摘要：为了提升特殊螺纹套管接头的密封性能，通过模拟油套管下井后的实际工作环境，利用ANSYS有限元分析软件研究和分析不同轴向拉伸载荷对套管接头密封性能的影响。研究结果表明：在复合载荷作用下，过大的轴向拉伸载荷会使螺纹粘扣现象严重，而且还会在密封接触面间产生泄漏通道，同时会使接触面间的接触压力和接触长度减小，接头密封效果变差。
关键词：：套管接头；特殊螺纹； ANSYS；密封性能；复合载荷
在油气开采过程中，油套管有着非常重要的用途，不仅作为开采油气的通道，还起着保护井壁、封隔不同压力层等作用。在工作过程中，几百根套管通过螺纹连接串接形成套管柱，其使用性能受到多种工况载荷的影响，诸如套管自重产生的轴向拉力、井下温度载荷等等[1-2]。近年来，随着我国超深井、高压油气井和热采井的开采不断向纵深发展及钻井技术的日益革新，油套管发生失效事故的风险在不断增大，尤以管体泄漏造成的管体失效事故最为严重，因此油气田迫切需要具有更好密封性能的油套管螺纹接头[3-4]。API螺纹接头由于其自身存在的不足已不能适应日益恶劣的使用环境，因此各大油套管接头生产商开始认识到开发特殊螺纹接头的重要性和必要性[5-6]。随着计算机技术的迅速发展，有限元分析方法逐渐成为一种方便有效的分析问题的方法[7-8]。利用ANSYS有限元分析软件对特殊螺纹接头密封性能进行力学性能分析，不仅可以缩短套管设计的周期，节省设计成本，同时也为套管设计提供了科学论据[9-11]。
本文使用ANSYS有限元分析软件，对外径为177.80mm、壁厚为9.19mm的特殊螺纹接头进行有限元建模和性能分析，通过模拟套管接头下井后的实际工作环境，研究和分析温度、内压、不同轴向拉伸的复合载荷对套管接头密封性能的影响。
1 特殊螺纹接头的密封机理
对于金属-金属密封结构，在密封面光滑的情况下，防止流体泄漏的条件为密封面上的接触压力大于内部流体的压力。根据流体力学，流体通过间隙时产生的局部阻力取决于泄漏路径的长度和间隙的截面积，它们之间的关系为：
(1)
式中：ΔR为流体经过接触面间隙时产生的局部阻力；Δl为流体经过接触面间隙的长度；S为流体经过接触面间隙的截面积。
当接触面间隙截面积较小时，接触面上的接触压力就较大；反之，接触压力就较小，接触压力与间隙的截面积成反比，用式(2)表示：
(2)
式中：pt为接触面上的接触压力。
由式(1)、(2)可得：流体经过接触面间隙时产生的局部阻力与接触面上的接触压力及流体经过接触面间隙的长度成正比，即:
ΔR∝ptΔl
(3)
流体通过接触面的整个微小间隙后，在接触间隙间产生的阻力可以表示为：
ΔR∝∫ptdl
(4)
式(4)表明流体在接触间隙间产生的阻力等同于接触面上的接触压力沿泄漏路径的积分，由此可得该密封接触面上的等效接触压力Pec为：
Pec=∫ptdl
(5)
临界泄漏压力Pc为：
Pc≤KPec
(6)
式中：K为常数。
当接触面上的等效接触压力Pec被确定之后，可由式(6)求得临界泄漏压力。
由式(5)、(6)可知，接触面的临界泄漏压力正比于接触面上的接触压力和泄漏路径长度，因此为了保证设计的特殊螺纹接头金属-金属密封结构的密封性，应满足以下两个条件：
1)接触压力尽可能大，使得泄漏路径的面积较小。
2)接触面积尽可能大，使得泄漏路径的长度较长。
2 特殊螺纹接头建模与分析
本文所用的某油套管特殊螺纹接头规格为φ177.80×9.19mm，钢级P110，管体外螺纹、接箍内螺纹以及接头密封结构主要几何参数见表1～3。特殊螺纹接头上扣后是复杂的非线性接触问题，进行接头三维有限元分析时工作量大，分析困难，由于接头的螺纹升角很小，对有限元计算结果的影响可以忽略不计，所以对接头进行几何建模时可以考虑不采用螺纹升角的三维几何模型，而采用二维几何模型。同时，又因为接箍在中间面是对称分布的，所以接头二维几何模型取接箍的一半长度。为消除边界效应，建立几何模型时，接头管体长度应大于管端到管端螺纹消失点距离的2倍。
表1 管体外螺纹主要几何参数
表2 接箍内螺纹主要几何参数
表3 接头密封结构主要几何参数
本文根据套管接箍结构对称性和实际的载荷情况，对接箍中面沿轴向的移动进行约束，径向方向不施加约束。笔者选用PLANE182单元，该单元具有塑性、超弹性、应力刚度、大变形和大应变能力，设置KEYOPT(3)=1，即设置为轴对称分析。摩擦系数与套管的加工质量、套管的使用条件、螺纹表面粗糙度等原因有关，通常情况下取0.015～0.035，本文中摩擦系数取为0.021。设置材料的屈服强度为758MPa，抗拉强度为862MPa，弹性模量为1.94×105MPa，泊松比为0.3。
螺纹上扣后是典型的非线性面-面过盈接触问题，利用ANSYS软件接触向导的CONTA172和TARGE168接触单元来建立管体与接箍在螺纹之间、密封面之间以及扭矩台肩之间的柔体对柔体面-面接触对，接触算法为增广拉格朗日算法，刚度矩阵为非轴对称矩阵，初始穿透间隙控制选项设置KEYOPT(9)=4，这是因为有限元计算时要忽略几何模型造成的初始穿透/间隙，而只考虑CNOF，即过盈量，且渐变地施加过盈量可以缓解计算收敛过慢的问题。网格采用的单元类型为四边形四节点轴对称实体等参单元，特殊螺纹接头有限元模型的加载示意图如图1所示。
