CN104573212B - 一种油套管螺纹接头密封结构的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油套管螺纹接头密封结构的优化设计方法，包括以下步骤：1)建立特殊螺纹接头密封结构的参数化几何模型；2)建立特殊螺纹接头密封结构的参数化有限元模型；3)求解有限元模型，确定优化设计三要素，建立密封结构的优化数学模型；4)对优化模型进行实验设计(DOE)，确定优化求解设置，在实验样本点上对优化模型进行求解；5)对各设计变量进行敏感度分析，在实验样本点上拟合密封性能的响应面模型；6)利用响应面模型，选择合适的优化算法，进行迭代求解；7)依据求解结果，对密封结构修改，获得结构优化设计结果。本发明采用结构优化设计理论及有限元分析方法可以满足多种工况要求的最佳设计参数组合。

Description

一种油套管螺纹接头密封结构的优化设计方法

技术领域

本发明属于钻井技术领域，涉及一种优化方法，具体涉及一种油套管螺纹接头密封结构的优化设计方法。

背景技术

随着油气开发环境越来越趋于复杂化，对油套管的连接强度和密封性能提出了更为严格的要求。螺纹接头是油套管中最薄弱的环节，直接影响油气井的寿命。据统计，套管失效事故80％以上发生在螺纹连接处，因此提高套管螺纹的连接质量是防止失效的有效措施。普通API螺纹接头存在固有的结构设计缺陷，在连接强度和密封性能方面无法满足苛刻的工作要求。目前，很多油气田开始大量使用连接强度高、密封性能好的特殊螺纹接头油套管。

与普通API螺纹接头不同，特殊螺纹接头将连接功能和密封功能在结构设计上进行了区分，采用了新的密封形式，以获得更好的连接和密封效果。油套管特殊螺纹接头的密封功能主要不再依赖于螺纹配合，其密封结构一般分为主密封和辅助密封两部分，主密封由金属和金属径向密封结构来实现，辅助密封由扭矩台肩来实现。油套管特殊螺纹密封结构形式是影响其密封性能的关键因素之一。针对金属/金属主密封部分，有多种结构设计形式可供选择，比如：锥面/锥面、锥面/球面、柱面/球面等；针对辅助密封部分，可以选择直角台肩、反向斜台肩、圆弧台肩等，对于各种不同的主密封和辅助密封结构形式，都对应有不同的结构参数来描述。主密封和辅助密封的结构参数对接头密封性能有重要影响。对于油套管特殊螺纹接头密封结构而言，在满足相关约束限制条件下，如何选取最优结构设计参数组合，以获得最佳的密封效果，是一个值得关注的问题。

现有技术存在的主要问题：1)密封结构未能保证是满足一定工况要求的最佳设计参数组合；2)未采用有效的结构优化设计方法，进行特殊螺纹接头密封结构设计。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种油套管螺纹接头密封结构的优化设计方法，该优化设计方法采用结构优化设计理论及有限元分析方法可以满足多种工况要求的最佳设计参数组合。

为达到上述目的，本发明所述的油套管螺纹接头密封结构的优化设计方法包括以下步骤：

1)根据用户需求设计油套管螺纹接头密封结构的结构参数，然后根据油套管螺纹接头密封结构的结构参数利用三维建模软件构建油套管螺纹接头密封结构的参数化几何模型；

2)将步骤1)得到的油套管螺纹接头密封结构的参数化几何模型导入到有限元软件中，然后在有限元软件中选择单元类型、定义材料模型、划分网格、定义接触关系、确定边界及载荷，得油套管螺纹接头密封结构的参数化有限元模型；

3)求解步骤2)得到的油套管螺纹接头密封结构的参数化有限元模型，然后根据求解的结果确定优化设计的目标函数、约束条件及变量，建立优化数学模型；

4)对步骤3)得到的优化数学模型进行实验设计，选择实验设计的方法，并确定设计参数及输入参数，生成若干实验样本点，然后在各实验样本点上求解优化数学模型，得对应的输出参数；

5)根据设计参数与输出参数之间的相关性和敏感度关系，筛选出对输出参数影响较大的若干设计参数，然后在筛选出的设计参数的实验样本点上拟合响应面模型；

6)根据响应面模型选择合适的优化算法对优化数学模型进行迭代求解，得油套管螺纹接头密封结构的优化设计参数组合；

7)根据步骤6)得到的油套管螺纹接头密封结构的优化设计参数组合及加工工艺确定满足密封要求的最佳设计参数组合，然后根据满足要求的最佳设计参数组合对油套管螺纹接头密封结构进行修改。

所述油套管螺纹接头密封结构包括主密封结构和辅助密封结构，主密封结构由金属/金属径向密封结构组成，辅助密封结构为扭矩台肩，结构参数包括主密封面直径、主密封面长度、主密封面锥度、主密封面过盈量、台肩面角度、台肩面长度、台肩面过盈量、密封结构位置及圆弧半径。

步骤3)中的优化数学模型为

目标函数：密封面接触压力最大，即MaximizeP(X)

