一种新型膨胀管螺纹的连接可靠性分析及试验

肖凯文，李 黔，尹 虎 （西南石油大学石油工程学院，四川成都610500）

李林涛 （中石化西北油田分公司工程技术研究院，新疆乌鲁木齐830011）

一种新型膨胀管螺纹的连接可靠性分析及试验

肖凯文，李 黔，尹 虎 （西南石油大学石油工程学院，四川成都610500）

李林涛 （中石化西北油田分公司工程技术研究院，新疆乌鲁木齐830011）

螺纹连接的问题是膨胀管技术中一个重要课题，能否保证膨胀管螺纹在膨胀前后膨胀管连接的结构完整性和密封完整性是整个膨胀作业成功与否的关键。设计的一种新型膨胀管螺纹具有连接可靠、膨胀率高的特点。为确保该螺纹能安全使用，采用弹塑性有限元接触方法建立了膨胀管螺纹可靠性分析的力学模型，对该螺纹的非线性膨胀过程进行了数值模拟，分析了膨胀过程中螺纹的应力及变形特征。结果表明该螺纹膨胀后具有较好的结构完整性及强度。通过全尺寸试验进一步验证该膨胀管螺纹膨胀后连接安全可靠，能满足膨胀工艺的需要。理论分析及试验结果为膨胀管螺纹的优化提供了指导。

膨胀管；螺纹；有限元；数值模拟；试验

膨胀管技术是指将钢管下到井下后，在井下通过冷挤扩张的方法使套管达到要求尺寸，从而进行固井、完井、修补损坏的套管或支撑易坍塌裸眼井段等作业的一种技术［1，2］。而膨胀管的连接方式是这项技术的关键之一［3］。如何保证在膨胀前、膨胀过程中以及膨胀后套管连接的结构完整性和密封完整性是判断整个膨胀作业成功与否的关键。理论分析及现场试验表明，API标准套管螺纹无法满足膨胀管的工艺技术要求。因此，需要根据膨胀管技术的使用环境和下井操作过程的特点，设计使用新的膨胀管螺纹接头，并且保证作业过程中的可靠性至关重要。笔者对一种新型膨胀管螺纹进行了膨胀过程的有限元分析和试验研究，以检验该螺纹使用中是否可以满足可靠性要求，并对膨胀管螺纹的使用及优化提供指导。

1 膨胀管螺纹连接的特点

根据膨胀管技术的使用环境和操作工艺，膨胀管螺纹接头除了应具备普通套管螺纹接头的基本特征外，还应具备一些满足膨胀作业的特殊要求。

1）结构和密封完整性要求 膨胀管螺纹接头除了在安装完成后应具备结构和密封完整性，在膨胀过程中和膨胀后同样应该具备结构和密封完整性，这是对膨胀管螺纹连接的基本要求。但是对于膨胀筛管等技术，可以不具备密封完整性。

2）膨胀力均匀性要求 由于在膨胀管施工时所需的膨胀力是管子壁厚的函数，为避免在膨胀过程中膨胀力波动过大，就要求管柱壁厚尽可能均匀，即人们常说的螺纹接头处的内、外径应与管体一致［4］——壁厚要求全程均匀，但这一说法并不确切。在接头处，由于螺纹造成管子强度损失，膨胀锥经过接头时所需要的膨胀力小于膨胀锥经过管体时的膨胀力［5］，因此接头处的壁厚可以略大于管体以平衡强度的损失，减小膨胀力的波动。因此，膨胀管内、外径是否都要求各部分完全一致，应根据膨胀管具体使用环境而论。如一些膨胀管在管外局部安装橡胶或铜环等辅助密封件，此时膨胀管本身并不要求全程外径一致。所以，对于膨胀管接头部分，要求其壁厚与管体接近，这一点实际是膨胀力均匀性的要求。

3）方向性要求 在膨胀管螺纹连接处，膨胀锥如果先膨胀内螺纹，此时外螺纹内部没有足够的膨胀力支撑，会使内外螺纹被剥离造成连接失效。因此膨胀过程中，不论是自上而下还是自下而上膨胀，膨胀锥都必须先进入外螺纹，使内外螺纹同时变形胀大，保持螺纹接头在膨胀过程中的结构完整性。根据膨胀管螺纹连接的方向性要求，膨胀管之间如果要使用接箍连接，则接箍的结构应该是一端为外螺纹、另一端为内螺纹。

2 膨胀管螺纹连接数值模拟

2．1 数值分析模型

针对膨胀管螺纹连接的特点设计了一种新型膨胀管螺纹，并已获得国家专利（专利授权公开号：CN201202903Y）［6］。该螺纹在偏梯形螺纹的基础上增大了齿高和螺距，承载面角度设计为－5°，导向面角度与API偏梯形螺纹一致，其大小为10°，膨胀管螺纹接头结构如图1。

