膨脹套管接頭柱面密封結(jié)構(gòu)密封性能分析

殷鵬軍 張建兵 劉吉吉 李蕾帆 李金鋒

摘要：為了研究影響膨脹套管接頭柱面密封結(jié)構(gòu)密封性能的因素，采用有限元顯示動力學分析方法，對構(gòu)建的膨脹套管接頭柱面密封結(jié)構(gòu)的膨脹過程進行有限元仿真和分析，得到了無載荷工況、內(nèi)壓和金屬密封面初始間隙對套管接頭密封性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在無載荷工況下，套管接頭膨脹后金屬密封面間接觸力為零，不具備密封性能；在0～30 MPa范圍內(nèi)，施加的壓力越大，膨脹后金屬密封面間的接觸力越大，密封性能越高；金屬密封面初始間隙對套管接頭的密封性能影響最大，當金屬密封面初始間隙在0.1～0.4 mm范圍內(nèi)減小時，套管膨脹后密封面上的接觸力逐漸增大，柱面密封結(jié)構(gòu)的密封性能逐漸提高。分析結(jié)果可為膨脹套管接頭密封性能優(yōu)化設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：膨脹套管接頭；金屬密封面；接觸力；密封性能

中圖分類號：TE931.2

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.01.008

Analysis of Sealing Performance of Cylindrical Sealing Structure of Expansion Casing Joint

YIN Pengjun， ZHANG Jianbing， LIU Jiji， LI Leifan， LI Jinfeng

（College of Mechanical Engineering， Xi an Shiyou University， Xi an 710065，China）

Abstract：In order to select a suitable metal seal structure for the expansion casing joint and study the factors affecting the sealing performance of the expansion casing joint， the finite element display dynamic analysis method was used to simulate and analyze the expansion process of the cylinder seal structure of the constructed casing joint， and the influence law of internal pressure and initial clearance of sealing surface on the sealing performance of the joint was obtained. The results show that the contact force between the sealing contact surfaces after expansion of the casing joint is zero， and the casing has no sealing performance， so it is not suitable for the casing under no load conditions. When the internal pressure is 30 MPa and the initial sealing gap is constant， the expanded sealing contact surface of the expansion casing joint has the maximum contact force. In the range of 0～30 MPa， the greater the applied pressure， the greater the contact force between the metal sealing surfaces after expansion， and the higher the sealing performance. The initial clearance of the sealing surface has the greatest influence on the contact force of the sealing contact surface. When the initial clearance of the sealing surface decreases within 0.1～0.4 mm， the contact force of the sealing contact surface gradually increases after casing expansion， and the sealing performance of the cylindrical sealing structure is gradually improved. The analysis results can provide a reference for the optimal design of sealing performance of expansion casing joints.

Key words：expansion casing joint; cylindrical sealing structure; contact force; sealing performance

API螺紋接頭由于本身結(jié)構(gòu)設(shè)計以及加工公差，已不能滿足高溫、高壓的密封需要，且 API螺紋接頭在膨脹時會破壞其結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性^［1-2］。因此，必須開發(fā)非API的特殊螺紋結(jié)構(gòu)。膨脹套管技術(shù)是近年來石油工程領(lǐng)域出現(xiàn)的新技術(shù)，主要應(yīng)用于開采、修井、鉆井和完井等作業(yè)方面^［3］，其原理如圖1。將工作管柱下到井內(nèi)，以機械或者液壓力的作用，推動膨脹錐沿著管體內(nèi)壁做軸向移動，對套管管體進行擴徑，使套管發(fā)生永久性塑性變形^［4］。

套管接頭的密封性能取決于密封結(jié)構(gòu)的形式，孔化^［5］等對錐面/錐面密封結(jié)構(gòu)采用有限元軟件進行模擬，研究特殊螺紋接頭錐面/錐面結(jié)構(gòu)密封接觸壓力分布規(guī)律和密封性能；朱強^［6］等分析了一種特殊螺紋套管接頭柱面/球面密封結(jié)構(gòu)的密封性能；許紅林^［7］等分析了油套管特殊螺紋球面對錐面密封性能。在此研究基礎(chǔ)上，選用膨脹套管接頭柱面對柱面密封結(jié)構(gòu)，對影響其密封性能的因素進行有限元分析。

