密封加強型快速連接特殊螺紋關鍵結構參數優化研究

王儒朋，席曉磊，焦巍，張文星，龐德志，馬繼超，肖華平

密封加強型快速連接特殊螺紋關鍵結構參數優化研究

王儒朋1，席曉磊2，焦巍3，張文星3，龐德志4，馬繼超4，肖華平4

（1.中海油能源發展裝備技術有限公司加工制造分公司，天津 300452；2.中海石油(中國)有限公司深圳分公司 深水工程技術中心，廣東 深圳 518067；3.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；4.中國石油大學（北京） 機械與儲運工程學院，北京 102249）

影響密封加強型快速連接特殊螺紋性能的主要因素包括密封面結構、扭矩臺肩結構以及連接螺紋結構參數，對這些結構進行優化設計可以降低應力集中、保證密封性能、減少塑性變形，從而保障油套管的結構完整性和密封完整性。為了改善密封性能，提高連接強度、抗扭矩能力和承載能力，使其能適應更復雜的工作環境，對主要螺紋結構參數進行了優化設計。通過有限元分析和模擬計算研究了不同參數條件下的連接性能，結果表明，螺紋兩端應力大、中間部分應力小，所以螺紋因拉伸應力過大而產生的失效容易發生在螺紋兩端。

快速連接；密封加強；有限元分析；優化設計

海洋油氣儲量龐大，是我國油氣資源的重要來源。隨著需求的增加，近年開發開采數量也隨之增加，而且從最初的淺海井到現在的深海井，油氣井向著大斜度井和水平井方向發展，開采難度也越來越大。為了滿足不斷提高的油氣資源開發要求，石油管材和鉆采機具的優化改進是滿足大難度鉆采作業的關鍵[1-3]。

現有的套管接頭螺紋設計理論主要基于套管接頭螺紋受軸向拉伸載荷的情況，在使用過程中受到較大的扭矩載荷作用時會引起脹扣、斷裂失效、下入井底后使用壽命短等問題[4-5]。隨著海洋油氣資源的不斷開發，對于高抗扭和高抗壓性能的套管接頭有更大的需求[6-8]。而對于此類工況下的套管，目前仍無相應的設計理論與其高抗扭抗壓工況相匹配[9-10]。套管內部空間狹窄，優化設計需要在不改變現有外形尺寸的前提下提高接頭螺紋的性能，因此對各種內部結構參數進行優化是提高套管接頭螺紋承載強度的主要途徑[11-12]。

本文以中海油密封加強型快速連接特殊螺紋套管為研究對象，對其螺紋接頭的主要參數及尺寸公差等變量進行模擬和優化。將三維建模運用到有限元仿真軟件中，設置復雜的工況和嚴格的邊界條件，對其在復雜載荷下的工作狀態進行仿真，計算其應力分布情況變化，在此基礎上進行優化和對比，最終求得具有更優工作能力的尺寸參數。

1 特殊螺紋套管有限元三維建模

為準確試驗密封加強型快速連接特殊螺紋的參數對結構性能的影響，在公扣與母扣配合后，通過有限元模型進行模擬分析。該螺紋為一個復合螺紋，屈服強度552 MPa，拉抗強度665 MPa，彈性模量＝2.08×105MPa，泊松比＝0.3。按照中海油設計標準該特殊螺紋接頭摩擦力系數參數0.08。通過Solidworks軟件三維建模生成，其空間結構示意如圖1所示，其導向面及承載面如圖2所示。

圖1 密封加強型快速連接螺紋接頭空間結構示意

圖2 密封加強型快速連接螺紋導向面及承載面

2 有限元仿真分析

2.1 密封加強型快速連接螺紋仿真結果分析

普通螺紋套管在承受上扣扭矩、拉伸載荷、彎曲載荷或內壓載荷等時，其螺紋接頭上應力分布十分不均勻，前三圈的螺紋牙會承受較大的Mises應力，特別是在第一圈螺紋牙有效嚙合后應力集中尤其嚴重。而該特殊螺紋套管會緩解該現象的發生，為了使其接頭結構參數進一步優化，選定7個可調整參數（如圖3所示）為備選參數。經過前期驗證，選用了六個關鍵參數進行分析，優化列表如表1所示。

