曹梦雨 王尊策 徐德奎 闫月娟 张冠男

（1.东北石油大学机械科学与工程学院 黑龙江省石油石化多相介质处理及污染防治重点实验室；2.大庆采油工程研究院；3.大庆油田有限责任公司第二采油厂作业大队）

随着油气田开采进入中后期，对低渗气藏或是超低渗气藏的开采工作成为了部分油田的必行之策，压裂增产［1］是开采此类油气藏时常用的手段之一。 管柱在油气开采过程中的受力环境十分复杂，而管柱的受力环境对螺纹连接强度和密封效果的影响程度和规律均是生产安全性［2］的关键问题，由于API 螺纹接头无法在日益恶劣的井下环境实现密封要求［3］，故需使用特殊螺纹接头［4］作为气密封螺纹来连接管柱。王建东等指出，超过90%的气井管柱损伤源于管柱螺纹接头的密封完整性丧失［5］。这一客观现象表明，有必要对特殊螺纹接头在复杂井况作用下的力学行为开展深入研究。 由于有限元方法可以准确且方便地获得螺纹接头内部的应力应变分布和变形规律，故该方法在螺纹接头力学行为研究方面具有得天独厚的优势，也成为了国内外学者研究螺纹力学行为最常用的手段。 Hilbert L B 和Kalil I A 使用ABAQUS 软件建立了接头的轴对称模型，对接头在不同载荷作用下的应力应变分布进行了有限元分析，但该分析中忽略了接触面之间的摩擦力对接头受力变形的影响［6］。 高连新等分析了轴向拉力对接头螺纹牙上载荷分布的影响，提出了优化套管螺纹载荷分布特点的方法［7，8］。孔华等模拟了密封结构对特殊螺纹接头密封性能的影响，认为锥面/锥面密封结构螺纹接头的密封面未得到充分利用［9］。 祝效华等利用有限元分析方法研究了套管连接螺纹在弯矩载荷作用下参量敏感性的变化规律，提出了延长套管连接螺纹工作寿命的方法［10］。 刘源等模拟了油套管下井之后的实际井况，提出复合载荷作用下过大的轴向拉伸载荷会使接头接触面之间产生泄漏通道，降低接头的密封效果［11］。 因此，为分析一体化管柱使用的油管特殊螺纹接头在复杂载荷作用下的强度变化及其密封性能受载荷影响规律，笔者基于有限元方法分析了不同工况条件对某生产气井的一体化管柱［12］特殊螺纹接头［13］受力变形情况的影响规律，分析结果可以在一定程度上指导油管特殊螺纹接头在气井生产中的应用。

1 管柱结构及载荷情况

图1 为大庆油田徐深气田［14］某生产气井的井身结构。 该井的完井过程使用了无限极滑套技术，设计安全系数为1.6。 此井的一体化管柱连接螺纹采用了壁厚为5.51mm 的H 型特殊螺纹接头（以下简称H 接头），材料为13Cr110（屈服应力810MPa）。 此井共有下钻完井、坐封、开井、关井和压裂5 种工况，各工况下管柱工况参数见表1，其中下钻完井时封隔器轴力结果为负，代表该处管柱受到轴向压力。

图1 生产气井井身结构

表1 生产气井一体化管柱工况参数

2 H 接头受力及密封性能有限元分析

2.1 H 接头的结构参数

如图2 所示，H 接头有20 齿，其中第1 齿为不完全齿；其主密封面为一对柱面，副密封面则为圆弧面与圆锥面的接触。建立H 接头的有限元模型，参照图1 所示的生产气井实际工况对螺纹接头的受力情况进行定义，分析H 接头在复杂载荷作用下的连接强度及密封性能变化情况。

图2 H 接头结构及位置关系示意图

2.2 H 接头不同上扣扭矩下的应力分析

管柱下井前需要完成螺纹接头的上扣，上扣扭矩的大小决定了接头上扣后的应力分布状态。H 接头的最佳上扣扭矩为3.60kN·m，最小、最大上扣扭矩分别为3.31、3.89kN·m。 对H 接头在3种扭矩作用下的应力分布情况进行有限元分析，结果如图3 所示。 可以看出，H 接头密封面的等效应力随着上扣扭矩的递增而变大，当上扣扭矩为3.89kN·m 时，主密封面最大等效应力达到812MPa，发生轻微屈服，影响到接头重复上扣时的密封性能。

