發(fā)布時(shí)間：2020-05-26 12:57

【摘要】：隨著石油開采技術(shù)的進(jìn)步,復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的大量開發(fā),油管柱的服役工況變得越來越惡劣。螺紋接頭作為管柱間的連接部分,同管柱一起在井下承受各種復(fù)雜載荷的作用,失效事故頻繁發(fā)生,給油氣田開發(fā)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,提高接頭連接強(qiáng)度和密封性能是保證油氣田安全開采的關(guān)鍵。目前,國內(nèi)外學(xué)者主要采用二維軸對稱模型來分析油管接頭力學(xué)問題,研究對象主要是單主密封油管接頭,關(guān)于組合主密封油管接頭的研究鮮見報(bào)道,另外他們的研究方法主要是有限元法,很少進(jìn)行全尺寸試驗(yàn),缺乏對螺紋接頭的安全性進(jìn)行全面的論證,制約了新型螺紋油管接頭的廣泛應(yīng)用。針對上述問題,本文采用有限元法,對新提出的特殊螺紋油管接頭的連接強(qiáng)度及密封性能進(jìn)行了深入的研究,并通過全尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證接頭的強(qiáng)度和密封性能,具體的分析過程及研究成果如下:(1)基于米塞斯屈服準(zhǔn)則和非線性力學(xué)相關(guān)理論,考慮非對稱載荷對接頭力學(xué)性能的影響,建立油管接頭的三維仿真模型。提出一種新型特殊螺紋接頭結(jié)構(gòu),通過正交優(yōu)化試驗(yàn),對接頭螺紋的五大關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù):螺距、齒高、承載面角度、導(dǎo)向面角度和錐度進(jìn)行正交優(yōu)化分析,并對密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù):錐面角度、球面半徑、扭矩臺(tái)肩角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明:各參數(shù)對抗拉性能影響的主次順序?yàn)?錐度、承載面角度、齒高、螺距以及導(dǎo)向面角度,螺紋最優(yōu)參數(shù)組合方案為:錐度1:24、承載面角度-5°、齒高1.375mm、螺距6牙/in、導(dǎo)向面角度10°,密封面最優(yōu)參數(shù)組合方案為:錐面錐度1:6、球面半徑12mm、臺(tái)肩角度-18°。(2)計(jì)算該新型特殊螺紋接頭和API螺紋接頭在拉伸載荷、壓縮載荷、彎曲載荷下的承載能力,根據(jù)計(jì)算結(jié)果對比分析可知:與API螺紋接頭的承載性能相比,新型特殊螺紋接頭的抗拉性能提高17.77%,抗壓縮性能提高10.67%,抗彎性能提高3.94%。(3)分析新型特殊螺紋接頭在拉伸載荷、壓縮載荷、內(nèi)壓、外壓、彎曲載荷、拉彎+內(nèi)壓復(fù)合載荷、壓彎+內(nèi)壓復(fù)合載荷下的力學(xué)性能及連接安全性,結(jié)果表明:拉伸載荷會(huì)使螺紋承載面等效應(yīng)力增大,顯著降低臺(tái)肩面及錐面對錐面結(jié)構(gòu)的密封性能,對柱面對球面結(jié)構(gòu)密封性能影響不明顯。壓縮載荷會(huì)使螺紋導(dǎo)向面等效應(yīng)力增大,提高臺(tái)肩面及錐面密封性能的同時(shí)也增加了其屈服失效的風(fēng)險(xiǎn),還會(huì)降低柱面對球面結(jié)構(gòu)的密封性能。內(nèi)外壓力均能促進(jìn)主密封結(jié)構(gòu)的密封性能,但內(nèi)壓會(huì)降低臺(tái)肩面的密封性能,而外壓作用剛好相反。彎曲載荷會(huì)使螺紋中間段的應(yīng)力明顯增大,同時(shí)顯著降低臺(tái)肩及主密封面的密封性能。該螺紋接頭在極限載荷下具有良好的連接強(qiáng)度和優(yōu)良的密封性能。(4)采用全尺寸試驗(yàn)法,對接頭進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、外壓氣密封實(shí)驗(yàn)、內(nèi)壓氣密封試驗(yàn)、復(fù)合載荷試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果印證了有限元的分析結(jié)果,表明接頭在極限載荷下具有較強(qiáng)的連接強(qiáng)度及優(yōu)良的氣密封性能。
【圖文】：

２．１厚壁圓筒理論逡逑厚壁圓筒是指承受內(nèi)、外壓作用且壁厚和半徑尺寸相差不大的圓筒。石油管柱一般逡逑均可看成厚壁圓筒，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖２－１所示，因?yàn)楹癖趫A筒的幾何形狀和所受載荷逡逑均相對于圓筒軸線對稱，，所以圓筒上不同位置的應(yīng)力也相對于圓筒軸線對稱。逡逑圖２－１厚壁圓筒結(jié)構(gòu)示意圖逡逑根據(jù)厚壁圓筒的幾何形狀和受載特點(diǎn)，并考慮了靜力平衡和物理關(guān)系，在柱坐標(biāo)系逡逑中有如下公式［５９］：逡逑＾２ｉ？－＾２Ｐｇ邋｛Ｐ－Ｐｅ）＾Ｒ２ｅ邋N逡逑Ｒ２邋（２－１）逡逑Ｆ＾Ｐ－ＲｌＰ邋（Ｐ－Ｐｅ）Ｒ＾；邋１逡逑ｅ—邋Ｒｌ－玲邋ｒＨ邋ｒ２逡逑式中：—徑向應(yīng)力；逡逑１０逡逑

主要是為了降低公螺紋和母螺紋嚙合時(shí)的千涉量，避免在上扣過程中發(fā)生粘扣。變錐度逡逑主要是為了提高接頭的承載能力，改變導(dǎo)向面角度主要是為了在上扣速度和抗壓縮性能逡逑中尋求平衡。標(biāo)準(zhǔn)ＡＰＩ螺紋結(jié)構(gòu)如圖３－１和圖３－２所示，倒鉤型螺紋結(jié)構(gòu)如圖３－３所示。逡逑圖３－１邋ＡＰＩ標(biāo)準(zhǔn)圓螺紋結(jié)構(gòu)圖逡逑２２逡逑
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TE931.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2681870