圖3 密封加強型快速連接螺紋7個位置參數

同時為了仿真對工況的優化結果，對扭矩和彎矩進行了同樣的仿真運行。通過對撓度的計算和2000 m下套管管柱的自重計算得出重量為80 t，利用ABAQUS模擬仿真施加80 t拉伸載荷，結果顯示其螺紋接頭的受力情況較好，但是效果分布圖不太明顯。為了便于更好分析的受力部位情況，在保證不會達到材料的抗拉極限655 MPa條件下，施加更大的拉伸載荷。

表1 密封加強型快速連接螺紋接頭六參數單因素對照表

2.2 單因素參數性能優化

針對選取的各種結構參數，首先采用單因素調整進行優化，由于選取參數比較多，本文以導向面下部圓弧半徑為例進行說明。原始結構中導向面下部圓弧半徑為0.20 mm，為了探明該參數影響，分別選取了0.24 mm、0.28 mm、0.32 mm、0.36 mm進行模擬計算，施加預緊力和拉伸載荷，通過有限元計算得到接頭應力。

通過多項式擬合得到的曲線如圖4所示，可以看出，隨導向面下部圓弧增加，最大Mises應力有先減小后增加的現象。在本文研究范圍中，0.32 mm半徑可以最有效地減小最大Mises應力，從原來的566.4 MPa減小到554.4 MPa，接頭上最大應力值減小了2.12%。

圖4 導向面下部圓弧半徑對最大應力的影響

第一圈螺紋齒上最大Mises應力分布曲線圖如圖5所示。分析表明，螺紋上的應力分布雖然在一定范圍內，但是并不均勻。經過優化后螺紋第一圈應力分布不均情況得到改善，在此情況下更加均勻的表面受力可以有效完善螺紋的密封性，同時分散其表面應力，以達到延長螺紋使用壽命的目的。

圖5 第一圈齒面應力對比雷達圖

優化前后第1～10齒上的最大Mises應力情況如圖6所示。可以看出，在螺紋兩端的應力比較大、中間部分應力相對要小一些，這和實際工況中觀察到的兩端容易粘扣的現象是匹配的。通過調整導向面下部圓弧半徑，幾乎所有齒上的最大應力都有降低，能從一定程度上減少粘扣現象的發生。

圖6 優化前后螺紋前10齒面應力對比曲線

2.3 預緊力位移條件下參數優化性能

由于密封加強型快速連接特殊螺紋為圓錐管螺紋，其每一圈的螺紋齒直徑不一樣，但其受力方式與常見圓柱管螺紋類似，如圖7所示，密封加強型快速連接螺紋套管接頭在上扣扭矩＋預緊位移工況下進行應力分析，且設定預緊位移為0.16 mm，圖中顯示，前幾圈的螺紋齒在嚙合時承受的應力明顯大于后幾圈的應力，兩端受力大、中間受力小，這表明特殊螺紋油套管在井下工作時，應力集中總是出現在螺紋的兩端接頭處。在預緊位移0.16 mm的條件下的螺紋套管接頭優化前最大應力為566.4 MPa，而優化后最大應力為553.9 MPa，進行對比可知最優參數下的螺紋在承受位移載荷時同樣具有優化效果，最大應力值降低了2.21%，確保了參數優化同樣有效的作用于預緊的情況。

對密封加強型快速連接螺紋套管接頭最前端進行密封設計，在密封面上取兩點，靠近螺紋接頭的點設為位置1，另一點則設為位置2，以點為基準分析其一周的接觸應力值是否滿足密封要求。

如圖8、表2所示，在最佳機緊狀態下，優化前、后油套管接頭密封面接觸應力沿著周向變化較穩定，波動不大；優化前，油套管接頭密封位置1處接觸應力變化范圍為152.69～180.325 MPa，密封位置2處接觸應力變化范圍為126.097～153.363 MPa，波動不大，兩處的密封性能均滿足密封要求；優化后，油套管接頭密封位置1處接觸應力變化范圍為160.716～196.412 MPa，密封位置2處接觸應力變化范圍為120.094～160.716 MPa，波動不大，在低于120 MPa接觸應力下完全滿足密封要求。