1 膨脹套管接頭幾何建模和有限元建模

1.1 基本問題描述和假設(shè)

膨脹套管接頭膨脹屬于動力學問題，采用Workbench有限元軟件中的Ls-dyna顯示動力學進行分析。膨脹過程中，膨脹錐和套管接頭內(nèi)壁相互接觸，內(nèi)外螺紋接頭的螺紋之間和金屬密封面之間也相互接觸，故套管接頭膨脹過程是典型的接觸問題。膨脹錐外表面和套管接頭內(nèi)壁的接觸為剛體/柔體接觸，套管接頭內(nèi)外螺紋和金屬密封面之間的接觸為柔體/柔體接觸。由于在膨脹過程中膨脹錐基本沒有變形且剛度比套管接頭大，故將膨脹錐簡化為剛體，套管接頭設(shè)置為柔體^［8］。套管接頭膨脹過程是復雜的大塑性變形過程，是典型的非線性問題，在不受影響問題實質(zhì)的前提下，為了方便分析，提高運算速度，進行如下的假設(shè)^［9］：

1） 由于螺紋升角一般較小，故不計其影響，膨脹套管接頭可按照二維軸對稱方式進行建模。

2） 膨脹套管接頭可視為各向同性材。

3） 套管接頭內(nèi)外螺紋之間、金屬密封面之間的接觸面摩擦因數(shù)都定為0.15，膨脹錐和套管內(nèi)壁之間的接觸面摩擦因數(shù)定為0.1。

1.2 幾何模型的構(gòu)建

膨脹套管接頭的構(gòu)建是膨脹套管技術(shù)的核心和難點，其關(guān)鍵在于密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計和選型，密封結(jié)構(gòu)的選型決定了金屬密封面接觸力的大小，接觸力的大小決定了套管接頭密封性能的好壞。膨脹套管接頭的密封結(jié)構(gòu)采用金屬對金屬密封結(jié)構(gòu)，目前金屬對金屬密封結(jié)構(gòu)的形式主要有：錐面對錐面、錐面對球面、球面對球面、球面對柱面、柱面對柱面^［8］。

在膨脹套管接頭的構(gòu)建中，金屬密封結(jié)構(gòu)采用柱面對柱面的形式進行分析，柱面密封結(jié)構(gòu)有較大的接觸面積，從而使泄漏路徑變長，以提高密封可靠度；螺紋采用偏梯形特殊螺紋，偏梯形特殊螺紋有較大的接觸力和密封性能。為了提高套管接頭的密封性能、避免上扣過程中過盈量太大或者粘結(jié)，扭矩臺肩采用-15°的反向臺肩^［10］。如圖2所示，上部為內(nèi)螺紋接頭，下部為外螺紋接頭，兩者密封面部位都為柱面，在膨脹后相互配合達到密封效果。

膨脹套管接頭密封結(jié)構(gòu)的構(gòu)建準則如下：

1） 為了利于柱面密封結(jié)構(gòu)密封，要保證套管膨脹后金屬密封面有接觸力。

2） 金屬密封面之間要留有初始間隙，防止上扣的過程中因干涉問題使接頭損壞。

3） 保證接頭在膨脹過程中和膨脹后的結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性。

1.3 膨脹套管接頭參數(shù)

