì)螺紋接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋幾乎都在這一區(qū)域開始萌生.

(2)在螺紋接頭密封性方面.Mimaki等[23]通過二維有限元分析和實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證,指出氣密封所需的密封接觸壓力為水密封的5.6～6.0倍.Ogasawara等[24]通過氣密封試驗(yàn)研究了金屬-金屬密封結(jié)構(gòu)的密封特性,指出臨界泄漏壓力由平均接觸壓力和接觸面積兩個(gè)因素決定.Marie[25]對(duì)扭矩作用下的金屬接觸密封進(jìn)行了研究,給出了有效測(cè)量流體泄漏率的試驗(yàn)裝置和計(jì)算方法.Murtagian等[26]通過物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬系統(tǒng)研究了金屬-金屬密封件的密封性,提出了以密封接觸應(yīng)力在其加權(quán)面積上的積分來評(píng)價(jià)接頭密封性的方法,但所給出的密封泄漏閾值較ISO 13679標(biāo)準(zhǔn)更為保守.Xie等[27-28]修正了Murtagian的判據(jù)公式,提出了以250 N/mm密封接觸強(qiáng)度值(即密封接觸應(yīng)力在有效密封長(zhǎng)度上的積分)為可接受的高溫井滲漏閾值.王琍等[29]通過計(jì)算套管接頭螺紋部位的自然通道流體能量損失以及相關(guān)密封試驗(yàn),指出螺紋脂能消除幾何參數(shù)誤差對(duì)密封性能的影響,提高接頭密封性能.高連新等[30]通過有限元分析和實(shí)物試驗(yàn),指出密封結(jié)構(gòu)形式和過盈量是特殊螺紋接頭密封設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.

目前,很多廠家及研究院所都建立了油套管螺紋接頭的實(shí)物性能測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng),用以評(píng)價(jià)接頭的粘扣特征、密封性能和結(jié)構(gòu)完整性,實(shí)物試驗(yàn)主要依據(jù)ISO 13679《石油天然氣工業(yè)套管及油管螺紋連接試驗(yàn)程序》(等同于API RP 5C5 3rd)[31].該標(biāo)準(zhǔn)只涉及油管和套管的上扣扭矩以及油管和套管管柱在井中承受的5種主要載荷中的3種:流體壓力(內(nèi)壓和/或外壓)、軸向力(拉伸和/或壓縮)、彎曲(屈曲和/或井筒變形),不涉及旋轉(zhuǎn)扭矩和非軸對(duì)稱(點(diǎn)、線、面接觸)載荷.

ISO 13679規(guī)定了4種接頭評(píng)價(jià)級(jí)別(CALⅠ～CALⅣ),并指明評(píng)價(jià)級(jí)別在CALⅡ以上的試驗(yàn)適用于氣井.表1列出了與接頭適用級(jí)別相應(yīng)的試樣數(shù)、試樣編號(hào)和相關(guān)的試驗(yàn)項(xiàng)目.試驗(yàn)加載程序[31]如圖3所示,其中各數(shù)字表示含義詳見文獻(xiàn)[31].

Bradley等[32]和Gabriel[33]就高溫高壓酸性井的油套管特殊螺紋接頭設(shè)計(jì)進(jìn)行了歸納介紹,指出在設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)采用有限元分析和全尺寸實(shí)物試驗(yàn)相結(jié)合的方法可以更好地評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的合理性,同時(shí)也指出ISO 13679試驗(yàn)費(fèi)用高、周期長(zhǎng),可以對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,同樣也可用于評(píng)價(jià)螺紋接頭的整體質(zhì)量.

2017年國(guó)家石油管材質(zhì)量監(jiān)督質(zhì)檢中心舉辦了“新版API RP 5C5專題”研討會(huì),圍繞油套管工況適用性評(píng)價(jià)研究、產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證及先導(dǎo)性全尺寸試驗(yàn)等內(nèi)容進(jìn)行了深入探討.我國(guó)目前只有中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院、寶山鋼鐵股份有限公司以及天津鋼管集團(tuán)有限公司等幾個(gè)大型企業(yè)或科研院所擁有整套螺紋接頭全尺寸評(píng)價(jià)設(shè)備(見圖4).試驗(yàn)設(shè)備都有特定的量程范圍,對(duì)試樣規(guī)格也有一定的限制.以中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院的2 500 t復(fù)合加載試驗(yàn)系統(tǒng)為例:該試驗(yàn)系統(tǒng)由Stress Engineering Services公司研制,可對(duì)油套管全尺寸試樣進(jìn)行拉伸/壓縮、內(nèi)壓/外壓、彎曲及溫度的復(fù)合加載試驗(yàn)或極限破壞試驗(yàn);試樣規(guī)格為5-1/2′′～16′′,最大載荷為25 000 kN,最大內(nèi)壓為276 MPa,最大外壓為210 MPa,最大彎矩為700 kN·m,最高溫度為400°C.