圖7 預緊力位移0.16 mm原始參數值和最優參數值條件下應力云圖

圖8 預緊位移0.16 mm優化前后油套管接頭密封周向面的應力分布圖

表2 優化前后預緊位移0.16 mm時密封接觸應力對比（最佳扭矩）

2.4 預緊力和拉力耦合條件下參數優化性能

套管在地層中受軸向拉力作用，隨管柱長度增加，在下放過程中拉力逐步增大，在管柱達到最深處即指定位置時，拉力達到最大值。如圖9所示，密封加強型快速連接螺紋套管接頭在拉伸載荷＋上扣扭矩工況下，施加240 t拉伸載荷得到應力最大值為566.4 MPa，相對于管道自重產生的應力最大值558.4 MPa僅增加了1.38%，且受力分布較均勻，滿足預期的效果。因此選用240 t的拉伸載荷進行模擬仿真。

圖9 最佳機緊狀態下施加不同拉力應力云圖

施加240 t載荷時，接頭螺紋應力最大值達到556.4 MPa，由圖10可見，多次參數優化中，導向面上部圓弧半徑0.785 mm時應力最大值556.3 MPa，接頭上最大應力值減小了1.78%。

2.5 預緊力、拉力、彎矩耦合條件下參數優化性能

如圖11所示，密封加強型快速連接螺紋套管接頭在拉伸載荷＋上扣扭矩＋彎矩載荷工況下進行應力分析，在拉力和上扣扭矩不變的情況下，給螺紋接頭施加一定的彎矩，得到的應力值大小為566.5 MPa，與原始相比較僅增大了0.18%左右，說明該螺紋接頭的抗彎性能較好，且其最大應力值遠小于材料的屈服極限，因此設定10%的安全系數來對優化后的應力參數進行對比，如果在參數優化時該應力值超過了設定的安全系數對應應力值，該特殊螺紋接頭會失效，此數據則會無效，所以在選取數據時根據該條件進行參數優化分析。

圖10 施加指定拉力和扭矩優化前后的應力云圖

圖11 施加拉力、指定彎矩和上扣扭矩的應力云圖

圖12是選取密封加強型快速連接螺紋套管在優化列表中同時承受扭矩和拉力條件下優化效果最好的模型，對該模型施加扭矩、拉伸載荷及彎矩，最大應力值為553.7 MPa，最大應力值降低了2.24%。

圖12 最佳優化參數下施加拉力、指定彎矩和上扣扭矩的應力云圖

如圖13、表3所示，在彎曲工況下，優化前后套管接頭施加指定的拉伸載荷和最佳上扣扭矩，密封面接觸應力沿著周向變化較穩定，波動不大，最大接觸應力值都遠小于材料最小屈服強度；優化前，油套管接頭密封位置1處接觸應力變化范圍為142.140～170.470 MPa，密封位置2處接觸應力變化范圍為111.439～147.349 MPa，波動不大，兩處密封性能均滿足密封要求；優化后，油套管接頭密封位置1處接觸應力變化范圍為148.201～183.563 MPa，密封位置2處接觸應力變化范圍為120.094～150.316 MPa，波動不大，在低于110 MPa接觸應力下完全滿足密封要求；優化前的兩處密封位置接觸應力平均值均低于優化后的值，因此在最佳機緊狀態下，優化螺紋導向面上部圓弧半徑，油套管密封性能也能得到加強。

3 結論

本文利用有限元軟件對密封加強型快速連接特殊螺紋套管進行了模擬計算，分析了特定工況下的螺紋應力分布情況。本文將仿真數據進行匯總與分析，得出以下結論：

（1）隨著拉伸載荷的增大、螺紋承載面所受到的應力也隨之增加，螺紋兩端應力大、中間部分相對較小，所以螺紋因拉伸應力過大而產生的失效容易發生在螺紋兩端。

（2）在多次單參數優化中，導向面上部圓弧半徑為0.785 mm時應力最大值最小，接頭上最大應力值減小了2.24%。

（3）通過計算密封加強型快速連接特殊螺紋套管參數修改前后的性能對比，優化后的套管接頭應力降低，各螺紋牙上的應力分布也更平均，因此更能適應苛刻井況。

圖13 施加拉力、指定彎矩和上扣扭矩下油套管接頭沿著密封面一周的應力分布情況

表3 優化前后施加拉力、指定彎矩和上扣扭矩下油套管密封面接觸應力（最佳扭矩）

[1]趙政璋，趙賢正，李景明，等. 國外海洋深水油氣勘探發展趨勢及啟示[J]. 中國石油勘探，2005，10（6）： 71-76.