图3 不同上扣扭矩下H 接头密封面等效应力分布

H 接头的主密封结构为柱面接触，副密封结构为弧面与锥面接触。 在不同扭矩作用下上扣后， 接头密封面上的接触压力分布如图4 所示，可以看出，上扣扭矩与接触压力变化之间呈现正相关趋势，但上扣扭矩变化对接触压力峰值分布基本无影响，3 种上扣扭矩作用下接触压力峰值均出现在主密封面， 最大接触压力分别是877、976、1 120MPa，接触长度不变，接头上扣后的密封性能均满足要求。 H 接头的台肩接触面接触压力随上扣扭矩递增趋势明显，起到辅助密封和防过扭的作用。 综合不同扭矩作用下接头等效应力分布结果可知，提升上扣扭矩可以在一定范围内提升H 接头的密封性能，但过扭时主密封处可能发生塑性变形，影响重复使用。

图4 不同上扣扭矩下H接头密封面接触压力分布

管柱的轴向载荷分为拉伸和压缩两类，其中拉载荷主要由螺纹接头的齿来承受。 不同扭矩作用下H 接头上扣后各齿的等效应力变化规律如图5 所示，可以看出，前3 齿等效应力受上扣扭矩影响较大，上扣扭矩越大齿等效应力越高，第4齿到第20 齿上应力基本不受扭矩变化影响。 当采用最大扭矩上扣时，第2 齿的承载比例超过了第1 齿，由于第1 齿为易发生破坏的不完整齿，H接头齿的应力分布特点有利于避免齿在过扭上扣时发生破坏，提升了接头的连接强度。

图5 不同扭矩作用下H 接头上扣后各齿等效应力分布

2.3 H 接头不同轴向拉力作用下的应力分析

使用H 接头的最佳上扣扭矩完成螺纹连接，分析其轴向拉力T 作用下的应力分布情况 （图6）。 由图6 可以看出，拉伸载荷与密封面等效应力的变化呈现负相关；拉伸载荷的作用将影响齿上等效应力分布，使得靠近管体的齿承载比例增加。 当拉力超过200kN 时，最大等效应力位置由第1 齿转移到第18 齿；当拉力达到550kN 时，第18 齿开始发生塑性变形； 拉力超过800kN 时第16～20 齿均处于塑性变形状态， 拉力达到900kN时管体出现大面积屈服，管柱失效。 所选实例井的管柱各工况下， 管柱承受的最大拉力仅为362kN，齿上等效应力峰值约780MPa，未发生塑性变形，管体的最大等效应力为315MPa，安全系数达到2.57，符合设计要求。

图6 不同轴向拉力下H 接头密封面等效应力分布

图7 为不同轴向拉力T 对H 接头密封面接触压力的影响。 可以看出，轴向拉力与主密封面接触压力峰值变化情况呈现负相关趋势，轴向拉力由0 增大到900kN 时，主密封的接触压力峰值下降了63%，接触长度不变。 轴向拉力作用下，H接头的密封性能下降明显。

图7 H 接头密封面接触压力随轴向拉力变化

2.4 H 接头不同轴向压力作用下的应力分析

图8 为H 接头最佳扭矩上扣后轴向压力p对接头等效应力的影响规律，可以看出，在轴向压力作用下接头的等效应力峰值恒位于密封面上；轴向压力的增加将引起接头密封面、齿承载面和管体的等效应力峰值增加， 当轴向压力达到610kN 时接头的齿开始产生屈服，管体则在轴向压力达到840kN 时发生屈服。所选实例井在各工况下，管柱的最大轴向压力仅为40kN，接头与管体之间不会发生屈服。 综上所述，轴向压力作用下，H 接头的连接强度符合使用要求。

