铝合金直连型套管接头密封性能分析*

吕玮 张全胜 李玉宝 李娜 赵鹏程 任京文

(1.胜利油田石油工程技术研究院 2.中国石油大学(华东)机电工程学院)

0 引 言

由于地质条件的不同，某些特殊油藏中的石油开采有特殊要求。针对油田中的碳酸盐岩地层的奥陶系油藏，油井常用裸眼完井方式。为提高产量需对地层实施酸化压裂措施，但这会破坏裸眼井壁稳定性，导致裸眼井壁发生坍塌[1]，影响正常生产，因此在压裂时需下入套管起支撑保护井壁的作用，在完成压裂酸化后，需钻除井底套管以恢复裸眼井筒。目前采用常规钢制的接箍型套管能满足支撑保护井壁的作用，但在钻磨过程中存在施工难度大，作业时间长、费用高等问题，而选用铝合金材料套管可以有效地解决这个问题[2]。

目前普通钢制套管产品有很多，也有很多关于钢制的特殊螺纹接头设计与研究，但对于某些油藏在开采中需要的可钻套管，国内外对此研究较少。2011年，张占国等[2]对套管偏梯形螺纹接头的性能、螺纹牙受力分布规律进行了有限元仿真分析，提出了增加完整螺纹段长度以减轻应力集中。2016年，窦益华等[3]建立了特殊螺纹接头的三维有限元分析模型，对不同扭矩下的螺纹接头进行有限元分析。分析表明，当扭矩不足时，接头能实现密封，但此时辅助密封失效；扭矩过大时，接头密封性能较好，但此时接头的应力较大，容易造成接头的损坏。2018年，Wei Chen等研究了超深井和大位移井下的密封失效问题，建立了考虑非线性的三维有限元模型，分析发现预紧力对接头的密封性能有重要影响，轴向载荷的增加会提高螺纹段的密封性能，同时会削弱密封面和扭矩台肩上的密封性能。2019年，刘奔等[4]对铝合金油管进行研究，设计了一款接头加厚的直连型油管接头，对接头的连接与密封性能进行了分析。但其接头部分的厚度较大，加工和下入性能较差，不适用于套管接头的设计。

综上所述，对于套管接头的设计与分析已经进行了一些研究，研究方法包括理论分析、数值仿真和试验等。但大多数的研究都是基于API钢级，目前对于其他材料的套管接头研究并不多，仅有少数学者研究了铝合金在油管与钻杆上的应用。但由于实际开采的要求，某些情况下需要选用铝合金金属材料制作的套管，且对接头的密封性能有较高的要求，因此需开展铝合金材料套管接头的密封性研究与分析。

1 直连型接头模型建立及精度验证

1.1 直连型接头模型建立

直连型接头采用7075牌号的铝合金设计。7075牌号铝合金在20 ℃下的屈服强度为540 MPa，抗拉强度为600 MPa；在100 ℃下的屈服强度为473 MPa，抗拉强度为550 MPa。螺纹形式为梯形螺纹，螺纹牙数为13牙，齿高为1.4 mm，螺距为6牙/in，承载面和导向面角度分别为3°和6°，锥度成1∶16。采用齿顶面与齿根面过盈接触的配合方式。台肩面选用逆向台肩结构，逆向台肩的台肩角范围为-15°～ 0°，采用锥面-锥面的密封结构形式[5-6]。

套管接头为复杂螺旋曲面形成的几何实体，为降低计算量提高计算效率，采用二维轴对称模型进行接头性能分析，摩擦因数为0.1，利用上扣扭矩与过盈有定量的关系来模拟上扣扭矩。而对于轴向载荷和内外压载荷则直接施加在相应作用面上。接头分析的边界条件为将接头一端(A端)设置为轴向固定、径向自由的约束，如图1所示。而对接头的载荷加载需分为2步：第一步是施加接头的上扣扭矩，设置螺纹、密封和扭矩台肩的过盈以模拟上扣扭矩；第二步是在施加上扣扭矩基础上，由具体分析内容在相应作用面施加轴向载荷或内外压载荷[7-8]。

图1 边界条件与载荷施加示意图Fig.1 Schematic diagram of boundary conditions and loading

1.2 仿真模型试验验证

采用套管内加压的方法代替轴向拉伸载荷，对3根ø121 mm×8 mm的圆螺纹套管接头进行试验验证。设计了如图2所示的试验方案，动力系统主要由试压泵和稳压罐组成，试验系统由水箱和固定夹钳组成；水箱实现了控温和安全防护的作用，固定夹钳起到固定试样的作用。

恒温安全水箱设置温度为20 ℃(即室温)，启动试压泵，开始以6 MPa为增量进行连续加压；加压到30 MPa时，以2 MPa为增量进行增压，观察套管短节螺纹处是否断裂，当螺纹断裂时即停止加压。断裂后的形貌如图3所示。

1—电动试压泵；2—稳压罐；3—压力表；4—压力控制阀；5—管线；6—套管接头试样；7—恒温安全水箱；8—丝堵；9—固定夹钳；10—加压接头。图2 试验方案图Fig.2 Test scheme

