CN110359858B - 油井管接头的密封结构的设计与制造方法、密封方法 - Google Patents

油井管接头的密封结构的设计与制造方法、密封方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110359858B
CN110359858B CN201810250603.5A CN201810250603A CN110359858B CN 110359858 B CN110359858 B CN 110359858B CN 201810250603 A CN201810250603 A CN 201810250603A CN 110359858 B CN110359858 B CN 110359858B
Authority
CN
China
Prior art keywords
sealing
oil well
well pipe
pipe joint
seal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810250603.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110359858A (zh
Inventor
王新虎
王建东
王鹏
冯春
韩礼红
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China National Petroleum Corp
Pipeline Research Institute of CNPC
Original Assignee
China National Petroleum Corp
Pipeline Research Institute of CNPC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China National Petroleum Corp, Pipeline Research Institute of CNPC filed Critical China National Petroleum Corp
Priority to CN201810250603.5A priority Critical patent/CN110359858B/zh
Priority to PCT/CN2018/122501 priority patent/WO2019184470A1/zh
Priority to EP18911643.7A priority patent/EP3779116B1/en
Priority to CN201880003925.8A priority patent/CN110678623B/zh
Publication of CN110359858A publication Critical patent/CN110359858A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110359858B publication Critical patent/CN110359858B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/04—Couplings; joints between rod or the like and bit or between rod and rod or the like
    • E21B17/042—Threaded
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/06—Power analysis or power optimisation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Non-Disconnectible Joints And Screw-Threaded Joints (AREA)
  • Earth Drilling (AREA)

Abstract

本申请提供一种油井管接头的密封结构的设计与制造方法、密封方法。所述制造方法包括：根据油井管的密封性评价参量大于等于对应的密封性安全裕量的预设规则，确定油井管的密封面接触压应力、密封结构材料弹性应变量、密封结构材料强度、密封面接触宽度；根据油井管的密封性安全裕量，密封结构的材料弹性应变量大于0.5％；根据密封面接触压应力、密封结构的材料弹性应变量、密封结构材料强度，确定密封结构的使用材料；根据确定的密封结构材料弹性应变量，确定密封结构的使用材料为弹性应变量大于0.5％的超弹性合金材料；根据使用材料及其弹性应变量制造所述密封结构。利用本申请中各实施例，提高了油井管的接头密封性能的可靠性。