需要指出的是,盡管試驗(yàn)法是研究力學(xué)性能有效、直觀的方法,但因油套管螺紋接頭結(jié)構(gòu)的特殊性,公、母螺紋牙接觸面之間的應(yīng)變無法直接測(cè)量,實(shí)物試驗(yàn)難以反映螺紋接頭內(nèi)部真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變情況.而且ISO 13679試驗(yàn)程序復(fù)雜(見表1和圖3),對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求極高,實(shí)物試驗(yàn)周期長(zhǎng)且費(fèi)用高,完成一套完整的特殊扣Ⅳ級(jí)評(píng)價(jià)試驗(yàn)至少約需3個(gè)半月時(shí)間,試驗(yàn)費(fèi)用高達(dá)數(shù)百萬元,大載荷加載時(shí)還具有一定的危險(xiǎn)性.因此,很難用試驗(yàn)法描述特殊螺紋接頭在實(shí)際復(fù)雜載荷情況下的受力特征[34-35].

2.3 數(shù)值模擬

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展、數(shù)值計(jì)算方法的日益成熟,越來越多的科研工作者采用數(shù)值模擬方法來研究螺紋接頭的力學(xué)性能.早期的研究把特殊螺紋接頭簡(jiǎn)化成二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析,并取得了一些重要的認(rèn)識(shí).

表1 試驗(yàn)矩陣——試驗(yàn)系列和試樣編號(hào)Table 1 Test matrix—test series and sample number

Hilbert[36]利用二維軸對(duì)稱有限元模型,分析了上扣扭矩、軸向力、內(nèi)外壓作用下螺紋接頭的受力特征,計(jì)算結(jié)果與全尺寸實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果較為吻合.Bahai[37]提出了一個(gè)二維參數(shù)化模型,分析了軸向力和彎矩作用下螺紋接頭的應(yīng)力集中因子.借助子模型技術(shù),使得該方法具有較高的計(jì)算效率,為螺紋參數(shù)的參數(shù)化研究提供了一個(gè)有效的技術(shù)手段.Takano等[38]借助二維有限元分析和實(shí)驗(yàn)評(píng)估手段,研發(fā)了適用于大軸向壓縮載荷、高壓環(huán)境和大曲率井眼的“KSBEAR”特殊螺紋接頭.此研究表明,軸向拉力、彎矩、外壓的作用容易引起公扣內(nèi)縮、母扣外脹,從而使得公扣、母扣徑向發(fā)生分離;而鉤形螺紋設(shè)計(jì)可以很好地避免這一現(xiàn)象,使該接頭具有良好的防泄漏性能.王建東等[39]采用有限元分析方法研究了錐面-錐面和弧面-錐面兩種密封結(jié)構(gòu)在上扣、拉伸、彎曲、內(nèi)壓、拉伸載荷條件下的接觸壓力、接觸長(zhǎng)度,以及沿主密封面泄漏穿透長(zhǎng)度的變化,得到了不同型面組合的密封能力隨載荷的變化規(guī)律.孔華等[40]采用二維軸對(duì)稱有限元軟件,對(duì)錐面-錐面密封結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了模擬,研究了密封面接觸壓力分布規(guī)律和密封性能,分析了密封結(jié)構(gòu)對(duì)主密封接觸壓力的影響.上述研究都是把螺紋接頭簡(jiǎn)化成二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),如圖5(a)所示,忽略了螺旋升角,從而無法準(zhǔn)確模擬螺紋接頭的上扣過程.油井管螺紋接頭由公扣、母扣通過三維空間螺旋曲面嚙合而成,接觸狀態(tài)極其復(fù)雜,屬于強(qiáng)非線性問題.