膨脹套管尺寸設(shè)定為114.3 mm×6.35 mm，選擇膨脹錐錐角為4°，膨脹率為20%，其材料參數(shù)如表1所示。

1.4 邊界條件

由于膨脹套管接頭膨脹過程是自下而上，故需對套管底部進行軸向固定，徑向自由；對膨脹錐施加向上的軸向位移約束，徑向固定，如圖3所示。設(shè)置位移約束為900 mm，此設(shè)置保證了膨脹錐的位移長度使套管接頭能完全膨脹，在該位移范圍內(nèi)膨脹錐可以完全離開套管接頭的最上端。在外螺紋接頭內(nèi)側(cè)施加內(nèi)壓，相當于液壓力對套管接頭內(nèi)部的擠壓。

1.5 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分時，整體網(wǎng)格大小為5 mm，為了提高有限元分析精度，膨脹錐、內(nèi)外螺紋和金屬密封面進行局部網(wǎng)格加密。膨脹錐和套管內(nèi)壁接觸的部分網(wǎng)格大小設(shè)為3 mm，內(nèi)外螺紋網(wǎng)格大小設(shè)為0.3 mm，金屬密封面網(wǎng)格大小設(shè)為0.2 mm。建立的有限元實物模型如圖4 所示，有限元網(wǎng)格模型如圖5所示。

2 膨脹套管接頭有限元結(jié)果分析

2.1 無載荷工況下套管接頭膨脹后密封性能的分析

圖6為無載荷工況下膨脹套管接頭（取密封面初始間隙δ=1 mm）在膨脹前、膨脹過程中和膨脹后的米塞斯應(yīng)力云圖。由米塞斯應(yīng)力云圖6可知，套管接頭在膨脹過程中和膨脹后的最大米塞斯等效應(yīng)力為459 MPa，小于材料的強度極限530 MPa，即膨脹套管接頭在膨脹過程中和膨脹后沒有破壞其結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性。

在無載荷工況下，套管接頭受力主要是膨脹過程中膨脹錐對膨脹套管內(nèi)壁的擠壓力。利用LS-PrePost進行結(jié)果分析，得出無載荷工況下套管接頭金屬密封面間的接觸力，如圖7所示。0～322 mm區(qū)間為膨脹前、323～612 mm區(qū)間為膨脹過程中、613～900 mm區(qū)間為膨脹后。由圖7可知，當膨脹錐移動到323 mm時，開始對套管接頭進行膨脹，金屬密封面間開始出現(xiàn)接觸力；當膨脹錐移動到612 mm時，出現(xiàn)最大值為35 200 N；當膨脹錐移動到619 mm時，完全通過套管接頭，金屬密封面間的接觸力由最大值35 200 N逐漸減小到0。究其原因，套管在膨脹過程中，膨脹錐對套管接頭內(nèi)壁產(chǎn)生擠壓，內(nèi)外螺紋密封面間發(fā)生徑向位移使得密封面相互接觸產(chǎn)生接觸力；在膨脹后，因金屬密封面發(fā)生彈性回復使接觸的密封面發(fā)生分離^［11］，金屬密封面間逐漸出現(xiàn)間隙，所以金屬密封面的接觸力減小到0。說明該膨脹套管接頭柱面密封結(jié)構(gòu)在無載荷工況下不適用。

2.2 內(nèi)壓對膨脹套管接頭密封性能的影響規(guī)律

施加內(nèi)壓30 MPa工況下，膨脹套管接頭（密封面間隙為δ=0.3 mm）在膨脹前和膨脹后的米塞斯應(yīng)力云圖如圖8所示。由圖8可知，膨脹后金屬密封面仍有間隙，此時對外螺紋接頭對應(yīng)的內(nèi)壁施加30 MPa的壓力，金屬密封面的初始端開始貼合，密封面出現(xiàn)接觸力。說明在施加內(nèi)壓工況下，金屬密封面間有接觸力，有利于密封。

由圖8可知，在膨脹前，套管接頭的扭矩臺肩是緊密接觸的，但在膨脹后扭矩臺肩處出現(xiàn)了間隙。

這是由于套管接頭內(nèi)外螺紋在膨脹后都會產(chǎn)生不同程度的軸向收縮，而外螺紋接頭的軸向收縮量大于內(nèi)螺紋接頭，故在套管接頭扭矩臺肩處出現(xiàn)了間隙^［12-13］。

