CN106446361A - 一种油套管螺纹接头的密封性评价方法 - Google Patents

一种油套管螺纹接头的密封性评价方法 Download PDF

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刘卫博
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Abstract

本发明公开了一种油套管螺纹接头的密封性评价方法，首先要建立油套管螺纹接头的有限元分析模型，根据分析结果以接触位置为X轴，以接触压力为Y轴，然后建立接头密封面和扭矩台肩的接触压力分布随螺纹径向过盈量变化的曲线，利用MATLAB软件对其进行最小二乘拟合，最后对拟合方程进行积分求出等效接触压力，判定油套管螺纹接头的密封性。本方发明能更好的通过等效接触压力来判定油套管螺纹接头的密封性，综合考虑了影响密封性的两个因素泄露长度和接触压力，提高了判定的准确性而且减少了判定的复杂情况。

Description

一种油套管螺纹接头的密封性评价方法
技术领域
本发明属于油套管密封领域，具体涉及一种油套管螺纹接头的密封性评价方法。
背景技术
近年来，复杂工况油气井不断被开发与使用，API油套管已经不能满足市场需求，迫切需要具有高性能的特殊螺纹接头油套管。但是，特殊螺纹接头在下井后，工作条件非常差，密封性能会受到多种因素的影响，密封失效机理复杂。我国从20世纪80年代开始研究特殊螺纹接头，对其密封机理的研究还缺乏系统的、深层次的认识，因此进行复杂载荷作用下油套管特殊螺纹接头密封机理的研究，建立密封性的判定方法尤其重要。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种油套管螺纹接头的密封性评价方法，解决了高性能的螺纹接头油套管的密封性判定问题，而且在很大程度上提高了其密封性判定的准确度。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种油套管螺纹接头的密封性评价方法，包括以下步骤：
步骤一、建立螺纹接头有限元分析模型；
步骤二、根据有限元分析模型，分析得到等效应力分布云图；
步骤三、建立坐标系，其中X轴为接触位置，Y轴为接触压力，在接触区域处取点集，从步骤二的有限元分析得出的应力分布云图中得到不同接触位置对应的接触压力，将点集写入坐标系中，得到接触位置-接触压力曲线，其中，等效接触压力为：
Pec＝∫ptdl
式中，Pec为等效接触压力，Pt为接触面上的接触压力，l为泄露长度；
步骤四、对步骤三所述的点集进行最小二乘曲线拟合，找出一个光滑二次函数，使它能够最佳的拟合数据；
步骤五、对拟合得到的光滑曲线进行积分，最终求得等效接触压力，实现密封性评价。
所述步骤一具体为：利用UG三维建模软件，根据接头结构尺寸及约束，采用基于草图的参数化设计方法，得到螺纹接头的二维几何模型。
所述步骤二具体为：
2.1利用螺纹接头的二维几何模型生成IGES格式文件，导入到ANSYS中；
2.2在ANSYS中，设置材料属性，并设置为轴对称分析；
2.3对接头整体进行自由网格划分，包括：对接头螺纹、密封面及扭矩台肩面进行网 格细化；
2.4定义接触对与求解，设定分析选项为大变形情况，对称约束和轴向位移约束施加在接箍中间平面上，根据分析要求施加载荷，包括轴向力、内外压力、温度；
2.5最后求解得到等效应力分布云图。
所述2.2中，设置材料属性，并设置为轴对称分析，具体为：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。
所述的一种油套管螺纹接头的密封性评价方法，所述2.2中，还包括设置摩擦系数，所述摩擦系数取0.015～0.035。
所述步骤2.4中，定义接触对与求解，具体为：利用ANSYS软件接触向导和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。
所述步骤四，具体为：利用MATLAB对步骤三所述的点集进行最小二乘曲线拟合，MATLAB中的拟合命令如下：
x＝[xa,xb,xc,xd,xe,xf,xg…]
y＝[ya,yb,yc,yd,ye,yf,yg…]
