CN108256160A - 一种热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力的预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力的预测方法，首先，数值模拟初始室温、最佳上扣扭矩下接头密封接触面应力场分布；其次，室内模拟热采井注‑采作业工况，表征长时服役过程接头材料的温度循环特征；再次，基于温度循环特征，构建接头材料强度、接触应力的力学模型；最后，引入构建的材料强度及接触应力模型，结合材料各向异性，建立长时服役过程接头径向主密封/轴向辅助密封接触压应力数值模型，形成热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力预测方法。本发明引入热采多轮次注‑采作业过程温度循环对接触压应力的影响，提供了接触压应力的预测方法，为热采井服役套管柱安全评价及泄漏失效预防、治理提供坚实的技术支撑。

Description

一种热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力的预测方法
技术领域
本发明属于油气开采工程应用领域，具体涉及一种热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力的预测方法。
背景技术
热采井套管连接主要采用API偏梯型螺纹，其密封性能主要依靠填充的螺纹脂实现。试验研究结果表明：在低于180℃下填充的螺纹脂能够起到密封作用，但当温度升高到200℃以上时，螺纹脂容易发生挥发和变质，连接螺纹的密封性能失效。
特殊螺纹接头在结构设计上增加了径向主密封和轴向辅助密封扭矩台肩结构，不再单纯依靠螺纹过盈配合及螺纹脂的封堵作用。即特殊螺纹接头将API偏梯形螺纹的非接触式密封改进为接触式密封。特殊螺纹密封设计的依据是密封面上接触压力大于内部流体的压力。值得指出的是，上述密封判据是建立在密封面完全光滑的基础上，实际中由于加工精度的原因，密封面的光洁度只能维持在一定水平，不可能完全光滑。由于表面粗糙度，使得密封面配合后仍存在微小的间隙。根据流体力学，流体通过间隙时产生的局部阻力取决于间隙的截面积和泄漏路径的长度，该阻力相当于沿泄漏路径累积的接触压力。因此，该接触面的临界密封压力(Pc r)可表示为：
Pcr≤K∫Ptdl (1)
其中：K——常数，Pt——接触压力，L——泄漏路径
因此，从提高密封性的角度，接触应力尽可能大，以使泄漏路径的面积较小；接触面积尽可能大，以使泄漏路径的长度较长。
热采工况长时服役过程中材料表现出温度循环特征，如强度折减、应力松弛、包申格效应，造成密封面接触压应力明显降低，如图1和图2所示。目前，热采井套管柱设计未考虑长时服役过程套管接头材料的温度循环特征，密封接触压应力的减小导致螺纹连接存在泄漏失效的隐患。因此，热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力的预测方法成为保障套管柱密封完整性亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力的预测方法，攻克制约套管柱安全服役的瓶颈问题，填补该领域长期存在的技术空白。本发明考虑长时服役过程接头材料的温度循环特征，建立径向主密封/轴向辅助密封接触压应力预测模型，为热采井套管柱密封泄漏失效及预防治理提供坚实的技术支撑。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力的预测方法，包括以下步骤：
步骤一：依据特殊螺纹接头设计提供的最佳上扣扭矩，通过有限元数值模型，仿真模拟室温、最佳扭矩下特殊螺纹接头密封接触面的应力场；
步骤二：表征热采工况长时服役过程特殊螺纹接头材料的温度循环特征，包括高温注蒸汽强度折减、焖井阶段应力松弛、多轮次注-采作业包申格效应；
步骤三：基于温度循环特征，建立长时服役过程接头材料弹-塑性本构模型，应力松弛模型、包申格效应模型，描述接头材料的强度及接触应力变化规律；
步骤四：引入接头材料的强度及接触应力变化规律，结合材料各向异性，建立径向主密封、轴向辅助密封接触压应力预测数值模型，仿真模拟接触压应力分布，形成接头密封接触压应力预测方法。
进一步地，步骤一中特殊螺纹接头密封接触面包括径向主密封面和轴向辅助扭矩台肩密封面。
进一步地，步骤一中采用有限元模型，通过材料参数选取、边界条件界定、网格划分等，数值仿真特殊螺纹接头密封接触面应力场分布。
进一步地，步骤二中通过室内试验模拟热采服役工况，具体为：轴向恒位移约束、40℃～350℃范围内多轮次循环，通过Wavematrix软件采集温度循环过程中引起的载荷变化，绘制温度-时间、载荷-时间关系曲线，表征特殊螺纹接头材料强度折减、应力松弛、包申格效应引起的接触压应力变化。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明针对热采工况(包括蒸汽吞吐/蒸汽驱/SAGD/火驱等工艺)，考虑长期服役过程套管接头材料的温度循环特征，结合材料各向异性，提出特殊螺纹接头径向主密封、轴向辅助密封接触压应力预测方法。本发明能够准确地预测接头密封接触压应力，为井口注汽温度、注汽压力、注-采作业轮次、全寿命设计周期等现场工艺参数的确定提供技术依据。同时，能够有效预防、治理套管柱密封泄漏失效问题，保证套管柱的密封完整性，为稠油资源的安全、高效开发奠定坚实的基础。
进一步地，本发明基于特殊螺纹接头前端金属/金属密封结构设计，考虑温度循环过程中接头材料的强度折减、应力松弛及蠕变效应，因此本发明是螺纹结构设计与材料服役行为的有机结合，属于多学科交叉研究范畴，为非API螺纹连接在非常规油气资源开采中的应用提供技术支撑。
进一步地，本发明瞄准的对象是特殊螺纹接头的密封泄漏问题，从密封面接触应力入手，通过考虑材料服役行为及材料各向异性，预测热采工况接头主密封/辅助密封接触压应力。因此本发明是应用基础科学问题与重大工程问题的紧密结合，为热采井套管柱密封泄漏失效问题的解决奠定坚实的基础。
附图说明
图1热采工况注-采作业过程接头材料轴向应力-温度关系数值仿真结果；
图2热采工况注-采作业过程接头密封接触强度-温度关系数值仿真结果；
图3热采工况注-采作业过程接头材料的热应力-温度关系试验结果；
图4热采工况注蒸汽高温下接头材料的强度折减特征；
图5热采工况焖井阶段接头材料的应力松弛效应；
图6热采工况多轮次注-采作业过程接头材料的包申格效应。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述：
针对热采工况特殊螺纹接头的密封失效问题，考虑长时多轮次注汽-焖井-采油作业过程中(40℃～350℃)材料表现出的温度循环特征(如图3)，包括注蒸汽高温下强度折减(如图4)、焖井保温阶段的应力松弛(如图5)、多轮次作业的包申格效应(如图6)，构建接头材料弹-塑性方程、应力松弛模型、包申格效应模型。结合材料各向异性，引入描述强度变化、接触应力变化关系式，建立接头径向主密封/轴向辅助密封接触压应力预测模型，形成特殊螺纹接头密封接触压应力预测方法。
(1)特殊螺纹接头密封接触应力场数值模拟
确定室温接头材料性能参数、边界条件、最佳上扣扭矩，利用有限元数值模型，仿真模拟径向主密封/轴向辅助密封应力场分布，数值计算接头密封接触压应力；
(2)热采工况接头材料温度循环特征
通过室内实验模拟热采作业工况，表征长时(依据行业标准，连接螺纹所在的套管柱全寿命设计为服役10年、注汽-采油作业30个轮次)服役过程接头材料的温度循环特征，包括高温注蒸汽强度折减、焖井应力松弛、多轮次注-采作业包申格效应。
(3)接头材料的强度及接触应力变化力学模型
基于多轮次温度循环过程中强度折减、应力松弛、包申格效应等因素对接触压应力的影响，建立接头材料弹-塑性本构方程、应力松弛模型、包申格效应模型，描述长时服役过程接头强度、接触应力变化特征。
(4)热采工况特殊螺纹接头主/辅密封接触压应力预测
引入长时服役过程接头材料的弹-塑性本构方程、应力松弛及包申格效应模型，结合材料各向异性，建立径向主密封面、轴向辅助密封接触压应力的数值模型，形成特殊螺纹接头接触压应力预测方法。
下面结合具体实施例进一步说明：
针对非API特殊螺纹接头，通过室内试验及仿真模拟的方法，创新性的提出了热采工况(包括蒸汽吞吐/蒸汽驱/SAGD/火烧油层驱油)接头密封接触压应力预测方法，具体步骤如下：
(1)特殊螺纹接头密封接触面应力场模拟
针对室温、最佳上扣扭矩试验参数下Fox/Bear特殊螺纹接头连接，采用有限元数值模型，仿真模拟接头径向主密封面、轴向辅助密封面的应力场分布；
(2)特殊螺纹接头材料温度循环特征
室内试验模拟热采井工况，轴向恒位移约束载荷、40℃～350℃温度范围、10轮次温度循环，通过载荷传感器、wavematrix控制软件，采集温度循环变化引起的载荷数据，绘制Fox/Bear特殊螺纹接头材料的应力-应变关系、载荷-时间关系、温度-时间关系，表征高温下接头材料的强度折减、应力松弛、包申格效应；
(3)接头材料强度及接触应力变化力学模型
结合热采井工况参数，利用获得的高温下接头材料拉伸变形试验、应力松弛试验、多轮次载荷变化试验结果，基于现有的理论模型，数值回归试验数据，建立相应方程模型，描述注-采多轮次作业过程接头材料强度及接触应力的力学模型。
(4)特殊螺纹接头密封接触压应力预测方法
引入接头材料的弹-塑性本构方程、应力松弛模型、包申格效应模型，考虑材料各项异性参数，建立径向主密封/轴向辅助密封接触压应力数值模型，形成特殊螺纹接头接触压应力预测方法。

