为了改善特殊螺纹油套管的使用性能,对平式连接海上油套管螺纹进行了设计和优化分析。针对HST平式连接特殊螺纹管道的应用能力进行了优化,同时采用理论建模的方法对其管道螺纹特性进行了模拟分析,研究了在预紧转矩及轴向拉伸力下的优化螺纹状态。

油套管特殊螺纹主要通过金属对金属的径向过盈主密封结构保证油套管连接的气密封性能。针对特殊螺纹密封性能开展数值模拟评价研究,并提出优化特殊螺纹气密封结构的方法。首先建立了特殊螺纹锥面对锥面密封结构的数值仿真模型,研究了等锥面密封结构和非等锥面的密封面上接触应力分布关系,研究发现,若采用非等锥线性密封结构的密封接头,能够有效改善特殊螺纹密封面上接触不协调现象,改善密封面上接触应力的分布;其次,建立了特殊螺纹球面对锥面密封结构的数值仿真模型,引入密封接触能理论,研究了不同椭圆度下的球面密封结构密封面上接触应力分布关系,并给出特殊螺纹球面密封椭圆度的最佳取值范围。研究结果可以为提高特殊螺纹抗泄漏能力提供理论依据,为特殊螺纹密封结构的研发提供思路借鉴。

针对超深油气井中对密封性能的严格要求,基于特殊螺纹密封机理,设计一种由锥面对锥面和柱面对球面组成的双主密封特殊螺纹接头结构。采用数值模拟方法分析接头在拉伸、压缩、拉伸和内压、拉伸和内外压4种工况下,双主密封面接触应力、接触长度的变化情况,并对螺纹接头在极限载荷下的密封性能进行研究,得到接头密封能力随不同载荷的变化规律。最后对接头试样进行全尺寸试验,结果表明该双主密封特殊螺纹接头的密封性能满足使用要求。

密封直径是特殊螺纹接头油、套管产品的关键技术参数,密封直径的加工偏差对特殊螺纹接头的使用性能具有显著影响,本文对典型的锥-锥密封结构型式的密封面直径测量方法进行了系统分析,指出了密封面直径测量误差的主要来源和产生原因,提出了基于最佳测量条件的特殊螺纹接头密封直径测量方案,对提高特殊螺纹接头密封直径测量准确度和质量控制水平具有重要指导意义和工程应用价值。

开展了高温和室温环境下A系全包络线载荷试验评价和基于试验的密封性能有限元模拟,依据气密封能判据分析了不同等效全包络线载荷2次循环的密封能和密封能倍数变化规律及危险载荷点,并对危险载荷点开展了应力松弛时间效应分析。研究结果表明:模拟工况载荷的试验评价是一种不考虑现场操作和井下载荷波动不确定性以及安全使用余量的方法;API RP5C5试验评价是一种依据材料强度性能计算出载荷的方法,未充分考虑材料高温应力松弛时间效应的影响。建议增加基于时间效应的试验评价和有限元密封性能分析。

基于Hertz接触应力和Mises屈服准则建立了考虑密封面附加作用扭矩的特殊螺纹球面对锥面密封结构的弹塑性接触应力理论模型,研究了密封面附加作用扭矩对密封面接触应力分布的影响规律。结果表明:随密封面附加作用扭矩的增加,密封面接触状态逐渐从完全弹性接触转变为弹塑性接触,接触应力分布逐渐由开口向下的抛物线向抛物线杯形转变,且接触宽度、屈服宽度和平均接触应力均逐渐增大。为提高特殊螺纹气密封性能,既要保证密封面具有足够的平均接触应力和接触宽度,又要合理控制屈服宽度,实例中建议将密封面附加上扣扭矩控制在731.7N·m~1826.4N·m范围内。研究结果对指导特殊螺纹合理上扣、提高螺纹气密封性能具有重要意义。

为提高密封性能,带密封面的特殊螺纹连接应用广泛,但密封面却严重限制了螺纹刀具的高效施展。本加工方案灵活利用了刀具、螺纹及密封面三者之间的有限空间,通过改良结构充分释放了刀齿排布和定位装夹两个方向的设计空间,辅以量身定制的加工程序,最终形成一套同时解决加工效率、刀具偏转和螺纹毛刺的精准工艺方案。

为了对某一种特殊螺纹油套管接头的抗挤毁性能和连接性能进行优化分析,采用矩阵分析法对特殊螺纹油管接头的承载角、承受的外压、台肩角以及锥度的组合进行筛选。通过建立正交试验的多层结构模型和层结构矩阵,利用各层矩阵的乘积得出实验指标值（套管接头最大等效应力、抗挤毁压应力、螺纹处最大等效应力）的权矩阵,并计算出影响特殊螺纹油管接头的各因素（承载角、外压、台肩角、锥度）、各水平（套管接头最大等效应力、抗挤毁压应力、螺纹处最大等效应力）的权重;根据所研究指标值权重的大小,确定最优组合方案以及各因素对油管接头性能影响的主次顺序。结果表明：承载角为-10°、外压为50MPa、台肩角为-15°、锥度为1∶16.5时,特殊螺纹油管接头可以保持相对较好的抗挤毁强度和较高的螺纹连接强度。

随着国内油套管技术的发展以及受整体经济下行压力,各油田在特殊螺纹油套管的采购上逐渐国产化,HSM-2特殊螺纹油套管凭借优良的使用性能得到广泛使用,文中对HSM-2特殊螺纹油套管的结构、性能以及油田现场作业要点和技术要求进行介绍,对油田现场使用提供参考。

介绍了一种高性能特殊套管螺纹接头,通过有限元分析、实物实验的方法,证实该螺纹接头具有良好的抗复合载荷能力,其抗内压、外压、拉伸、压缩能力均达到管体水平。