p＝polyfit(x,y,2)％二次拟合
Y＝polyval(p,x)％计算在x处的预测值
xlabel(‘接触位置’)
ylabel(‘接触压力’)
根据运行结果建立多项式模型，其形式为：
y＝Ax2+Bx+C。
本发明的有益效果：
本发明能更好的通过等效接触压力来判定油套管螺纹接头的密封性，以往的判定方法往往只是单独考虑影响油套管特殊螺纹接头的因素，这样就使得一些情况判定不准确，比如说当泄露长度很小而接触压力很大时的密封性，亦或者当接触压力很小而泄露长度很大时的密封性，而本发明方法综合考虑了影响密封性的两个因素泄露长度和接触压力，提高了判定的准确性而且减少了判定的复杂情况。
附图说明
图1为本发明一种实施例的油套管特殊螺纹接头的结构。
图2为图1中螺纹接头密封处放大图。
图3为图1中螺纹接头的接头密封面和扭矩台肩的接触压力分布随螺纹径向过盈量变化的曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
一种油套管螺纹接头的密封性评价方法，包括以下步骤：
步骤一、建立螺纹接头有限元分析模型；
步骤二、根据有限元分析模型，分析得到等效应力分布云图；
步骤三、建立坐标系，其中X轴为接触位置，Y轴为接触压力，在接触区域处取点集，从步骤二的有限元分析得出的应力分布云图中得到不同接触位置对应的接触压力，将点集写入坐标系中，得到接触位置-接触压力曲线，其中，等效接触压力为：
Pec＝∫ptdl
式中，Pec为等效接触压力，Pt为接触面上的接触压力，l为泄露长度；曲线和X轴与Y轴围成的面积即为等效接触压力；
步骤四、对步骤三所述的点集进行最小二乘曲线拟合，找出一个光滑二次函数，使它能够最佳的拟合数据；
步骤五、对拟合得到的光滑曲线进行积分，最终求得等效接触压力，实现密封性评价。
所述步骤一具体为：利用UG三维建模软件，根据接头结构尺寸及约束，采用基于草图的参数化设计方法，得到螺纹接头的二维几何模型。
所述步骤二具体为：
2.1利用螺纹接头的二维几何模型生成IGES格式文件，导入到ANSYS中；
2.2在ANSYS中，设置材料属性，并设置为轴对称分析；
2.3对接头整体进行自由网格划分，包括：对接头螺纹、密封面及扭矩台肩面进行网格细化；优选地，选用三角形实体单元对接头整体进行自由网格划分，使得最后求解的准确率和收敛性更好；
2.4定义接触对与求解，设定分析选项为大变形情况，对称约束和轴向位移约束施加在接箍中间平面上，根据分析要求施加载荷，包括轴向力、内外压力、温度；在ANSYS等有限元分析模型中都有专门的施加约束和定义求解的模块。
2.5最后求解得到等效应力云图。
所述2.2中，设置材料属性，并设置为轴对称分析，具体为：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。
所述2.2中还包括设置摩擦系数，所述摩擦系数取0.015～0.035。
所述定义接触对与求解，具体为：利用ANSYS软件接触向导和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。
所述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根据实际需求设置，优选地，使得KEYOPT(9)＝4。
所述步骤四，具体为：利用MATLAB对步骤三所述的点集进行最小二乘曲线拟合，MATLAB中的拟合命令如下：
x＝[xa,xb,xc,xd,xe,xf,xg…]
y＝[ya,yb,yc,yd,ye,yf,yg…]
p＝polyfit(x,y,2)％二次拟合
Y＝polyval(p,x)％计算在x处的预测值
xlabel(‘接触位置’)
ylabel(‘接触压力’)
根据运行结果建立多项式模型，其形式为：
y＝Ax2+Bx+C。
实施例一
如图1所示，是本实施例的油套螺纹接头的结构示意图。
建立螺纹接头有限元分析模型：
步骤一、根据特殊螺纹接头图纸尺寸，确定与螺纹接头相关的各个几何参数，并在UG软件草图界面，利用螺纹接头的几何约束和尺寸约束关系建立初始的接头二维几何模型；
步骤二、基于步骤一，建立驱动生成接头模型的几何表达式，包括：与各几何参数对应的表达式名称和表达式初值，并驱动生成初始图形；