设计变量：X＝(x₁，x₂，...，x_n)

约束条件：σ_MVME≤σ_s

L₀-L≤0

D_i1≤x_i≤D_i2，i＝1，2，...，n

其中P(X)为密封面接触压力；x_i为密封结构的第i个设计变量；σ_MVME为密封面最大等效VME应力；σ_s为材料的屈服极限；L为密封面有效接触长度；L₀为密封面有效接触长度的经验值；D_i1、D_i2为第i个设计变量的上下限值；n为设计的变量个数。

步骤4)中的实验设计方法为拉丁超立方实验设计方法。

步骤6)中的优化算法为随机方向的优化算法或罚函数的优化算法。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的油套管螺纹接头密封结构的优化设计方法在优化设计过程中，根据用户需求设计结构参数，并根据所述结构参数建立油套管螺纹接头密封结构的参数化几何模型，再根据该油套管螺纹接头密封结构的参数化几何模型建立油套管螺纹接头密封结构的参数化有限元模型，然后利用优化设计的理念设立目标函数及约束条件，建立优化数学模型，充分考虑结构参数变化对油套管螺纹接头密封结构密封性能的影响规律，再根据优化问题的求解得到最佳的设计参数组合，然后根据所述最佳的设计参数组合来对油套管螺纹接头密封结构进行改进，提高油套管螺纹接头密封结构的密封能力，从而使改进后的油套管螺纹接头密封结构满足多种使用工况的要求。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中实施例一的优化结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的油套管螺纹接头密封结构的优化设计方法包括以下步骤：

1)根据用户需求设计油套管螺纹接头密封结构的结构参数，然后根据油套管螺纹接头密封结构的结构参数利用三维建模软件构建油套管螺纹接头密封结构的参数化几何模型；

2)将步骤1)得到的油套管螺纹接头密封结构的参数化几何模型导入到有限元软件中，然后在有限元软件中选择单元类型、定义材料模型、划分网格、定义接触关系、确定边界及载荷，得油套管螺纹接头密封结构的参数化有限元模型；

3)求解步骤2)得到的油套管螺纹接头密封结构的参数化有限元模型，然后根据求解的结果确定优化设计的目标函数、约束条件及变量，建立优化数学模型；

4)对步骤3)得到的优化数学模型进行实验设计，选择实验设计的方法，并确定设计参数及输入参数，生成若干实验样本点，然后在各实验样本点上求解优化数学模型，得对应的输出参数；

5)根据设计参数与输出参数之间的相关性和敏感度关系，筛选出对输出参数影响较大的若干设计参数，然后在筛选出的设计参数的实验样本点上拟合响应面模型；

6)根据响应面模型选择合适的优化算法对优化数学模型进行迭代求解，得油套管螺纹接头密封结构的优化设计参数组合；

7)根据步骤6)得到的油套管螺纹接头密封结构的优化设计参数组合及加工工艺确定满足密封要求的最佳设计参数组合，然后根据满足要求的最佳设计参数组合对油套管螺纹接头密封结构进行修改。

所述油套管螺纹接头密封结构包括主密封结构和辅助密封结构，主密封结构由金属/金属径向密封结构组成，辅助密封结构为扭矩台肩，结构参数包括主密封面直径、主密封面长度、主密封面锥度、主密封面过盈量、台肩面角度、台肩面长度、台肩面过盈量、密封结构位置及圆弧半径。

步骤3)中的优化数学模型为

目标函数：密封面接触压力最大，即MaximizeP(X)

设计变量：X＝(x₁，x₂，...，x_n)

约束条件：σ_MVME≤σ_s

L₀-L≤0

D_i1≤x_i≤D_i2，i＝1，2，...，n

其中P(X)为密封面接触压力；x_i为密封结构的第i个设计变量；σ_MVME为密封面最大等效VME应力；σ_s为材料的屈服极限；L为密封面有效接触长度；L₀为密封面有效接触长度的经验值；D_i1、D_i2为第i个设计变量的上下限值；n为设计的变量个数。

步骤4)中的实验设计方法为拉丁超立方实验设计方法。

步骤6)中的优化算法为随机方向的优化算法或罚函数的优化算法。

实施例一

以柱面/球面主密封结构形式的螺纹接头为例进行说明，螺纹套管接头的密封性能与其本身的结构形式及密封面过盈量密切关联，密封面上的接触压力分布直接决定了接头的密封性能；依据现有的常见螺纹接头柱面/球面主密封结构选取及P110钢级螺纹套管接头，主密封采用柱面/球面金属/金属密封结构，台肩面采用-15°扭矩台肩结构，螺纹部分采用API 5B标准偏梯形螺纹，每英寸5牙；接箍长为255mm，选取管体长度大于3倍螺纹端长度建立几何模型，消除边界因素的影响；套管材料模型选取随动强化模型，弹性模量210GPa，泊松比0.3，屈服强度758MPa，抗拉强度862MPa，取摩擦因数0.02。