圖3 油套管接頭試驗(yàn)加載程序[31]Fig.3 Loading procedures for testing casing and tubing connections[31]

圖4 螺紋接頭試驗(yàn)裝備Fig.4 Test equipment for threaded connections

Fukuoka等[41]通過三維有限元分析,發(fā)現(xiàn)螺紋牙上的應(yīng)力沿環(huán)向分布并不均勻,且各螺紋牙上的載荷分布規(guī)律與二維軸對(duì)稱分析結(jié)果及彈性理論計(jì)算結(jié)果并不一致.Shahani等[42]基于ABAQUS實(shí)現(xiàn)了鉆桿接頭的三維有限元分析,對(duì)比分析了二維、三維計(jì)算結(jié)果,指出螺旋升角對(duì)螺紋牙上的載荷分布有重要影響.劉巨保等[43]通過鉆具接頭三維有限元分析,發(fā)現(xiàn)上扣扭矩作用下的第一個(gè)螺紋牙根部應(yīng)力大于二維軸對(duì)稱分析約20%.祝效華等[44-45]通過三維數(shù)值分析,研究了磨損深度、磨損開度以及井眼曲率對(duì)套管螺紋接頭應(yīng)力狀態(tài)的影響,闡述了三維分析的必要性.竇益華等[46]指出二維軸對(duì)稱模型忽略了螺旋升角,無法準(zhǔn)確模擬接頭的上扣過程,并基于三維有限元分析研究了不同上扣扭矩條件下油管接頭的接觸壓力分布特征.研究結(jié)果對(duì)掌握不同條件下接頭的密封特性具有重要參考價(jià)值.狄勤豐等[47-53]實(shí)現(xiàn)了油井管螺紋接頭三維幾何模型的參數(shù)化建模,研發(fā)了復(fù)雜載荷下油井管螺紋接頭數(shù)值仿真平臺(tái),較為深入地研究了復(fù)雜載荷條件下油井管螺紋接頭的三維受力特征.

圖5 螺紋接頭幾何模型Fig.5 Geometric model of threaded connections

3 復(fù)雜載荷下油井管螺紋接頭的三維力學(xué)特性分析

綜上可知,數(shù)值模擬分析已成為油井管螺紋接頭力學(xué)性能分析的有效手段,而且鉆具接頭(粗扣)和油套管接頭(細(xì)扣)的分析方法相互促進(jìn)、相互借鑒,本質(zhì)都屬于三重非線性力學(xué)問題.本節(jié)將從三維力學(xué)分析方法、螺紋接頭極限工作扭矩計(jì)算、套管特殊螺紋接頭密封特性分析、臺(tái)肩結(jié)構(gòu)以及磨損特征對(duì)油井管螺紋接頭力學(xué)特性的影響等幾個(gè)方面闡述復(fù)雜載荷下油井管螺紋接頭三維力學(xué)特性分析的研究進(jìn)展.

3.1 螺紋接頭三維力學(xué)分析方法

不論是鉆具接頭還是油套管接頭,都是通過螺紋牙嚙合進(jìn)行連接的.這種具有螺旋升角的空間結(jié)構(gòu)給三維有限元分析帶來了很大困難.Fukuoka等[41]針對(duì)螺紋接頭的幾何特征,考慮了螺紋牙的螺旋升角,提出了一種有效的網(wǎng)格生成方案,可在螺紋牙嚙合區(qū)域沿螺旋線布置精細(xì)的六面體網(wǎng)格,如圖6(a)所示.利用該有限元模型分析了螺紋根部應(yīng)力和接觸壓力沿螺旋線的變化規(guī)律,如圖6(b)所示.結(jié)果發(fā)現(xiàn),螺紋根部應(yīng)力沿螺旋線周向變化,最大應(yīng)力發(fā)生在母扣加載端面第一個(gè)螺紋牙的中間.

Shahani等[42]采用ABAQUS對(duì)鉆桿螺紋接頭進(jìn)行了三維有限元分析,并與二維有限元分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)三維分析得到的應(yīng)力集中系數(shù)是二維分析的6倍.同時(shí)研究了鉆桿螺紋接頭螺紋牙關(guān)鍵路徑上的接觸壓力分布特征(見圖7(a)),對(duì)比分析了有無上扣預(yù)緊作用對(duì)接頭三維受力特征的影響(見圖7(b)).結(jié)果發(fā)現(xiàn),上扣預(yù)緊作用增加了螺紋牙處的名義應(yīng)力,減小了應(yīng)力波動(dòng)幅值,有利于提高鉆桿接頭的疲勞性能.