图1 特殊螺纹接头有限元模型的加载示意图
3 计算结果分析
实际工作中，特殊螺纹接头在井下同时受到几种载荷的共同作用，如温度、内压、轴向拉力等，如套管接头在井下工作时不仅会受到流动油体的内部压力，而且由于开采油气的套管长度一般达数百米甚至数千米，因此会受到地层温度的影响；此外，由于受到套管柱自重的影响，套管柱上部的接头承受较大的轴向拉力。因此，为了研究套管接头在实际工况下对套管接头密封性能的影响情况，应该着重分析特殊螺纹套管接头在温度、内压与不同轴向拉力的复合载荷作用下的受力状况。
为了模拟套管接头实际工作环境，在特殊螺纹接头上扣后，对其分别施加温度载荷180℃+内压载荷60MPa+不同的轴向拉伸载荷、温度载荷180℃+轴向拉伸载荷200 MPa+不同的内压载荷，以均衡分布载荷方式施加在接头上。利用ANSYS软件，设置了5组不同的轴向拉伸载荷以及内压载荷来研究温度、内压和轴向拉力的共同作用对接头密封性能的影响，施加的5组不同轴向拉伸载荷分别为0MPa、100MPa、200MPa、300MPa、400MPa，施加的5组不同内压载荷分别为0MPa、20MPa、40MPa、60MPa、80MPa。
1)Von Mises等效应力分析。
图2为特殊螺纹接头上扣后施加上述不同载荷后接头的Von Mises等效应力分布。
由图2可知，在温度180℃+内压60MPa+不同的轴向拉力的共同作用下，接头的屈服强度下降到675MPa，轴向拉伸载荷从0增加到400MPa，接头螺纹以外的管体应力以及接头的最大等效应力在增大，管体应力范围从239MPa～396MPa增加到292MPa～477MPa，螺纹接头最大等效应力从710MPa增加到847MPa，最大等效应力从扭矩台肩面转移到管体大端的螺纹处。
图2 复合载荷下不同的轴向拉伸载荷Von Mises等效应力分布图
图3 不同内压载荷Von Mises等效应力分布图
由图3可知，在温度180℃+轴向拉力200MPa+不同内压载荷的共同作用下，接头中间螺纹应力水平低于两端螺纹。管体中间螺纹处的应力范围从82MPa～239MPa增加到107MPa～292MPa，管体大端部分螺纹的应力超过了材料的屈服极限，螺纹已经出现粘扣，且螺纹粘扣数量增加到了3个。密封面处最大等效应力从666 MPa下降到651MPa，小于675MPa，而扭矩台肩处的最大等效应力从710MPa下降到570MPa，靠近管体小端应力较大，远离管体小端应力较小，拉伸载荷对密封面处的应力分布及数值影响较小。
(2)接触压力与接触长度分析
图4为温度180℃+内压60MPa+0～400MPa轴向拉力下接头密封面和扭矩台肩的接触压力分布曲线。
图4 复合载荷作用下密封面的接触压力分布曲线
施加上述复杂载荷后，接头密封面和扭矩台肩面最大接触压力，相比单独施加轴向拉伸载荷时(图5)有所降低，但接头密封面和扭矩台肩面的接触压力分布基本相同，接触压力都是由0增加到最大，再快速减小到0。
图5 单独轴向拉力下接头密封面的接触压力曲线
轴向拉伸载荷的增大会使密封面和扭矩台肩面有产生分离的趋势，导致其接触过盈量减小，接触压力下降。密封面最大接触压力从1 056MPa下降到1 003MPa，扭矩台肩面最大接触压力从1 322MPa下降到655MPa，轴向拉伸载荷对密封面最大接触压力影响较小，对扭矩台肩面最大接触压力影响较大。施加上述复杂载荷后，密封面处的最大接触压力仍大于接头可能要承受的管内屈服压力，所以接头仍可以保持密封性能。
特殊螺纹油管接头密封结构要有较高的接触压力，同时在接触部位还要确保较大的接触长度。图6为温度180℃+内压60MPa+0～400MPa轴向拉力下密封面接触长度变化曲线，施加上述复杂载荷后，密封面接触长度由2.88mm降低到了1.89mm，减少了0.99mm；扭矩台肩面接触长度由3.15mm降低到1.77mm，减少了1.38mm。由此可知，在一定范围内，轴向拉伸载荷的增加会减小接头密封接触部位的接触长度，对接头的密封性能是不利的。
图6 复合载荷作用下接头密封面接触长度变化曲线
4 结束语
本文选择使用ANSYS有限元分析软件，利用ANSYS命令流对外径为177.80mm、壁厚为9.19mm的套管接头进行参数化建模及求解分析。主要研究套管接头在温度180℃+内压60MPa+0～400MPa轴向拉力下的复合载荷作用下的密封性能。通过应力云图和接触压力云图及接触长度变化曲线对比分析可知：轴向拉伸载荷的增大会使套管接头密封面和扭矩台肩面的接触过盈量减小，接触压力下降，不利于套管接头的密封。此外，在一定范围内，轴向载荷的增加会减小接头密封接触部位的接触长度，同样不利于套管接头的密封。该研究结果为特殊螺纹套管接头密封性能的研究提供了一定的参考。
后续研究中，笔者将对套管接头的三维有限元模型进行参数化设计，研究各种工况载荷以及各结构参数对特殊螺纹接头性能的影响，并且通过建立基于Kriging模型的特殊螺纹套管接头分析其密封可靠性。