图3 接头断裂图Fig.3 Joint fracturing

利用有限元建立同试样尺寸相同的分析模型，仿真结果如图4所示。试验与有限元分析结果对比如表1所示。

图4 仿真结果图Fig.4 Simulation results

表1 试验与有限元结果对比Table 1 Test and finite element simulation results

由表1可以看出，有限元结果比试验值偏大，这是由零件加工误差等因素引起的。但有限元结果与试验结果相对误差为8.85%，有限元分析结果满足要求，表明有限元参数设置合理。

2 结构参数影响分析

2.1 密封面角度影响

当密封面角度较小，产生相同过盈量时，需较长的上扣量，综合考虑选择密封面的角度为8°～20°。取ø139.7 mm×12.5 mm的套管作为研究对象，在进行分析设置时，通过过盈量来控制上扣。上扣时螺纹部分径向过盈量为0.155 mm，主密封面的径向过盈量为0.35 mm，扭矩台肩为直角台肩，扭矩台阶面的轴向过盈量为0.04 mm，并在轴向施加200 kN的拉力，分析在上扣和上扣加拉伸时的密封性能[9]。结果如图5所示。

图5 密封面角度对密封性能的影响Fig.5 Influences of sealing surface angle on sealing performance

由图5可知，在上扣和上扣+拉伸2种工况下，随着密封面角度的增加，密封面的最大接触压力呈现先增加后减小的趋势，而密封面的接触强度先小幅增加后呈现降低的趋势。在密封面角度为16°时，虽然上扣工况下的密封强度不是最大，但在拉伸工况下其密封强度接近最大，且此时密封面的接触压力达到最大，因此将密封面角度选为16°。

2.2 密封面长度影响

过长的密封长度将会造成加工和装配的复杂性，因此需考虑密封面长度对密封性的影响。根据所设计的接头尺寸，将密封长度范围限定在2.0～3.5 mm之间。将套管尺寸、上扣扭矩过盈量和轴向载荷同上述分析成同样参数，并将密封面角度取为16°，分析得到不同密封面长度下的接触压力的分布，如图6所示。

由图6可知，随着密封面长度的增加，在上扣和上扣+拉伸2种工况下，其最大接触压力和密封强度均有所上升，这表明在尺寸允许范围内，增大密封面的长度可提高密封性能，因此将密封面的长度设为3.5 mm。

图6 密封面长度对密封性的影响Fig.6 Influences of sealing surface length on sealing performance

2.3 扭矩台肩角度影响

在扭矩台肩设计时，以直角台肩和逆向台肩作为设计方案，直角台肩和逆向台肩均为面接触，因此可以将直角台肩视为逆向角为0°的特殊逆向台肩，逆向角越小，加工越困难，通常逆向角的范围为-15°～0°。通过有限元分析，分析逆向角不同时的特性，优选合理的台肩角度，更好地发挥扭矩台肩的密封效果。

扭矩台肩对主密封面不仅有保护作用，还能影响密封面的密封性能。图7为扭矩台肩角度对密封面密封性能的影响。在上扣和上扣+拉伸2种工况下，随着扭矩台肩角度的增加，密封面的最大的接触压力和密封强度均呈现下降趋势，因此选择小的扭矩台肩角度可以提高主密封面的密封性能[10-13]。

图7 台肩角对密封面密封性的影响Fig.7 Influences of torque shoulder angle on sealing performance

3 过盈量影响分析

3.1 密封面过盈量影响

为分析密封面过盈量对接头的密封性能的影响，首先研究密封面不同法向过盈量时，其上的接触压力和密封强度的变化情况，结果如图8和图9所示。密封面过盈量对接头应力的影响如图10所示。

图9 密封面过盈量对密封强度影响Fig.9 Influences of sealing surface interference on sealing strength

从图8可知，在密封面长度上接触压力呈现不均匀分布，随着密封面过盈量的增加，接触压力分布不均匀的现象并未得到改善，但随着密封面过盈量的增加，最大接触压力显著增加。

从图9可知，随着密封面过盈量的增加，密封强度显著提高。通过上述分析可知，增大密封面的过盈量可增加密封的可靠性。

图10 密封面过盈量对接头应力的影响Fig.10 Influences of sealing surface interference on joint stress

由图10可知，随着密封面过盈量的增加，接头的应力随之增加。为防止较大的塑性变形使接头密封面产生破坏，因此应使接头的最大应力应小于材料的屈服强度，密封面的过盈量设计为0.4 mm。

3.2 台肩面过盈量影响

为分析台肩面过盈量对接头的密封性能的影响，首先研究不同台肩面过盈量时，密封面上的接触压力变化情况，结果如图11、图12、图13所示。

图11 台肩面过盈量对密封强度影响Fig.11 Influences of shoulder surface interference on contact pressure distribution