图8 不同轴向压力作用下H 接头密封面等效应力分布

H 接头密封面上的接触压力随轴向压力p作用变化情况如图9 所示，可以看出，台肩与副密封连接处接触压力随轴向压力增加呈现迅速上升趋势，轴向压力由0 增加至900kN 时，该位置的接触压力增长率超过100%； 轴向压力由0 增加至900kN 时， 主密封面接触压力约增加15%，但接触长度基本不变。 因此，一定范围内的轴向压力有利于提升H 接头台肩的密封性能，轴向压力变化对主密封结构的密封性能几乎无影响。

图9 H 接头密封面接触压力随轴向压力变化

2.5 H 接头轴向拉力和内压共同作用下的应力分析

生产工况下，H 接头将承受轴向拉力和内压的复合作用，故建立模型分析接头最佳扭矩上扣后，轴向拉力为200kN 时，油管内压对接头密封面等效应力分布的影响（图10）。 由图10 可以看出， 内压作用将导致主密封和第18 齿上等效应力提升，当内压达到50MPa 时第18 齿开始屈服；而实际生产工况下内压约为30MPa，此时密封面和第18 齿上等效应力峰值分别为570、690MPa，管体安全系数达到3.38，符合生产安全性设计要求。

图10 不同内压作用下H 接头密封面等效应力分布

H 接头密封面接触压力分布随内压的变化如图11 所示，可以看出，内压增加对接头接触压力分布和峰值基本无影响。 综上可知，内压作用基本不影响H 接头的密封性能，H 接头的密封性能主要源于上扣过程。

图11 H 接头密封面接触压力随内压变化

2.6 H 接头轴向拉力、内压、外压共同作用下的应力分析

压裂工况下油套环空将存在一定背压，故研究轴向拉力200kN、内压70MPa 时，不同外压共同作用对H 接头的连接强度及密封性能的影响，模拟结果如图12、13 所示。

图12 H 接头密封面等效应力随外压变化

图13 H 接头密封面接触压力随外压变化

可以看出， 外压作用将降低主密封和第18齿处的等效应力水平，当外压达到88MPa 时密封面开始出现屈服，而实际压裂工况下，最大背压约40MPa， 此时密封面和第18 齿上的最大等效应力分别为710、745MPa，接头均处于弹性变形阶段；此时管体最大等效应力为210MPa，安全系数达到3.85，符合生产安全性设计要求。H 接头密封面上接触压力则随外压作用呈下降趋势。 外压由30MPa 增加至90MPa 时，主密封面接触压力峰值下降17%，但密封面接触压力水平远高于流体压力，且有效密封长度超过密封面总长度的一半，在相应工况下仍可以保证良好的密封性能。

2.7 H 接头轴向拉力、内压与弯矩共同作用下的应力分析

轴向拉力200kN、内压70MPa 时，分析不同井斜变化率对H 接头应力分布的影响，结果如图14 所示，可以看出，油管受拉侧的等效应力随井斜变化率数值增长呈现增加趋势，而其受压侧等效应力则与之呈现负相关趋势，当井斜变化率由0°/30m 增加至18°/30m 时，油管受拉侧最小应力由292MPa 增加至339MPa，变化率为16%，接头受压侧最小应力由292MPa 降低至264MPa，变化率为-11%。 齿部等效应力受拉侧增加、受压侧减小， 且越远离密封面处的齿等效应力变化越大。可见，弯曲载荷作用会显著影响接头整体应力分布的对称性［14］，井斜变化率越大，不对称性越强，同等井斜变化率下，受拉侧等效应力变化率高于受压侧。

图14 不同井斜变化率下H 接头等效应力分布云图

图15 为拉力200kN、内压70MPa 时，不同井斜变化率下接头密封面等效应力分布， 可以看出，忽略少量数值奇异节点，接头等效应力变化特点为：井斜变化率的数值逐渐增加时，接头密封面受拉侧台肩上等效应力随弯矩的增大而增大，而受压侧台肩上等效应力呈现出随弯矩递增而递减的趋势，这一变化趋势与管体变化趋势相同，而主密封面上的等效应力则变化较小。 这是由于H 接头的主密封结构为柱面对柱面密封，径向接触，而台肩接触形式则以轴向接触为主。

