【摘要】：隨著石油開采技術的進步,復雜結構井的大量開發(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)造成了巨大的經濟損失,提高接頭連接強度和密封性能是保證油氣田安全開采的關鍵。目前,國內外學者主要采用二維軸對稱模型來分析油管接頭力學問題,研究對象主要是單主密封油管接頭,關于組合主密封油管接頭的研究鮮見報道,另外他們的研究方法主要是有限元法,很少進行全尺寸試驗,缺乏對螺紋接頭的安全性進行全面的論證,制約了新型螺紋油管接頭的廣泛應用。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度及密封性能進行了深入的研究,并通過全尺寸試驗驗證接頭的強度和密封性能,具體的分析過程及研究成果如下:(1)基于米塞斯屈服準則和非線性力學相關理論,考慮非對稱載荷對接頭力學性能的影響,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構,通過正交優(yōu)化試驗,對接頭螺紋的五大關鍵結構參數:螺距、齒高、承載面角度、導向面角度和錐度進行正交優(yōu)化分析,并對密封結構的關鍵參數:錐面角度、球面半徑、扭矩臺肩角度進行優(yōu)化設計。結果表明:各參數對抗拉性能影響的主次順序為:錐度、承載面角度、齒高、螺距以及導向面角度,螺紋最優(yōu)參數組合方案為:錐度1:24、承載面角度-5°、齒高1.375mm、螺距6牙/in、導向面角度10°,密封面最優(yōu)參數組合方案為:錐面錐度1:6、球面半徑12mm、臺肩角度-18°。(2)計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,根據計算結果對比分析可知: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、內壓、外壓、彎曲載荷、拉彎+內壓復合載荷、壓彎+內壓復合載荷下的力學性能及連接安全性,結果表明:拉伸載荷會使螺紋承載面等效應力增大,顯著降低臺肩面及錐面對錐面結構的密封性能,對柱面對球面結構密封性能影響不明顯。壓縮載荷會使螺紋導向面等效應力增大,提高臺肩面及錐面密封性能的同時也增加了其屈服失效的風險,還會降低柱面對球面結構的密封性能。內外壓力均能促進主密封結構的密封性能,但內壓會降低臺肩面的密封性能,而外壓作用剛好相反。彎曲載荷會使螺紋中間段的應力明顯增大,同時顯著降低臺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度和優(yōu)良的密封性能。(4)采用全尺寸試驗法,對接頭進行了拉伸試驗、壓縮試驗、外壓氣密封實驗、內壓氣密封試驗、復合載荷試驗,試驗結果印證了有限元的分析結果,表明接頭在極限載荷下具有較強的連接強度及優(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、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，其結構示意圖如圖２－１所示，因為厚壁圓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力也相對于圓筒軸線對稱。逡逑圖２－１厚壁圓筒結構示意圖逡逑根據厚壁圓筒的幾何形狀和受載特點，并考慮了靜力平衡和物理關系，在柱坐標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：—徑向應力；逡逑１０逡逑

主要是為了降低公螺紋和母螺紋嚙合時的千涉量，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。標準ＡＰＩ螺紋結構如圖３－１和圖３－２所示，倒鉤型螺紋結構如圖３－３所示。逡逑圖３－１邋ＡＰＩ標準圓螺紋結構圖逡逑２２逡逑
【學位授予單位】：西南石油大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TE931.2

【參考文獻】

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本文編號：2681870