圖6 Fukuoka對(duì)螺紋接頭的三維力學(xué)特性分析[41]Fig.6 Three dimensional mechanical properties analysis of threaded connections by Fukuoka[41]

圖7 Shahani對(duì)螺紋接頭的三維力學(xué)特性分析[42]Fig.7 Three dimensional mechanical properties analysis of threaded connections by Shahani[42]

狄勤豐等[47-48]考慮了螺紋牙螺旋升角的影響,利用ABAQUS顯式動(dòng)力學(xué)有限元方法對(duì)比分析了復(fù)雜載荷條件下單臺(tái)肩鉆桿接頭和雙臺(tái)肩鉆桿接頭的三維力學(xué)特性,揭示了單臺(tái)肩鉆桿接頭和雙臺(tái)肩鉆桿接頭的過扭矩失效機(jī)理,同時(shí)確定了鉆桿接頭的極限工作扭矩.研究結(jié)果表明:當(dāng)工作扭矩過大時(shí),單臺(tái)肩鉆桿接頭的失效發(fā)生在公扣的第一個(gè)嚙合螺紋處;雙臺(tái)肩鉆桿接頭首先在副臺(tái)肩處發(fā)生失效,然后公扣的第一個(gè)嚙合螺紋牙根部才逐漸形成斷裂面(見圖8).

3.2 復(fù)雜載荷作用下螺紋接頭極限工作扭矩的預(yù)測(cè)方法

API標(biāo)準(zhǔn)給出了標(biāo)準(zhǔn)鉆具接頭的抗扭強(qiáng)度計(jì)算公式,但是在涉及軸向拉力、彎矩等復(fù)雜載荷工況時(shí)采用了很多假設(shè),因此難以反映真實(shí)工況條件下井下鉆具接頭的抗扭強(qiáng)度.在實(shí)際使用中常常出現(xiàn)工作扭矩尚在標(biāo)定扭矩極限內(nèi),鉆具接頭卻已發(fā)生失效的情況.

我國(guó)西部某油田某井在解卡作業(yè)中邊上提邊旋轉(zhuǎn)鉆柱,結(jié)果鉆柱從旁通閥接頭公扣距臺(tái)肩25 mm處斷落入井,如圖9所示.狄勤豐等[48-49]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)參數(shù),對(duì)該鉆具接頭進(jìn)行了三維有限元分析,給出了失效時(shí)刻鉆具接頭的von Mises應(yīng)力分布云圖,如圖10(a)所示,其中黑線為實(shí)際失效位置,計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)失效情況較為吻合.在此基礎(chǔ)之上,還基于復(fù)雜載荷條件下鉆具接頭的三維彈塑性有限元計(jì)算,給出了不同軸向拉力條件下鉆具接頭的抗扭強(qiáng)度,形成了鉆具接頭的極限工作扭矩圖版,并與API標(biāo)準(zhǔn)給出的鉆具接頭極限工作扭矩作了對(duì)比(見圖10(b)),討論了API標(biāo)準(zhǔn)中極限工作扭矩的適用范圍.

圖8 螺紋接頭有限元計(jì)算模型及三維受力特征[47-48]Fig.8 Finite element model and three-dimensional stress characteristics of threaded connections[47-48]

圖9 旁通閥接頭失效特征Fig.9 Failure characteristics of bypass valve connection

圖10 鉆具接頭極限工作扭矩特征[48-49]Fig.10 Characteristics of ultimate working torque for the tool joint[48-49]

3.3 彎矩對(duì)油井管螺紋接頭三維力學(xué)特性的影響

油井管柱在井下不可避免會(huì)發(fā)生彎曲,特別是隨著水平井、定向井、分支井及大位移井等特殊工藝井的推廣與應(yīng)用,彎矩的影響也越來越受到重視.針對(duì)井筒彎曲對(duì)套管螺紋接頭的影響,祝效華等[44]建立了套管螺紋接頭的三維計(jì)算模型,研究了拉彎復(fù)合載荷下螺紋接頭的應(yīng)力分布規(guī)律,如圖11所示.由圖可知,井眼曲率(彎矩)對(duì)套管連接強(qiáng)度和密封性能的影響很大,彎矩載荷作用下套管螺紋接頭周向載荷分布不均的現(xiàn)象會(huì)大幅度降低套管的抗擠毀能力.