Claims (4)

1.一种热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：依据特殊螺纹接头设计提供的最佳上扣扭矩，通过有限元数值模型，仿真模拟室温、最佳扭矩下特殊螺纹接头密封接触面应力场分布；
步骤二：表征热采工况长时服役过程特殊螺纹接头材料的温度循环特征，包括高温注蒸汽引起的强度折减、焖井阶段出现的应力松弛、多轮次注-采作业过程表现出的包申格效应；
步骤三：基于温度循环特征，建立长时服役过程接头材料弹-塑性本构模型，应力松弛模型、包申格效应模型，描述接头材料的强度及应力变化规律；
步骤四：引入接头材料的强度及应力变化规律特征，结合材料各向异性，建立径向主密封面、轴向辅助密封面接触压应力预测数值模型，仿真模拟接触压应力分布，形成特殊螺纹接头密封接触压应力预测方法。
2.根据权利要求1所述的一种热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力的预测方法，其特征在于，步骤一中特殊螺纹接头密封接触面包括径向主密封面和轴向辅助密封面。
3.根据权利要求1所述的一种热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力的预测方法，其特征在于，步骤一中采用有限元模型，通过材料参数选取、边界条件设定、网格划分，数值计算特殊螺纹接头密封接触面应力场分布。
4.根据权利要求1所述的一种热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力的预测方法，其特征在于，步骤二中通过室内试验模拟热采服役工况，具体为：轴向恒位移约束、40℃～350℃范围内多轮次循环，通过Wavematrix软件采集温度循环过程中引起的载荷变化，绘制温度-时间、载荷-时间关系曲线，表征特殊螺纹接头材料强度折减、应力松弛、包申格效应引起的接触压应力变化。
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