Description

油井管接头的密封结构的设计与制造方法、密封方法
技术领域
本申请属于石油天然气钻井及开采技术领域，尤其涉及一种油井管接头的密封结构的设计与制造方法、密封方法。
背景技术
油井管是石油天然气开采井专用管材，由一根根管子用螺纹接头连接起来下到油气井里形成几千米长的管柱。在天然气开采阶段，井下地层内高压天然气通过管柱被输送到地面，管内流动十几到一百兆帕的高压天然气，所以油井管的螺纹接头必须有足够的气体密封性。
现有技术中，油井管接头的密封结构大多使用的是特殊螺纹接头结构，油井管的特殊螺纹接头结构由两大部分组成，即螺纹部分和密封部分。特殊螺纹油井管接头结构制造难度大，要求高，并且弹性应变量比较小，其密封原理是依靠密封面金属径向过盈接触配合，形成足够的接触压力，起到密封作用。在油管、套管等油井管的下井过程中，可能会遇阻，需要多次上提下放，甚至旋转，螺纹接头可能会松动，导致油井管的接头发生泄漏。在油气生产过程中，高压气流导致油管柱发生振动，经过长期振动后，螺纹可能会发生松动，很小的弹性应变量无法保证密封面金属正常接触，压应力下降甚至消失，导致螺纹接头泄漏。因此，业内亟需一种能够提高油井管的接头密封性的可靠性的实施方案。
发明内容
本申请目的在于提供一种油井管接头的密封结构的设计与制造方法、密封方法，以及密封结构、密封装置，提高了油井管接头的密封性能的可靠性。
一方面，本申请提供了一种油井管接头的密封结构的制造方法，包括：
根据油井管的密封性评价参量大于等于对应的密封性安全裕量的预设规则，确定所述油井管的密封面接触压应力、密封结构材料弹性应变量、密封结构材料强度、密封面接触宽度，所述密封性评价参量包括接触压应力参量、弹性应变参量、强度参量，所述密封性安全裕量包括接触压应力安全裕量、弹性应变安全裕量、强度安全裕量；
基于所述密封面接触压应力、所述密封结构材料弹性应变量、所述密封结构材料强度，确定所述油井管接头的密封结构的使用材料；
根据所述使用材料的弹性应变量、所述密封面接触宽度确定所述密封结构的尺寸，并应用所述使用材料制造所述密封结构。
进一步地，所述方法的另一个实施例中，利用下述公式一确定所述密封性评价参量：
Figure GDA0002502145630000021
上式中，kσ表示所述接触压应力参量，σe表示密封面接触压应力，P表示管内被密封气体的压力，kε表示所述弹性应变参量，εe表示密封结构材料的弹性应变量，δ表示所述密封面的局部间隙，ky表示所述强度参量，σy表示所述密封结构材料的屈服强度，D表示所述密封面的圆周直径，L表示所述密封面接触宽度。
进一步地，所述方法的另一个实施例中，根据所述使用材料的弹性应变量、所述密封面接触宽度确定所述密封结构的尺寸，并应用所述使用材料制造所述密封结构，包括：
所述密封结构包括密封覆合层；其中，
根据公式二
Figure GDA0002502145630000022
确定所述密封覆合层的厚度；
根据所述密封覆合层的厚度、所述密封面接触宽度，确定所述密封覆合层的结构尺寸；
利用所述使用材料、所述密封覆合层的结构尺寸制造所述密封覆合层；
上式中，θ表示密封面的径向过盈量，Dps表示外螺纹接头密封面外径，dbs表示内螺纹接头密封面内径，θe表示所述使用材料的密封结构的径向过盈量，θs表示原有的油井管接头的密封结构的径向变形量，εe表示所述使用材料的弹性应变量，t表示所述密封覆合层的厚度，εs表示所述油井管的原有的接头材料的弹性应变量，D表示所述油井管接头的外径和内径的平均值。
进一步地，所述方法的另一个实施例中，根据所述使用材料、所述密封覆合层的结构尺寸制造所述密封覆合层，包括：
采用堆焊、喷涂、电镀、3D打印中的任意一项技术，利用所述使用材料按照所述密封覆合层的结构尺寸制造所述密封覆合层。
进一步地，所述方法的另一个实施例中，根据所述使用材料的弹性应变量、所述密封面接触宽度确定所述密封结构的尺寸，并应用所述使用材料制造所述密封结构，包括：
所述密封结构包括密封圈；其中，
根据公式三
Figure GDA0002502145630000031
确定所述密封圈的厚度、所述密封圈中部外径；
根据所述密封圈的厚度、所述密封面接触宽度，确定所述密封圈的结构尺寸，所述接头密封结构包括内螺纹接头和外螺纹接头；
利用所述使用材料、所述密封圈的结构尺寸制造所述密封圈；
上式中，θ表示密封面的径向过盈量，Dps表示外螺纹接头密封面外径，dbs表示内螺纹接头密封面内径，θe表示所述使用材料的密封结构的径向过盈量，θs表示原有的油井管接头的密封结构的径向变形量，εe表示所述使用材料的弹性应变量，t表示所述密封圈的厚度，εs表示原有的油井管接头材料的弹性应变量，D表示所述油井管接头的外径和内径的平均值，Ds1表示所述密封圈中部外径。
进一步地，所述方法的另一个实施例中，根据所述使用材料的弹性应变量、所述密封面接触宽度确定所述密封结构的尺寸，并应用所述使用材料制造所述密封结构，包括：
所述密封结构包括密封圈；其中，
根据公式四
Figure GDA0002502145630000041
确定所述密封圈的厚度；
根据所述密封圈的厚度、所述密封面接触宽度，确定所述密封圈的结构尺寸；
利用所述使用材料、所述密封圈的结构尺寸制造所述密封圈，将所述密封圈设置在所述油井管接头扭矩台肩间隙处；
上式中，θ表示密封面的过盈量，t表示所述密封圈的厚度，h表示所述油井管接头的台肩间隙，θe表示所述使用材料的密封结构的过盈量，θs表示原有的油井管接头的扭矩台肩的过盈量，εe表示所述使用材料的弹性应变量值。
