本發(fā)明屬于油套管密封領(lǐng)域，具體涉及一種油套管螺紋接頭的密封性評價方法。

背景技術(shù)：

近年來，復(fù)雜工況油氣井不斷被開發(fā)與使用，API油套管已經(jīng)不能滿足市場需求，迫切需要具有高性能的特殊螺紋接頭油套管。但是，特殊螺紋接頭在下井后，工作條件非常差，密封性能會受到多種因素的影響，密封失效機理復(fù)雜。我國從20世紀80年代開始研究特殊螺紋接頭，對其密封機理的研究還缺乏系統(tǒng)的、深層次的認識，因此進行復(fù)雜載荷作用下油套管特殊螺紋接頭密封機理的研究，建立密封性的判定方法尤其重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提出一種油套管螺紋接頭的密封性評價方法，解決了高性能的螺紋接頭油套管的密封性判定問題，而且在很大程度上提高了其密封性判定的準確度。

實現(xiàn)上述技術(shù)目的，達到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種油套管螺紋接頭的密封性評價方法，包括以下步驟：

步驟一、建立螺紋接頭有限元分析模型；

步驟二、根據(jù)有限元分析模型，分析得到等效應(yīng)力分布云圖；

步驟三、建立坐標系，其中X軸為接觸位置，Y軸為接觸壓力，在接觸區(qū)域處取點集，從步驟二的有限元分析得出的應(yīng)力分布云圖中得到不同接觸位置對應(yīng)的接觸壓力，將點集寫入坐標系中，得到接觸位置-接觸壓力曲線，其中，等效接觸壓力為：

P_ec＝∫p_tdl

式中，P_ec為等效接觸壓力，P_t為接觸面上的接觸壓力，l為泄露長度；

步驟四、對步驟三所述的點集進行最小二乘曲線擬合，找出一個光滑二次函數(shù)，使它能夠最佳的擬合數(shù)據(jù)；

步驟五、對擬合得到的光滑曲線進行積分，最終求得等效接觸壓力，實現(xiàn)密封性評價。

所述步驟一具體為：利用UG三維建模軟件，根據(jù)接頭結(jié)構(gòu)尺寸及約束，采用基于草圖的參數(shù)化設(shè)計方法，得到螺紋接頭的二維幾何模型。

所述步驟二具體為：

2.1利用螺紋接頭的二維幾何模型生成IGES格式文件，導(dǎo)入到ANSYS中；

2.2在ANSYS中，設(shè)置材料屬性，并設(shè)置為軸對稱分析；

2.3對接頭整體進行自由網(wǎng)格劃分，包括：對接頭螺紋、密封面及扭矩臺肩面進行網(wǎng) 格細化；

2.4定義接觸對與求解，設(shè)定分析選項為大變形情況，對稱約束和軸向位移約束施加在接箍中間平面上，根據(jù)分析要求施加載荷，包括軸向力、內(nèi)外壓力、溫度；

2.5最后求解得到等效應(yīng)力分布云圖。

所述2.2中，設(shè)置材料屬性，并設(shè)置為軸對稱分析，具體為：選用PLANE182單元，該單元具有塑性、超彈性、應(yīng)力剛度、大變形和大應(yīng)變能力；設(shè)置KEYOPT(3)＝1，即設(shè)置為軸對稱分析。

所述的一種油套管螺紋接頭的密封性評價方法，所述2.2中，還包括設(shè)置摩擦系數(shù)，所述摩擦系數(shù)取0.015～0.035。

所述步驟2.4中，定義接觸對與求解，具體為：利用ANSYS軟件接觸向?qū)Ш徒佑|單元來建立管體與接箍在螺紋之間、密封面之間以及扭矩臺肩之間的柔體對柔體、面-面接觸對。

所述步驟四，具體為：利用MATLAB對步驟三所述的點集進行最小二乘曲線擬合，MATLAB中的擬合命令如下：

x＝[x_a,x_b,x_c,x_d,x_e,x_f,x_g…]

y＝[y_a,y_b,y_c,y_d,y_e,y_f,y_g…]

p＝polyfit(x,y,2)％二次擬合

Y＝polyval(p,x)％計算在x處的預(yù)測值

xlabel(‘接觸位置’)

ylabel(‘接觸壓力’)