圖11 軸向力和彎矩作用下套管螺紋接頭受力特征[44]Fig.11 Stress characteristics of casing threaded connection under axial tension and bending moment[44]

圖12 彎曲井段鉆柱受力示意圖[54]Fig.12 Forces on drill string in curved hole section[54]

對(duì)于鉆桿來說,由于接頭尺寸較大,井筒彎曲造成的彎矩影響更大.Paslay等[54]指出,接頭附近存在附加曲率,彎曲應(yīng)力在接頭處會(huì)有所放大,如圖12所示.除了彎矩大小會(huì)對(duì)螺紋接頭的三維受力特征產(chǎn)生很大影響,彎矩施加方向的影響也不容忽視.通常認(rèn)為,只要保證彎矩與上扣扭矩的施加方向相互垂直,就可以模擬分析彎矩對(duì)螺紋接頭受力特征的影響.研究表明,彎矩施加方向?qū)β菁y接頭受力特征的影響很大.Di等[50]發(fā)現(xiàn),螺旋升角和螺紋錐度的存在使得鉆具螺紋接頭的螺紋牙嚙合面積隨螺旋線不斷變化(見圖13(a)),并據(jù)此分析了螺紋牙嚙合面所呈現(xiàn)出的受力不平衡的特點(diǎn).同時(shí),基于鉆具接頭三維彈塑性有限元分析,研究了不同方向彎矩作用下鉆具接頭的抗扭性能,證實(shí)了彎矩的施加方向?qū)︺@具螺紋接頭極限工作扭矩的影響十分顯著(見圖13(b)).

圖13 彎矩方向的影響[50]Fig.13 Influence of the direction of bending moment[50]

3.4 磨損對(duì)油井管螺紋接頭力學(xué)特性的影響

在鉆井作業(yè)中,鉆柱在井下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)非常復(fù)雜,其與井壁不斷地發(fā)生碰撞、摩擦,使得鉆柱和套管柱受到了不同程度的磨損.

對(duì)于套管而言,其磨損主要來源于鉆桿碰磨造成的內(nèi)磨損,包括均勻、偏心筒和月牙形3種磨損形式,而對(duì)于油管,則主要是外壁偏磨.祝效華等[45]建立了磨損套管螺紋接頭的三維數(shù)值計(jì)算模型,研究了復(fù)雜結(jié)構(gòu)井中套管的上扣特性,以及固井條件下磨損深度、磨損開度與井眼曲率對(duì)套管連接螺紋的影響,如圖14所示.結(jié)果表明,磨損與井眼曲率對(duì)套管螺紋接頭的連接性能和密封性能影響很大.考慮到服役后開采時(shí)的壓力波動(dòng),常規(guī)的水平井、定向井、大位移井及大斜度井彎曲段的套管連接螺紋設(shè)計(jì)和選型應(yīng)重視磨損和井眼曲率的影響.

圖14 磨損對(duì)套管螺紋接頭受力特征的影響[45]Fig.14 Eあect of wear on stress characteristics of casing threaded connection[45]

對(duì)于鉆桿而言,盡管使用了防磨設(shè)計(jì),接頭外徑磨損不可避免,且會(huì)直接影響鉆桿接頭的強(qiáng)度.API標(biāo)準(zhǔn)中給出了考慮了磨損影響的鉆桿接頭的抗扭強(qiáng)度計(jì)算公式[55]:式中:Ym為鉆桿接頭所用材料的屈服強(qiáng)度;A為鉆桿接頭最小危險(xiǎn)截面面積,其中公扣和母扣第一個(gè)嚙合螺紋牙處的截面積取小值;P為螺距；Rt為等效螺紋半徑;Rs為等效臺(tái)肩半徑;f為摩擦系數(shù);θ為牙型半角.馮少波等[51]以NC38鉆桿接頭為例,基于三維彈塑性有限元計(jì)算,得到了工作扭矩作用下一級(jí)鉆桿和二級(jí)鉆桿接頭的受力特征.研究結(jié)果指出,磨損后的鉆桿接頭危險(xiǎn)截面位置將發(fā)生改變,在特定磨損條件下危險(xiǎn)截面可能位于母扣鏜孔處,如圖15所示.此時(shí)根據(jù)API抗扭強(qiáng)度計(jì)算公式確定鉆桿接頭的抗扭強(qiáng)度已不合適.