步骤三、在步骤二完成后进入草图界面，利用几何表达式中的表达式名称替换步骤二中的初始图形中各几何参数值；
步骤四、创建部件族，具体为：从几何表达式中选择需要的几何参数，并创建部件族表格，根据后续设计分析要求，填写接头管体和接箍相关的几何参数值；这些几何参数值就是图形的尺寸，在UG软件中修改尺寸值就可以对图形进行修改，这些参数决定了螺纹 的形状与结构，具体见图2，对参数进行了具体的解释。
步骤五、使用时，待步骤三与步骤四完成后，在部件族中选择所需的接头部件，UG软件自动生成与之对应的接头几何模型，完成参数化设计。
所述步骤一中，各几何参数具体包括：管体螺纹承载面角度、管体螺纹导向面角度、管体螺纹齿高、管体螺纹螺距、管体螺纹锥度、管体密封面角度、管体扭转台肩角度、接箍螺纹承载面角度、接箍螺纹导向面角度、接箍螺纹齿高、接箍螺纹螺距、接箍螺纹锥度、接箍密封面角度、接箍扭转台肩角度、管体螺纹齿顶到中径线的竖直距离、接箍螺纹齿顶到中径线的竖直距离、管体非齿槽处螺纹的中径线在水平方向的距离、接箍齿槽处螺纹的中径线在水平方向的距离。
所述步骤三中，具体为：用几何表达式中的管体螺纹承载面角度、管体螺纹导向面角度、管体螺纹齿高、管体螺纹齿距来替换管体螺纹草图中的各尺寸数值；用几何表达式中接箍螺纹承载面角度、接箍螺纹导向面角度、接箍螺纹齿高、接箍螺纹齿距来替换接箍螺纹草图中的各尺寸数值；用几何表达式中的管体密封面角度、管体扭矩台肩角度来替换管体密封面与扭矩台肩面草图中的各尺寸数值；用几何表达式中的接箍密封面角度、接箍扭矩台肩角度来替换接箍密封面与扭矩台肩面草图中的各尺寸数值。
所述步骤一还包括：建立几何模型时，接头管体长度大于管端到管端螺纹消失点距离的2倍。
所述步骤五中，选择所需的接头几何参数具体为：螺纹参数按照机械设计手册里的标准的定义进行选取；密封面与台肩面参数按照最直观、能确定其形状特征的最少个数参数的原则进行选取。
对螺纹接头进行有限元分析
首先将二维几何模型导入到有限元ANSYS软件，文件工作名命名为：The CasingPremium Connection。在UG软件中生成二维几何模型后，另存为其为IGES格式文件，然后将IGES文件导入到ANSYS中。
设置材料属性，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。由于摩擦系数和套管的加工质量、套管的使用条件、螺纹表面粗糙度等多种原因有关，通常情况下取0.015～0.035，优选地，摩擦系数取为0.021。温度20℃下时，材料的屈服强度为758MPa，抗拉强度为862MPa，弹性模量1.94×105MPa左右，泊松比0.3左右，选择双线性运动硬化模型。
对接头整体进行自由网格划分，优选地，选用三角形实体单元对接头整体进行自由网 格划分，对接头螺纹部分、密封面及扭矩台肩面进行网格细化。
定义接触对与求解，螺纹上扣后是典型的非线性面-面过盈接触问题，利用ANSYS软件的CONTA172和TARGE168接触单元来建立油套管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，优选地，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(这个值可以根据实际情况设定)，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，而只考虑过盈量CNOF，且渐变的施加过盈量可以缓解计算收敛性的困难(此为现有技术，不在此赘述)。
设定分析选项为大变形情况，对称约束和轴向位移约束施加在接箍中间平面上，根据分析要求施加载荷，包括轴向力、内外压力、温度等，最后求解得到等效应力分布云图。
如图2所示，建立接触位置为X轴与接触压力为Y轴的坐标系，将图2的A点(0,0)作为原点，在接触位置以设定的步长，在接触区域处取点集(xa,ya),(xb，yb)…，其中xa，xb。。。为接触位置，ya yb…为接触位置对应的接触压力，得到不同接触位置对应的接触压力，将点集写入坐标系中，得到接触位置-接触压力曲线如图3所示。
等效接触压力的计算公式为：Pec＝∫ptdl，其中Pec-等效接触压力，Pt-接触面上的接触压力，l-流体经过接触面间隙的长度，可知：此曲线和X轴与Y轴围城的面积即为等效接触压力。