膨脹套管接頭最大米塞斯等效應(yīng)力隨壓力的變化曲線，如圖9所示。由圖9可知，當施加壓力為30 MPa時，膨脹套管接頭的最大米塞斯等效應(yīng)力為430 MPa，小于材料的強度極限530 MPa，該壓力沒有破壞其結(jié)構(gòu)完整性，說明壓力值在0～30 MPa范圍內(nèi)研究是有意義的^［14］。

圖10為金屬密封面初始間隙一定時，在膨脹后對外螺紋接頭內(nèi)壁分別施加10、20、30 MPa的壓力，金屬密封面間出現(xiàn)不同的接觸力。膨脹后金屬密封面間接觸力與壓力的關(guān)系如圖11所示。由圖11可

知，施加30 MPa的壓力時，膨脹后金屬密封面間的接觸力最大值為12 800 N；施加10 MPa的壓力時，膨脹后密封面間的接觸力最小值為4 150 N。膨脹后最大和最小接觸力相差8 650 N，下降程度為68%。說明金屬密封面間的接觸力隨著內(nèi)壓的增大而增大。因此，在不破壞套管接頭結(jié)構(gòu)和密封完整性的前提下，為了提高套管接頭柱面密封結(jié)構(gòu)密封性能，建議在膨脹時施加較大的內(nèi)壓^［15］。

2.3 金屬密封面的初始間隙對膨脹套管接頭密封性能影響

利用上述的有限元模型，取金屬密封面的初始間隙δ=0.1、0.2、0.4 mm。在不同金屬密封面初始間隙下施加10、20和30 MPa的壓力，計算套管接頭膨脹后金屬密封面接觸力的大小，分析金屬密封面初始間隙對膨脹后密封性能的影響規(guī)律。

利用Ls-dyan進行仿真結(jié)果分析，輸出不同金屬密封面初始間隙對應(yīng)的數(shù)據(jù)，如圖12所示.由圖12可知，當膨脹錐經(jīng)過膨脹套管接頭后（移動到大約620 mm后），金屬密封面間的接觸力由最大值逐漸減小至0，然后施加一定的內(nèi)壓，密封面的接觸力由0慢慢增大最后趨于穩(wěn)定。在施加一定的內(nèi)壓后，金屬密封面間隙δ=0.1 mm對應(yīng)的套管接頭在膨脹后接觸力最大，密封性能最好。而金屬密封面間隙δ=0.4 mm對應(yīng)的套管接頭在膨脹過程中和膨脹后接觸力都為0，無密封性能，這是因為金屬密封面初始間隙較大，在膨脹過程中通過擴徑?jīng)]能使金屬密封面相互接觸，且膨脹后又因內(nèi)外螺紋接頭的彈性回復使金屬密封面出現(xiàn)間隙^［16］。所以金屬密封面間隙δ=0.4 mm對應(yīng)的套管接頭在膨脹過程中和膨脹后金屬密封面都無接觸力，密封性能最差，不利于密封。

膨脹后不同壓力下金屬密封面間接觸力和初始間隙的關(guān)系如圖13所示。由圖13可知，施加一定內(nèi)壓工況下，隨著密封面初始間隙的增大，金屬密封面間的接觸力在膨脹后不斷減小。當初始間隙為0.1 mm，壓力為30 MPa時，金屬密封面接觸力最大，最大值為14 700 N；初始間隙為0.4 mm時，金屬密封面接觸力為0。接觸力最大值和最小值相差14 700 N。從理論上來說，接觸力越大，越不容易泄漏，密封性能越好。說明金屬密封面初始間隙在0.1～0.4 mm范圍內(nèi)，施加的壓力值一定時，金屬密封面間隙越小，膨脹后密封面接觸力越大，結(jié)構(gòu)的密封性能越高。