圖15 工作扭矩作用下降級(jí)鉆桿接頭的受力特征[51]Fig.15 Stress characteristics of degraded tool joint under the action of working torque[51]

3.5 臺(tái)肩對(duì)鉆具接頭連接性能的影響

API標(biāo)準(zhǔn)鉆桿接頭為單臺(tái)肩接頭.針對(duì)其抗扭性能不足的問題,各大生產(chǎn)廠商相繼開發(fā)了雙臺(tái)肩接頭.為了探明臺(tái)肩對(duì)接頭三維力學(xué)特性的影響,狄勤豐等[52]以API標(biāo)準(zhǔn)139.7 mm貫眼扣接頭為例,分別建立了僅主臺(tái)肩模型(模型一)、無臺(tái)肩模型(模型二)、僅副臺(tái)肩模型(模型三)和雙臺(tái)肩模型(模型四)共4個(gè)模型,如圖16所示.基于三維有限元分析,研究了主、副臺(tái)肩結(jié)構(gòu)對(duì)鉆具接頭連接性能的影響.結(jié)果發(fā)現(xiàn):臺(tái)肩結(jié)構(gòu)對(duì)保證鉆具接頭連接穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用;無臺(tái)肩鉆具接頭在外載荷作用下易發(fā)生失穩(wěn);僅副臺(tái)肩的鉆具接頭,其極限抗扭性能比僅主臺(tái)肩的鉆具高約12%;雙臺(tái)肩的鉆具接頭,其極限抗扭性能比僅主臺(tái)肩的鉆具高約69%.

圖16 4種模型結(jié)構(gòu)示意圖[52]Fig.16 Schematic diagram of four models[52]

3.6 復(fù)雜載荷條件下套管特殊螺紋接頭的密封特性分析

相對(duì)鉆桿而言,套管的密封問題更為重要,直接關(guān)乎油氣井的井筒完整性和服役壽命.與API螺紋連接不同,特殊螺紋接頭往往有金屬-金屬密封設(shè)計(jì),常見的有錐-錐密封、球-錐密封、球-柱密封和球-球密封.許紅林[16]基于彈性力學(xué)厚壁圓筒理論和赫茲接觸理論,忽略了接觸面摩擦,建立了特殊螺紋接頭密封面接觸應(yīng)力分析模型,將球-錐密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為圓弧與直線接觸,在線彈性小變形范圍內(nèi),得到了密封面的法向接觸應(yīng)力:

式中:PSN(x)是x位置的法向接觸應(yīng)力(MPa);Ep和Eb分別是公扣和母扣的彈性模量(MPa);vp和vb分別是公扣和母扣的泊松比;RS是密封面球體的半徑(mm);δSN是球面和錐面初始接觸點(diǎn)的法向過盈量,可描述為

其中NS是密封面附加上扣圈數(shù)(圈),P是螺紋牙螺距(mm),γS是密封面半錐角(°).

Chen等[53]以7寸套管螺紋接頭為例,基于三維彈塑性有限元計(jì)算方法分析了其在22.57 kN·m上扣扭矩、670 kN軸向拉力和27.50 kN·m彎矩作用下的力學(xué)特性,得到了密封面上的接觸應(yīng)力分布特征,如圖17所示.可見,接觸應(yīng)力在密封帶寬度方向(軸向)呈拋物線分布,沿密封面環(huán)向分布并不均勻.同時(shí),通過與許紅林[16]的解析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,闡述了由三維彈塑性有限元計(jì)算得到的密封面接觸壓力分布更加“矮胖”的原因.

圖17 接觸應(yīng)力分布特征[53]Fig.17 Distribution characteristics of contact stress[53]

4 油套管特殊螺紋接頭的研究方向展望

當(dāng)前,以Vallourec,Tenaris等為代表的國(guó)外大型石油專用管制造廠商主導(dǎo)著世界特殊螺紋接頭研究的方向,并始終占據(jù)著技術(shù)制高點(diǎn),相繼開發(fā)的VAM,Blue等系列產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外油田得到了廣泛的應(yīng)用.國(guó)內(nèi)西安石油管工程技術(shù)研究院、寶山鋼鐵股份有限公司、天津鋼管集團(tuán)有限公司、上海海隆石油管材研究所等石油專用管制造廠商以及相關(guān)科研機(jī)構(gòu)也相繼開發(fā)了各自的特殊螺紋接頭專利產(chǎn)品，達(dá)到了國(guó)際同類產(chǎn)品性能水平.