由图11可知台肩面过盈量的增加，接触压力有一定程度的增加，但最大接触压力增加不显著。由图12可知，随着台肩面过盈量的增加，密封强度有所提高，当扭矩台肩过盈量超过0.1 mm后，密封强度的增长速率有所降低。由此可以得到，适当增加台肩面过盈量可增强密封面的密封性能。

图12 台肩面过盈量对密封强度影响Fig.12 Influences of shoulder surface interference on sealing strength

图13 不同台肩面过盈量对接头应力的影响Fig.13 Influences of shoulder surface interference on joint stress

根据图13可知，随着套管螺纹扭矩台肩面过盈量的增加，密封面的应力也随之增大。为了防止较大的塑性变形使套管螺纹接头密封面产生破坏，应使接头的最大应力尽可能小于材料的屈服强度。从图13可以发现：当台肩面过盈量为0.06 mm时，上扣后密封面处最大应力为471.28 MPa，接近材料的屈服强度473 MPa；当台肩面过盈量为0.08 mm时，套管螺纹上扣后密封面处最大应力473.36 MPa，稍微大于材料的屈服强度。因此可得台肩面过盈量范围在为0.06～0.08 mm时，可以在满足强度要求的前提下获得更高的密封强度。

4 载荷作用影响分析

4.1 轴向拉伸载荷下密封性分析

以100 kN增量逐步增加轴向拉力，得到轴向载荷变化对不同壁厚的密封性能的影响，结果如图14所示。随着轴向拉力的增加，最大接触压力和密封强度均呈现下降趋势，这表明轴向载荷对密封性能的影响较大，在有轴向载荷时应注意考虑轴向载荷对密封性能的影响。此外在同一轴向拉力下，随着壁厚的增大，套管接头的最大接触压力和密封强度也逐渐增大，因此选择壁厚较大的套管接头可获得较好的密封性能[14-15]。

图14 轴向拉力对密封性能影响Fig.14 Influences of axial tension on sealing performance

4.2 轴向压缩载荷下密封性分析

以ø139.7 mm×12.5 mm 和ø139.7 mm×13.5 mm的接头作为分析对象，分析不同轴向压缩载荷时接头的密封性能，得到轴向压力变化对套管螺纹最大接触压力和密封强度的影响，所得结果如图15所示。

图15 轴向压力对密封性能影响Fig.15 Influences of axial compression on sealing performance

由图15可得，随着轴向压力的增加，最大接触压力有所增加，并且其密封强度也随轴向压力的增加而增加。因此在受压工况下，接头的密封性能优于最佳上扣时的密封性能，此时接头的密封性良好，所以在此种工况下不需要考虑轴向压力对密封性能削弱作用。

4.3 内压载荷下密封性分析

内压增大使密封面应力增大可能会引起密封面失效，所以以尺寸为ø139.7 mm×12.5 mm的铝合金接头和ø139.7 mm×13.5 mm的铝合金接头作为研究对象，分析内压变化对不同壁厚接头的密封性能影响，对分析得到的数据进行处理可得内压对密封性能的影响如图16所示。

由图16a可知，随着内压载荷的增加，接头的最大接触压力呈现先增加后降低的趋势，这是因为在内压作用时，接头密封面的应力较大，对密封面的接触压力产生了影响，虽然最大接触压力有降低的趋势，但是其压力值仍接近或大于内压为0时的接触压力。

由图16b可知，随着密封强度随内压的增加而增加，这说明在内压作用下，密封面的接触压力有变均匀的趋势。综上，在内压工况下套管接头密封性能没有下降，因此不需考虑内压对密封性削弱的影响。

4.4 外压载荷下密封性分析

为分析不同外压作用下对套管接头的密封性能影响，以尺寸ø139.7 mm×12.5 mm和ø139.7 mm×13.5 mm的套管接头作为研究对象对分析得到的数据进行处理可得外压对密封性能的影响如图17所示。由图17可知，随着外压的增加，接头密封面上的最大接触压力先增大后减小，当外挤压力较大时密封面上的最大接触压力小于仅在上扣扭矩作用时的最大接触压力，密封强度随着压力的增加也呈现先增大后减小的趋势，但密封强度整体与仅在上扣时的密封强度接近，因此可在使用时不考虑外压作用对密封性能削弱的影响。

图17 外压对密封性能的影响Fig.17 Influences of external pressure on sealing performance

5 结 论

(1)密封面角度为16°，密封面长度为3.5 mm，扭矩台肩角度为逆向角-15°，密封面过盈量为0.4 mm，扭矩台肩面过盈量为0.06～0.08 mm时接头的密封性能较好；适当地增大密封面长度，减小扭矩台肩面角度有利于增加密封性能。在上扣后密封面应力不超过材料屈服强度的前提下，增加密封面过盈量有利于增加密封性能。

(2)在轴向拉伸载荷、轴向压缩载荷、内压载荷、外压载荷4种工况下，接头的密封性可以满足使用要求。轴向拉伸载荷作用对其密封性能的影响最大，而轴向压缩载荷、内压载荷和外压载荷对密封性能影响可不予考虑。