[2]張杰，劉俊，陳平，等. 海洋大位移井井壁力學穩定性研究[J]. 海洋石油，2005，25（1）：85-88.

[3]郭昊，袁玲. 頁巖氣鉆井關鍵技術及難點研究[J]. 石油化工應用，2013（6）：12-14.

[4]田中蘭，石林，喬磊. 頁巖氣水平井井筒完整性問題及對策[J]. 天然氣工業，2015（9）：70-76.

[5]李超，陳長青，劉文紅，等. 套管失效案例及控制技術研究[J]．石油礦場機械，2015 （7）：14-20.

[6]于浩，練章華，林鐵軍，等．頁巖氣體積壓裂過程中套管失效機理研究[J]. 中國安全生產科學技術，2016（10）：37-43.

[7]高連新，孫坤忠. 旋轉固井用高抗扭氣密封套管的研制與應用[J]. 鋼管，2013（2）：22-26.

[8]楊凱，王斌林，孟凡闊，等. 139.7 mm套管接頭特殊螺紋研制[J]. 石油礦場機械，2013（8）：80-84.

[9]阮臣良，王小勇，張瑞，等. 大斜度井旋轉尾管下入關鍵技術[J]. 石油鉆探技術，2016（44）：52-57.

[10]夏佑廣. HSM-2型特殊螺紋套管接頭設計分析[J]. 焊管，2016（4）：22-26.

[11]Reynolds，Harris and Greenip，John. Wedge Thread Tool Joints：Applications and Economics [C]. Dallas，Texas：IADC/SPE Drilling Conference，2002.

[12]吳應喜. 偏梯形套管螺紋接頭多軸疲勞壽命研究[D]. 西安：西北工業大學，2007.

Optimization on key Structural Parameters of Sealing Reinforced Quick-Connect Special Thread

WANG Rupeng1，XI Xiaolei2，JIAO Wei3，ZHANG Wenxing3，PANG Dezhi4，MA Jichao4，XIAO Huaping4

( 1.CNOOC Energy Development Equipment Technology Co., Ltd., Machining and Manufacturing Branch, Tianjin 300452, China; 2.Deepwater Engineering Technology Center, Shenzhen Branch of CNOOC (China) Co., Ltd., Shenzhen 518067, China; 3.CNOOC Energy Development Co., Ltd., Engineering Technology Branch, Tianjin 300452, China; 4.School of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China )

The core of the design of the sealing reinforced quick-connect special thread is to optimize the sealing surface, torque shoulder and connection thread parameters, so as to reduce stress concentration, ensure sealing performance, and reduce plastic deformation to ensure the structural integrity of the casing and seal integrity. Through the optimization design of the structure of the sealing reinforced quick-connect casing, it achieves the effects of good sealing and improving connection strength, torque resistance and bearing capacity, which ensures that it adapts to the complex working environment. The results show that the stress at both ends of the thread is large, and the stress in the middle part is relatively small, so the failure caused by excessive tensile stress is likely to occur at both ends of the thread.

quick connection；sealing reinforced；finite element analysis；optimal design

TH131.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.07.004

1006-0316 (2023) 07-0025-07

2022-9-29

中國海洋石油集團有限公司“三新三化”項目——海上油田特殊螺紋研制及標準化建設研究（JTKY-SXSH-2021-HF-10）

王儒朋（1987－），女，黑龍江蘭西人，碩士研究生，高級工程師，主要從事海洋石油專用管材及鉆采機具設計研發制造工作，E-mail：wangrp4@cnooc.com.cn。