图15 不同井斜变化率下H 接头密封面等效应力分布

图16 为拉力200kN、内压70MPa 时，不同井斜变化率下各齿的等效应力分布，可以看出油管受拉侧齿等效应力随井斜变化率增加而增加，受压侧齿等效应力随井斜变化率减小而减小，这一变化与油管整体等效应力变化情况相同。 弯曲作用前，第2 齿与第18 齿的等效应力水平较高，而随着井斜变化率逐渐增加， 受拉侧第18 齿的等效应力水平迅速增加，在井斜变化率由0 增加到18°/30m 时， 受 拉 侧 第18 齿 的 等 效 应 力 由270.108MPa 增 加 至401.476MPa， 变 化 率 达 到48.6%，此时第18 齿的等效应力水平已经超过了第2 齿。 考虑到第18～20 齿为不完整齿，受力面积较小，故当井斜变化率进一步加大时，受拉侧第18 齿将首先发生屈服，存在一定的粘扣风险。

图16 不同井斜变化率下各齿的等效应力分布

图17 为拉力200kN、内压70MPa 时，不同井斜变化率下的密封面接触压力分布。 可以看出，受拉侧台肩接触压力随井斜变化率增加呈现递减趋势， 受压侧台肩接触压力则呈现相反的趋势；接触压力逐渐增大时，井斜变化率对其主密封面上接触压力的影响较小。 这是由于台肩面为轴向接触，主密封面为径向接触，在弯矩作用下，受拉侧台肩面将逐渐脱离，接触压力下降，受压侧与之变化趋势相反。 但由于主密封面为柱面-柱面的径向接触， 其存在对台肩变形限制较大，故台肩上接触压力整体数值波动较小。 当井斜变化率从0°/30m 逐步增加到18°/30m，受拉侧密封面上最大接触压力由1 017.000MPa 降低至945.826MPa，变化率为-7%，受压侧密封面上最大接触压力由1 017MPa 增加至1 074MPa，变化率为6%。

综合考虑拉力200kN、内压70MPa 时，不同井斜变化率下接头的力学性能变化可知，在给定工况下，弯矩作用对密封面受力变形情况影响较小， 而各齿上受力变形情况则随弯矩变化较大。这是因为H 接头的主密封结构为柱面-柱面接触，各接触点的接触半径相同，接触的对称性不易受到弯矩影响。 在弯矩较大时，受拉侧第18 齿处产生明显应力集中，存在粘扣风险，密封面上粘扣风险较低。

3 结论

3.1 H 接头上扣后密封面接触压力呈现A 形分布，主密封面和副密封面在上扣后均会出现局部高接触压力点，接触面有效接触长度大，具有较好的密封能力。

3.2 对于H 接头而言， 上扣扭矩的提升可以在一定程度上提高其密封性能，并能够改善齿的承载情况；但扭矩过大时主密封面等效应力上升速度明显提升，在最大扭矩上扣时密封面发生轻微屈服，影响重复使用，故H 接头使用时需要避免发生过扭。

3.3 随着拉力的增加，H 接头的密封能力极限下降比较明显， 当轴向拉力由0 增加到900kN 时，接头的主密封面最大接触压力从976MPa 下降到358MPa，变化率达到-63%，但主密封面的最大接触压力远超过井下流体压力，且接触长度基本不变，故H 接头在轴向拉力作用下的密封能力能够得到保证。

3.4 在轴向压力作用下，H 接头台肩处接触压力随轴向压力增加变化较快，主密封面的等效应力和接触压力随轴向压力变化较小，一体化管柱最大轴向压力作用下，接头和管体均不发生屈服。

3.5 内压增加主要影响H 接头的齿承载能力，对密封性能的影响不大；而外压作用则会提升台肩的密封能力，降低密封面的密封性能；弯矩对H 接头密封面和齿的受力变形情况影响特点和程度均不同，当弯矩较大时，受拉侧第18 齿存在较高粘扣风险，但第18 齿为不完整齿，对接头的连接强度影响较小。 H 接头具有较强的抗拉和抗弯能力，可以用于井斜角较大的井或是水平井造斜段。