对步骤三所述的点集进行最小二乘曲线拟合，目的就是设法找出一个光滑二次函数，y＝Ax2+Bx+C，其中，y为等效压力，x为接触位置，A、B、C分别为拟合得到的常数，使它能够最佳的拟合数据，且没必要经过数据点；
在MATLAB中的拟合命令如下：
x＝[xa,xb,xc,xd,xe,xf,xg…]
y＝[ya,yb,yc,yd,ye,yf,yg…]
p＝polyfit(x,y,2)％二次拟合
Y＝polyval(p,x)％计算在x处的预测值
xlabel(‘接触位置’)
ylabel(‘接触压力’)
可以根据运行结果建立多项式模型，其形式为：
y＝Ax2+Bx+C
对拟合得到的光滑曲线进行积分，最终求得等效接触压力；由于得到的是一个抛物线或者三次函数，因此直接对函数进行简单的积分即可，即求出面积。
根据求得的等效接触压力来判定密封性是否良好。等效接触压力越大，密封性越好。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种油套管螺纹接头的密封性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、建立螺纹接头有限元分析模型；
步骤二、根据有限元分析模型，分析得到等效应力分布云图；
步骤三、建立坐标系，其中X轴为接触位置，Y轴为接触压力，在接触区域处取点集，从步骤二的有限元分析得出的应力分布云图中得到不同接触位置对应的接触压力，将点集写入坐标系中，得到接触位置-接触压力曲线，其中，等效接触压力为：
Pec＝∫ptdl
式中，Pec为等效接触压力，Pt为接触面上的接触压力，l为泄露长度；
步骤四、对步骤三所述的点集进行最小二乘曲线拟合，找出一个光滑二次函数，使它能够最佳的拟合数据；
步骤五、对拟合得到的光滑曲线进行积分，最终求得等效接触压力，实现密封性评价。
2.根据权利要求1所述的一种油套管螺纹接头的密封性评价方法，其特征在于：所述步骤一具体为：利用UG三维建模软件，根据接头结构尺寸及约束，采用基于草图的参数化设计方法，得到螺纹接头的二维几何模型。
3.根据权利要求2所述的一种油套管螺纹接头的密封性评价方法，其特征在于：所述步骤二具体为：
2.1利用螺纹接头的二维几何模型生成IGES格式文件，导入到ANSYS中；
2.2在ANSYS中，设置材料属性，并设置为轴对称分析；
2.3对接头整体进行自由网格划分，包括：对接头螺纹、密封面及扭矩台肩面进行网格细化；
2.4定义接触对与求解，设定分析选项为大变形情况，对称约束和轴向位移约束施加在接箍中间平面上，根据分析要求施加载荷，包括轴向力、内外压力、温度；
2.5最后求解得到等效应力分布云图。
4.根据权利要求3所述的一种油套管螺纹接头的密封性评价方法，其特征在于：所述2.2中，设置材料属性，并设置为轴对称分析，具体为：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。
5.根据权利要求4所述的一种油套管螺纹接头的密封性评价方法，其特征在于：所述2.2中，还包括设置摩擦系数，所述摩擦系数取0.015～0.035。
6.根据权利要求3所述的一种油套管螺纹接头的密封性评价方法，其特征在于：所述步骤2.4中，定义接触对与求解，具体为：利用ANSYS软件接触向导和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。
7.根据权利要求1所述的一种油套管螺纹接头的密封性评价方法，其特征在于：所述步骤四，具体为：利用MATLAB对步骤三所述的点集进行最小二乘曲线拟合，MATLAB中的拟合命令如下：
x＝[xa,xb,xc,xd,xe,xf,xg…]
y＝[ya,yb,yc,yd,ye,yf,yg…]
p＝polyfit(x,y,2)％二次拟合
Y＝polyval(p,x)％计算在x处的预测值
xlabel(‘接触位置’)
ylabel(‘接触压力’)
根据运行结果建立多项式模型，其形式为：
y＝Ax2+Bx+C。
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