根據(jù)運行結(jié)果建立多項式模型，其形式為：

y＝Ax²+Bx+C。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明能更好的通過等效接觸壓力來判定油套管螺紋接頭的密封性，以往的判定方法往往只是單獨考慮影響油套管特殊螺紋接頭的因素，這樣就使得一些情況判定不準確，比如說當泄露長度很小而接觸壓力很大時的密封性，亦或者當接觸壓力很小而泄露長度很大時的密封性，而本發(fā)明方法綜合考慮了影響密封性的兩個因素泄露長度和接觸壓力，提高了判定的準確性而且減少了判定的復(fù)雜情況。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種實施例的油套管特殊螺紋接頭的結(jié)構(gòu)。

圖2為圖1中螺紋接頭密封處放大圖。

圖3為圖1中螺紋接頭的接頭密封面和扭矩臺肩的接觸壓力分布隨螺紋徑向過盈量變化的曲線。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細的描述。

一種油套管螺紋接頭的密封性評價方法，包括以下步驟：

步驟一、建立螺紋接頭有限元分析模型；

步驟二、根據(jù)有限元分析模型，分析得到等效應(yīng)力分布云圖；

步驟三、建立坐標系，其中X軸為接觸位置，Y軸為接觸壓力，在接觸區(qū)域處取點集，從步驟二的有限元分析得出的應(yīng)力分布云圖中得到不同接觸位置對應(yīng)的接觸壓力，將點集寫入坐標系中，得到接觸位置-接觸壓力曲線，其中，等效接觸壓力為：

P_ec＝∫p_tdl

式中，P_ec為等效接觸壓力，P_t為接觸面上的接觸壓力，l為泄露長度；曲線和X軸與Y軸圍成的面積即為等效接觸壓力；

步驟四、對步驟三所述的點集進行最小二乘曲線擬合，找出一個光滑二次函數(shù)，使它能夠最佳的擬合數(shù)據(jù)；

步驟五、對擬合得到的光滑曲線進行積分，最終求得等效接觸壓力，實現(xiàn)密封性評價。

所述步驟一具體為：利用UG三維建模軟件，根據(jù)接頭結(jié)構(gòu)尺寸及約束，采用基于草圖的參數(shù)化設(shè)計方法，得到螺紋接頭的二維幾何模型。

所述步驟二具體為：

2.1利用螺紋接頭的二維幾何模型生成IGES格式文件，導(dǎo)入到ANSYS中；

2.2在ANSYS中，設(shè)置材料屬性，并設(shè)置為軸對稱分析；

2.3對接頭整體進行自由網(wǎng)格劃分，包括：對接頭螺紋、密封面及扭矩臺肩面進行網(wǎng)格細化；優(yōu)選地，選用三角形實體單元對接頭整體進行自由網(wǎng)格劃分，使得最后求解的準確率和收斂性更好；

2.4定義接觸對與求解，設(shè)定分析選項為大變形情況，對稱約束和軸向位移約束施加在接箍中間平面上，根據(jù)分析要求施加載荷，包括軸向力、內(nèi)外壓力、溫度；在ANSYS等有限元分析模型中都有專門的施加約束和定義求解的模塊。

2.5最后求解得到等效應(yīng)力云圖。

所述2.2中，設(shè)置材料屬性，并設(shè)置為軸對稱分析，具體為：選用PLANE182單元，該單元具有塑性、超彈性、應(yīng)力剛度、大變形和大應(yīng)變能力；設(shè)置KEYOPT(3)＝1，即設(shè)置為軸對稱分析。

所述2.2中還包括設(shè)置摩擦系數(shù)，所述摩擦系數(shù)取0.015～0.035。

所述定義接觸對與求解，具體為：利用ANSYS軟件接觸向?qū)Ш徒佑|單元來建立管體與接箍在螺紋之間、密封面之間以及扭矩臺肩之間的柔體對柔體、面-面接觸對。

所述接觸算法為增廣拉格朗日算法，剛度矩陣為非軸對稱矩陣，初始穿透間隙控制選項根據(jù)實際需求設(shè)置，優(yōu)選地，使得KEYOPT(9)＝4。

所述步驟四，具體為：利用MATLAB對步驟三所述的點集進行最小二乘曲線擬合，MATLAB中的擬合命令如下：

x＝[x_a,x_b,x_c,x_d,x_e,x_f,x_g…]

y＝[y_a,y_b,y_c,y_d,y_e,y_f,y_g…]

p＝polyfit(x,y,2)％二次擬合

Y＝polyval(p,x)％計算在x處的預(yù)測值

xlabel(‘接觸位置’)

ylabel(‘接觸壓力’)