3 結(jié)論

利用Ls-dyan有限元仿真，通過膨脹套管接頭的米塞斯應(yīng)力云圖和LS-Prepost輸出的數(shù)據(jù)，得出了無載荷工況、施加內(nèi)壓工況和金屬密封面初始間隙對柱面密封結(jié)構(gòu)密封性能的影響規(guī)律：

1） 無載荷工況下，套管膨脹后密封接觸面間沒有接觸力，不利于密封，說明該膨脹套管接頭柱面密封結(jié)構(gòu)在無載荷情況下不適用。

2） 套管接頭在施加內(nèi)壓工況下，金屬密封面初始間隙一定，套管接頭膨脹后密封面之間有接觸力。在不破壞套管接頭結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性的前提下，壓力在 0～30 MPa范圍內(nèi)時，施加的內(nèi)壓越大，密封面間的接觸力越大，越有利于提高膨脹套管接頭的密封性能。

3） 當施加的壓力一定時，金屬密封面的初始間隙對密封性能影響最大。隨著金屬密封面初始間隙的增大，套管膨脹后密封面的接觸力不斷減小。當初始間隙δ=1 mm時，密封面接觸力最大，密封性能最高。因此，為了提高膨脹套管接頭的密封性能，在設(shè)計金屬密封面初始間隙時，要盡可能使間隙小。

參考文獻：

［1］韋奉，畢宗岳，張峰，等.膨脹套管的研究現(xiàn)狀［J］.鋼管，2013，42（1）：6-10.

［2］張建兵，韓勇，韓建增，等.膨脹套管螺紋聯(lián)接設(shè)計研究［J］.石油機械，2008（3）：5-8.

［3］唐明，滕照正，吳柳根，等.膨脹套管螺紋連接技術(shù)研究［J］.鉆采工藝，2016，39（5）：58-61.

［4］唐明，吳柳根，寧學濤，等.井徑膨脹套管技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.石油礦場機械，2009，38（12）：12-17.

［5］孔華，步玉環(huán)，馬明新. 特殊螺紋接頭錐面/錐面結(jié)構(gòu)密封特性研究［J］. 石油機械，2011，39（4）：14-17.

［6］朱強，杜鵬，王建軍，等. 特殊螺紋套管接頭柱面/球面密封結(jié)構(gòu)有限元分析［J］. 鄭州大學學報（工學版），2016，37（5）：82-85.

［7］許紅林，李天雷，楊斌，等.油套管特殊螺紋球面對錐面密封性能理論分析［J］.西南石油大學學報（自然科學版），2016，38（5）：179-184.

［8］羅楚. 膨脹套管接頭金屬密封結(jié)構(gòu)膨脹過程的力學特性［D］.西安：西安石油大學，2021.

［9］張建兵， 趙海洋. 油氣井膨脹套管技術(shù)［M］. 北京：石油工業(yè)出版社，2015．

［10］白鶴，何石磊，唐俊，等.臺肩角度對特殊螺紋接頭密封性能的影響［J］.鋼管，2014，43（4）：53-56.

［11］王倩. 膨脹套管特殊金屬密封結(jié)構(gòu)的密封性能分析［D］.西安：西安石油大學，2022.

［12］崔順賢，廖凌，葉頂鵬，等.端面金屬自密封特殊鉤形螺紋有限元分析［J］.石油機械，2009，37（6）：8-10.

［13］李連進，彭羽，李牧.石油套管特殊螺紋接頭密封結(jié)構(gòu)設(shè)計方法［J］.潤滑與密封，2015，40（4）：106-109.

［14］劉源，紀愛敏，李塹，等.油套管特殊螺紋接頭密封性能的有限元分析［J］.機械設(shè)計與制造工程，2017，46（6）：21-24.

［15］周曉君，魏波.基于ANSYS的套管特殊螺紋接頭密封結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.焊管，2012，35（11）：25-29.

［16］宋偉偉，紀愛敏，李塹，等.復合載荷作用下特殊螺紋套管接頭性能分析［J］.機電工程，2015，32（7）：954-957.