建立接头密封结构的参数化有限元模型。采用四边形单元，智能网格划分，划分单元大小为0.5mm，在接触表面、台肩面、螺纹齿底、过渡圆弧处网格单元必须多次局部细分；设置螺纹面、主密封面、以及台肩面一定的过盈量，定义接触关系。施加边界和机紧装配载荷，设置大变形选项，打开线性搜索选项和时间步长预测器，使用自动时间步长，然后求解有限元模型；通过确定优化设计的目标函数、设计变量、以及约束条件建立接头密封结构的优化数学模型为：

目标函数：密封面接触压力最大，即MaximizeP(X)

设计变量：X＝(x₁，x₂，...，x₉)

约束条件：σ_MVME≤σ_s

L₀-L≤0

D_i1≤x_i≤D_i2，i＝1，2，...，9

其中，P(X)为密封面接触压力；x_i为密封结构的第i个设计变量，从x₁到x₉分别为主密封面直径、主密封面长度、主密封面锥度、主密封面过盈量、台肩面角度、台肩面长度、台肩面过盈量、密封结构位置、圆弧半径。

选择拉丁超立方实验设计方法对该优化模型进行实验设计，生成一系列实验样本点。同时，根据设计参数和输出参数之间的相关性和敏感度关系筛选出对输出参数影响较大的设计参数，然后在筛选出的各设计参数的实验样本点上拟合密封性能的响应面模型；通过求解该响应面模型，再根据求解的结果及加工工艺得到密封结构的最优设计参数组合。

该螺纹接头柱面/球面密封结构的优化设计结果如图2所示，经过优化设计后，主密封面上最大接触压力和最大等效VME应力分别为970MPa和560MPa，有效接触长度为0.85mm，相比较而言，密封能力取得了明显提升。

本发明所述的油套管螺纹接头密封结构的优化设计方法通过利用有限元分析方法和结构优化设计理论，建立合适的密封结构优化数学模型，进行优化分析和求解，能够更加充分了解结构参数变化对密封性能的影响规律，进而优化密封结构，增强螺纹接头在复杂井况条件下作业的安全可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明，对于本领域的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以有其他更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种油套管螺纹接头密封结构的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据用户需求设计油套管螺纹接头密封结构的结构参数，然后根据油套管螺纹接头密封结构的结构参数利用三维建模软件构建油套管螺纹接头密封结构的参数化几何模型；

2)将步骤1)得到的油套管螺纹接头密封结构的参数化几何模型导入到有限元软件中，然后在有限元软件中选择单元类型、定义材料模型、划分网格、定义接触关系、确定边界及载荷，得油套管螺纹接头密封结构的参数化有限元模型；

3)求解步骤2)得到的油套管螺纹接头密封结构的参数化有限元模型，然后根据求解的结果确定优化设计的目标函数、约束条件及变量，建立优化数学模型；

4)对步骤3)得到的优化数学模型进行实验设计，选择实验设计的方法，并确定设计参数及输入参数，生成若干实验样本点，然后在各实验样本点上求解优化数学模型，得对应的输出参数；

5)根据设计参数与输出参数之间的相关性和敏感度关系，筛选出对输出参数影响较大的若干设计参数，然后在筛选出的设计参数的实验样本点上拟合响应面模型；

6)根据响应面模型选择合适的优化算法对优化数学模型进行迭代求解，得油套管螺纹接头密封结构的优化设计参数组合；

7)根据步骤6)得到的油套管螺纹接头密封结构的优化设计参数组合及加工工艺确定满足密封要求的最佳设计参数组合，然后根据满足要求的最佳设计参数组合对油套管螺纹接头密封结构进行修改；

步骤3)中的优化数学模型为

目标函数：密封面接触压力最大，即Maximize P(X)

设计变量：X＝(x₁,x₂,...,x_n)

约束条件：σ_MVME≤σ_S

L₀-L≤0

D_i1≤x_i≤D_i2,i＝1,2,...,n

其中P(X)为密封面接触压力；x_i为密封结构的第i个设计变量；σ_MVME为密封面最大等效VME应力；σ_S为材料的屈服极限；L为密封面有效接触长度；L₀为密封面有效接触长度的经验值；D_i1、D_i2为第i个设计变量的上下限值；n为设计的变量个数。

2.根据权利要求1所述的油套管螺纹接头密封结构的优化设计方法，其特征在于，所述油套管螺纹接头密封结构包括主密封结构和辅助密封结构；主密封结构由金属/金属径向密封结构组成，辅助密封结构为扭矩台肩，结构参数包括主密封面直径、主密封面长度、主密封面锥度、主密封面过盈量、台肩面角度、台肩面长度、台肩面过盈量、密封结构位置及圆弧半径。

3.根据权利要求1所述的油套管螺纹接头密封结构的优化设计方法，其特征在于，步骤4)中的实验设计方法为拉丁超立方实验设计方法。

4.根据权利要求1所述的油套管螺纹接头密封结构的优化设计方法，其特征在于，步骤6)中的优化算法为随机方向的优化算法或罚函数的优化算法。