根據(jù)運行結(jié)果建立多項式模型，其形式為：

y＝Ax²+Bx+C。

實施例一

如圖1所示，是本實施例的油套螺紋接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

建立螺紋接頭有限元分析模型：

步驟一、根據(jù)特殊螺紋接頭圖紙尺寸，確定與螺紋接頭相關(guān)的各個幾何參數(shù)，并在UG軟件草圖界面，利用螺紋接頭的幾何約束和尺寸約束關(guān)系建立初始的接頭二維幾何模型；

步驟二、基于步驟一，建立驅(qū)動生成接頭模型的幾何表達式，包括：與各幾何參數(shù)對應(yīng)的表達式名稱和表達式初值，并驅(qū)動生成初始圖形；

步驟三、在步驟二完成后進入草圖界面，利用幾何表達式中的表達式名稱替換步驟二中的初始圖形中各幾何參數(shù)值；

步驟四、創(chuàng)建部件族，具體為：從幾何表達式中選擇需要的幾何參數(shù)，并創(chuàng)建部件族表格，根據(jù)后續(xù)設(shè)計分析要求，填寫接頭管體和接箍相關(guān)的幾何參數(shù)值；這些幾何參數(shù)值就是圖形的尺寸，在UG軟件中修改尺寸值就可以對圖形進行修改，這些參數(shù)決定了螺紋 的形狀與結(jié)構(gòu)，具體見圖2，對參數(shù)進行了具體的解釋。

步驟五、使用時，待步驟三與步驟四完成后，在部件族中選擇所需的接頭部件，UG軟件自動生成與之對應(yīng)的接頭幾何模型，完成參數(shù)化設(shè)計。

所述步驟一中，各幾何參數(shù)具體包括：管體螺紋承載面角度、管體螺紋導(dǎo)向面角度、管體螺紋齒高、管體螺紋螺距、管體螺紋錐度、管體密封面角度、管體扭轉(zhuǎn)臺肩角度、接箍螺紋承載面角度、接箍螺紋導(dǎo)向面角度、接箍螺紋齒高、接箍螺紋螺距、接箍螺紋錐度、接箍密封面角度、接箍扭轉(zhuǎn)臺肩角度、管體螺紋齒頂?shù)街袕骄€的豎直距離、接箍螺紋齒頂?shù)街袕骄€的豎直距離、管體非齒槽處螺紋的中徑線在水平方向的距離、接箍齒槽處螺紋的中徑線在水平方向的距離。

所述步驟三中，具體為：用幾何表達式中的管體螺紋承載面角度、管體螺紋導(dǎo)向面角度、管體螺紋齒高、管體螺紋齒距來替換管體螺紋草圖中的各尺寸數(shù)值；用幾何表達式中接箍螺紋承載面角度、接箍螺紋導(dǎo)向面角度、接箍螺紋齒高、接箍螺紋齒距來替換接箍螺紋草圖中的各尺寸數(shù)值；用幾何表達式中的管體密封面角度、管體扭矩臺肩角度來替換管體密封面與扭矩臺肩面草圖中的各尺寸數(shù)值；用幾何表達式中的接箍密封面角度、接箍扭矩臺肩角度來替換接箍密封面與扭矩臺肩面草圖中的各尺寸數(shù)值。

所述步驟一還包括：建立幾何模型時，接頭管體長度大于管端到管端螺紋消失點距離的2倍。

所述步驟五中，選擇所需的接頭幾何參數(shù)具體為：螺紋參數(shù)按照機械設(shè)計手冊里的標準的定義進行選??；密封面與臺肩面參數(shù)按照最直觀、能確定其形狀特征的最少個數(shù)參數(shù)的原則進行選取。