盡管國(guó)內(nèi)外研究人員在油套管螺紋接頭粘扣機(jī)理、螺紋參數(shù)優(yōu)化、螺紋表面鍍層特性研究和特殊螺紋接頭開發(fā)等方面取得了較大進(jìn)展,但對(duì)于油套管螺紋接頭力學(xué)性能和密封機(jī)理方面的研究尚不夠深入[7].據(jù)統(tǒng)計(jì),約90%的氣井管柱完整性問題與油套管螺紋接頭的密封失效有關(guān)[56].面對(duì)超深環(huán)境下的高溫、高壓、高腐蝕等極端惡劣工況,即便是公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)特殊螺紋接頭,且已通過了ISO 13679第Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的氦氣密封檢測(cè),完井測(cè)試和投產(chǎn)時(shí)仍會(huì)發(fā)生油套管螺紋接頭滲漏.

隨著油氣勘探開發(fā)難度增大,超深高溫高壓井逐漸增多,油氣井管柱的受力愈來愈復(fù)雜,井筒完整性問題愈發(fā)突出.國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)油氣井完整性問題日漸關(guān)注,并從地應(yīng)力作用、地層蠕變、斷層錯(cuò)動(dòng)和水力壓裂工況、水泥環(huán)密封失效等多個(gè)方面對(duì)油氣井的完整性進(jìn)行了研究,但對(duì)油套管螺紋接頭完整性的關(guān)注較少.在復(fù)雜載荷作用下,油套管螺紋接頭密封面的彈塑性變形特征,以及嚙合面黏滑摩擦接觸行為非常復(fù)雜,非均勻接觸條件下密封面微觀泄漏機(jī)理也并不明確.因此,如何評(píng)價(jià)油套管螺紋接頭密封完整性是一個(gè)亟需解決的難題,必須開發(fā)適應(yīng)這種密封完整性評(píng)價(jià)的力學(xué)分析方法.

此外,隨著石油勘探技術(shù)的進(jìn)步,深井、超深井、大位移井和多分支井大量出現(xiàn),鉆井和生產(chǎn)過程中油套管柱的磨損不可避免.這無疑將增加油套管失效的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)油套管柱的安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅,使油氣井不能正常運(yùn)行,甚至導(dǎo)致油氣井報(bào)廢.已有的關(guān)于磨損對(duì)油套管柱連接強(qiáng)度和密封性能影響的研究主要集中在油套管管體.這一方面是因?yàn)楣荏w形狀規(guī)則,易于分析;另一方面是因?yàn)槁菁y接頭的設(shè)計(jì)強(qiáng)度往往高于管體,降低了研究人員對(duì)油套管螺紋接頭的關(guān)注.需要指出的是,油套管螺紋接頭受力特征復(fù)雜,實(shí)際使用中常發(fā)生各種形式的失效事故,是整個(gè)油套管柱的薄弱環(huán)節(jié).因此,進(jìn)行復(fù)雜載荷下磨損油套管螺紋接頭的三維力學(xué)特性及完整性分析,是減少油套管失效事故的另一重要方面.

值得注意的是,目前大部分的研究都是在準(zhǔn)靜態(tài)情況下進(jìn)行的.事實(shí)上,底部鉆具組合、彎曲井段等處的鉆具接頭常處于交變應(yīng)力狀態(tài),有著較高的疲勞失效風(fēng)險(xiǎn),疲勞失效問題也非常突出.此外,油井管在實(shí)際使用中所承受的載荷常會(huì)發(fā)生突變,如鉆桿與油套管發(fā)生碰撞會(huì)造成套管接頭磨損.而在動(dòng)載作用下,油井管接頭的力學(xué)行為也將明顯不同于準(zhǔn)靜態(tài)加載的情況.因此,深入研究油井管接頭的力學(xué)性能時(shí)必須注意這個(gè)問題.

近年來,我國(guó)超深井鉆井技術(shù)在各大石油公司和研究院所的共同努力下發(fā)展迅速,國(guó)內(nèi)7 000 m以上超深井已超過500口.特別地,8 000 m以上的超深井發(fā)展迅速,已有23口,其中中石化馬深1井(8 418 m)、川深1井(8 420 m)、順北蓬1井(8 456 m)、順北鷹1井(8 588 m)和中石油輪探1井(8 882 m)位居井深前5位,9 000 m以上的特深井也已指日可待.面對(duì)這一形勢(shì),現(xiàn)有的鉆具、油套管螺紋接頭能否滿足需求,都成為亟待探索的問題.