2．2 有限元模型

应用大型通用有限元分析软件ANSYS对这种新型膨胀管螺纹进行膨胀可靠性分析。膨胀管螺纹的膨胀过程是一种高度的非线性行为［7］，笔者主要以膨胀管螺纹膨胀过程中所表现出的特性为研究对象，为简化模型，做如下假设：①膨胀管材质均匀、各向同性、壁厚均匀、截面滚圆，为理想管材；②膨胀锥和膨胀管的几何形状和所受载荷都是轴对称的，即在任一个圆形截面内，应力分布是均匀的。膨胀管的材料性能如表1所示。

图1 膨胀管螺纹接头结构

表1 膨胀管的材料性能

有限元模拟的膨胀过程为膨胀锥自上向下膨胀，模型中体单元采用SOLID45单元，接触单元采用PLANE42单元，几何建模采用参数化设计语言（APDL）编程，对模型的关键数据使用参数化控制。膨胀管比较规则，采用四边形映射网格进行均匀划分，建立的有限元几何模型如图2所示。

2．3 数值模拟分析结果

由以上分析知，膨胀过程中产生的最大应力为426．9MPa，低于材料的强度极限552MPa，能满足膨胀过程中的强度要求；A、B两处的螺纹连接紧密说明膨胀后此处接触良好，能够满足膨胀管螺纹连接完整性的要求；B处膨胀后螺纹牙侧面的环形流体通道被封闭，能够满足螺纹膨胀后的密封性要求。

图2 膨胀管螺纹的有限元几何模型

3 膨胀管螺纹连接试验验证

为了检验该新型膨胀管螺纹的可靠性，做了螺纹膨胀试验。试验是在300吨级油压压力机上进行的。膨胀管膨胀过程试验模拟膨胀管螺纹的膨胀过程，试验前将加工有新型螺纹的177．8mm膨胀管连接好，将膨胀锥固定在推杆上，压力机通过油缸带动推杆和膨胀锥从上向下压入膨胀管内孔，使膨胀管螺纹完成膨胀，试验原理如图4所示。

该次试验膨胀压力最大为87．92t，最小压力出现在螺纹连接段，约为84．93t。膨胀后未出现螺纹脱扣和断扣现象，只是母螺纹根部有明显的缩径现象，与其他段外径对比其缩径率为1．5%，如图5。造成的原因是公螺纹顶部2扣螺纹紧扣到位后公螺纹顶部与母螺纹根部有一定间隙，最终造成该处缩径，与有限元数值模拟方法求得的膨胀后螺纹的连接状态符合得较好。

图3 新型膨胀管螺纹膨胀后的应力云图

图4 试验原理示意图

图5 膨胀后膨胀管连接图

4 结论及建议

1）建立了膨胀管螺纹膨胀过程的三维非线性接触问题有限元分析模型，用该模型求解的结果与试验得到的膨胀连接状态符合得很好，证明所建立的模型及其求解结果正确可信，新型膨胀管螺纹接头结构可以满足膨胀管膨胀工艺的要求。

2）通过对膨胀管螺纹膨胀过程的数值模拟结果与实际试验的比较表明，膨胀后螺纹的连接状态较为接近，可以利用数值模拟的方法来指导膨胀管螺纹的设计。

3）膨胀后内、外螺纹端面都发生分离产生了间隙，并且内、外螺纹端部都有较大变形，而这些变形不是都不利于接头的连接能力，合理地利用膨胀过程造成的管体变形可以提高接头的密封性能。

［1］Waddell K．Realizing the one－trip expansion，single－diameter wellbore［J］．SPE96655，2005．

［2］Sutter P，Cedric P L，Leyer J，et al．Development of grades for seamless expandable tubes［J］．SPE01021，2001．

［3］王长宁，杨博．一种可膨胀的套管连接螺纹有限元研究［J］．天然气工业，2005，25（7）：53～55．

［4］张建兵，韩勇，韩建增，等．膨胀套管螺纹连接设计研究［J］．石油机械，2008，36（3）：5～8．

［5］张建兵．油气井膨胀管技术机理研究［D］．成都：西南石油大学，2003．

［6］李黔，李林涛，唐兴波．高膨胀率补贴管接头密封结构［P］．CN：201202903Y，2009－03－04．

［7］付胜利，高德利．可膨胀管膨胀过程三维有限元数值模拟［J］．西安石油大学学报，2006，21（1）：54～57．

［8］王增藩．套损井膨胀管补贴及连接螺纹的力学行为研究［D］．大庆：大庆石油学院，2007．

［编辑］ 萧 雨

TE28

A

1000－9752（2012）06－0112－03

2012－01－17

国家重大科技攻关项目（2011ZX05021）。

肖凯文（1986－），男，2010年大学毕业，硕士生，现主要从事油气井工程方面的学习与研究工作。