對螺紋接頭進行有限元分析

首先將二維幾何模型導(dǎo)入到有限元ANSYS軟件，文件工作名命名為：The Casing Premium Connection。在UG軟件中生成二維幾何模型后，另存為其為IGES格式文件，然后將IGES文件導(dǎo)入到ANSYS中。

設(shè)置材料屬性，選用PLANE182單元，該單元具有塑性、超彈性、應(yīng)力剛度、大變形和大應(yīng)變能力，設(shè)置KEYOPT(3)＝1，即設(shè)置為軸對稱分析。由于摩擦系數(shù)和套管的加工質(zhì)量、套管的使用條件、螺紋表面粗糙度等多種原因有關(guān)，通常情況下取0.015～0.035，優(yōu)選地，摩擦系數(shù)取為0.021。溫度20℃下時，材料的屈服強度為758MPa，抗拉強度為862MPa，彈性模量1.94×10⁵MPa左右，泊松比0.3左右，選擇雙線性運動硬化模型。

對接頭整體進行自由網(wǎng)格劃分，優(yōu)選地，選用三角形實體單元對接頭整體進行自由網(wǎng) 格劃分，對接頭螺紋部分、密封面及扭矩臺肩面進行網(wǎng)格細化。

定義接觸對與求解，螺紋上扣后是典型的非線性面-面過盈接觸問題，利用ANSYS軟件的CONTA172和TARGE168接觸單元來建立油套管管體與接箍在螺紋之間、密封面之間以及扭矩臺肩之間的柔體對柔體、面-面接觸對，優(yōu)選地，接觸算法為增廣拉格朗日算法，剛度矩陣為非軸對稱矩陣，初始穿透間隙控制選項設(shè)置KEYOPT(9)＝4(這個值可以根據(jù)實際情況設(shè)定)，這是因為有限元計算時要忽略幾何模型造成的初始穿透/間隙，而只考慮過盈量CNOF，且漸變的施加過盈量可以緩解計算收斂性的困難(此為現(xiàn)有技術(shù)，不在此贅述)。

設(shè)定分析選項為大變形情況，對稱約束和軸向位移約束施加在接箍中間平面上，根據(jù)分析要求施加載荷，包括軸向力、內(nèi)外壓力、溫度等，最后求解得到等效應(yīng)力分布云圖。

如圖2所示，建立接觸位置為X軸與接觸壓力為Y軸的坐標系，將圖2的A點(0,0)作為原點，在接觸位置以設(shè)定的步長，在接觸區(qū)域處取點集(x_a,y_a),(x_b，y_b)…，其中x_a，x_b。。。為接觸位置，y_a y_b…為接觸位置對應(yīng)的接觸壓力，得到不同接觸位置對應(yīng)的接觸壓力，將點集寫入坐標系中，得到接觸位置-接觸壓力曲線如圖3所示。

等效接觸壓力的計算公式為：P_ec＝∫p_tdl，其中P_ec-等效接觸壓力，P_t-接觸面上的接觸壓力，l-流體經(jīng)過接觸面間隙的長度，可知：此曲線和X軸與Y軸圍城的面積即為等效接觸壓力。

對步驟三所述的點集進行最小二乘曲線擬合，目的就是設(shè)法找出一個光滑二次函數(shù)，y＝Ax²+Bx+C，其中，y為等效壓力，x為接觸位置，A、B、C分別為擬合得到的常數(shù)，使它能夠最佳的擬合數(shù)據(jù)，且沒必要經(jīng)過數(shù)據(jù)點；

在MATLAB中的擬合命令如下：

x＝[x_a,x_b,x_c,x_d,x_e,x_f,x_g…]

y＝[y_a,y_b,y_c,y_d,y_e,y_f,y_g…]

p＝polyfit(x,y,2)％二次擬合

Y＝polyval(p,x)％計算在x處的預(yù)測值

xlabel(‘接觸位置’)

ylabel(‘接觸壓力’)

可以根據(jù)運行結(jié)果建立多項式模型，其形式為：

y＝Ax²+Bx+C

對擬合得到的光滑曲線進行積分，最終求得等效接觸壓力；由于得到的是一個拋物線或者三次函數(shù)，因此直接對函數(shù)進行簡單的積分即可，即求出面積。

根據(jù)求得的等效接觸壓力來判定密封性是否良好。等效接觸壓力越大，密封性越好。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。