进一步地，所述方法的另一个实施例中，根据所述使用材料的弹性应变量、所述密封面接触宽度确定所述密封结构的尺寸，并应用所述使用材料制造所述密封结构，包括：
所述密封结构包括密封圈；其中，
根据公式五
Figure GDA0002502145630000042
确定所述密封圈的厚度；
根据所述密封圈的厚度、所述密封面接触宽度，确定所述密封圈的结构尺寸；
利用所述使用材料、所述密封圈的结构尺寸制造所述密封圈；
上式中，θ表示密封面的过盈量，t表示所述密封圈的厚度，J表示内螺纹接头与两个外螺纹接头上紧后，两个所述外螺纹接头端部之间距离的一半，θe表示所述使用材料的密封结构的过盈量，θs表示原有的油井管外螺纹接头的过盈量，εe表示所述使用材料的弹性应变量。
进一步地，所述方法的另一个实施例中，所述使用材料的材料弹性应变量大于0.5％。
进一步地，所述方法的另一个实施例中，所述使用材料包括弹性应变量大于0.5％的超弹性金属材料。
进一步地，所述方法的另一个实施例中，所述使用材料包括具有超弹性效应的形状记忆合金。
进一步地，所述方法的另一个实施例中，所述形状记忆合金的马氏体逆相变结束温度小于钻井操作台环境温度。
进一步地，所述方法的另一个实施例中，所述形状记忆合金在钻井操作台环境温度时，满足以下条件：
所述形状记忆合金诱发马氏体相变的临界压应力是所述油井管钢铁材料屈服强度的40％～100％；
压应力作用下所述形状记忆合金的最大可回复应变量大于4％；
所述形状记忆合金的最大可回复应变对应的压应力大于所述油井管钢铁材料屈服强度的50％，卸载后所述形状记忆合金的残余应变等于0％；
所述形状记忆合金的屈服强度大于所述油井管钢铁材料屈服强度的60％。
进一步地，所述方法的另一个实施例中，所述形状记忆合金在井下温度范围内时，满足以下条件：
所述形状记忆合金诱发马氏体相变的临界压应力是所述油井管钢铁材料屈服强度的45％～100％；
压应力作用下所述形状记忆合金的最大可回复应变量大于2％；
所述形状记忆合金最大可回复应变对应的压应力大于所述油井管钢铁材料屈服强度的55％，卸载后所述形状记忆合金的残余应变小于0.5％；
所述形状记忆合金的屈服强度大于所述油井管钢铁材料屈服强度的60％。
另一方面，本申请提供了一种油井管接头的密封结构，包括采用上述油井管接头的密封结构的制造方法获得的密封结构。
又一方面，本申请提供了一种油井管接头的密封方法，包括采用上述油井管接头的密封结构对油井管接头进行密封。
进一步地，所述方法的另一个实施例中，当采用公式二制造密封覆合层时，则采用下述方法对所述油井管接头进行密封：
根据所述公式二确定外螺纹接头密封面外径、内螺纹接头密封面内径，根据所述外螺纹接头密封面外径、所述内螺纹接头密封面内径确定所述油井管接头的密封结构，所述密封结构还包括内螺纹接头、外螺纹接头；
将所述密封覆合层设置在内螺纹接头或外螺纹接头的密封接触面的位置处，对所述油井管接头进行密封。
进一步地，所述方法的另一个实施例中，当采用公式三制造密封圈时，则采用下述方法对所述油井管接头进行密封：
根据所述公式三确定外螺纹接头密封面外径、内螺纹接头密封面内径，根据所述外螺纹接头密封面外径、所述内螺纹接头密封面内径确定所述油井管接头的密封结构，所述密封结构还包括内螺纹接头、外螺纹接头；
将所述密封圈设置在所述内螺纹接头与所述外螺纹接头的螺纹之间的空隙处，对所述油井管接头进行密封。
进一步地，所述方法的另一个实施例中，当采用公式四制造密封圈时，则采用下述方法对所述油井管接头进行密封：
根据所述公式四确定所述油井管接头的台肩间隙，根据所述油井管接头的扭矩台肩间隙确定所述油井管接头的密封结构，所述密封结构还包括内螺纹接头、外螺纹接头；
将所述密封圈设置在所述油井管接头的扭矩台肩间隙内，对所述油井管接头进行密封。
进一步地，所述方法的另一个实施例中，当采用公式五制造密封圈时，则采用下述方法对所述油井管接头进行密封：
根据内螺纹接头与两个外螺纹接头上紧后，两个所述外螺纹接头端部之间距离的一半，按照所述公式五确定所述油井管接头的密封结构，所述密封结构还包括所述内螺纹接头、所述外螺纹接头；
将所述密封圈设置在所述内螺纹接头与两个所述外螺纹接头上紧后，两个所述外螺纹接头端部之间的间隙处，对所述油井管接头进行密封。又一方面，本申请提供了一种油井管接头的设计方法，包括：使用上述油井管接头的密封结构的制造方法获得的所述使用材料、所述密封结构材料弹性应变量、所述密封面接触宽度设计所述密封结构。
又一方面，本申请提供了一种油井管接头的密封性评价方法，包括：
获取所述油井管的密封评价参量，所述密封性评价参量包括：接触压应力参量、弹性应变参量、强度参量；
若所述接触压应力参量、所述弹性应变参量、所述强度参量均大于零，则确定所述油井管接头具有密封性；
若所述接触压应力参量、所述弹性应变参量、所述强度参量中至少一个小于等于零，则确定所述油井管接头的密封性失效。
又一方面，本申请还提供了一种油井管接头的密封装置，包括：外螺纹接头、内螺纹接头、采用上述油井管接头的密封结构的制造方法获得的密封结构，所述密封结构设置在所述外螺纹接头以及所述内螺纹接头的接头密封处，所述密封结构的材质为所述使用材料。
本申请提供的油井管接头的密封结构的设计及制造方法、密封方法、密封性评价方法、密封结构、密封装置，通过对油井管接头的密封结构进行接触压应力、弹性应变以及强度等力学分析，以及密封性评价参量及密封性安全裕量分析，提出了密封结构材料弹性应变大于0.5％，由此选择密封结构的使用材料、设计密封结构尺寸，将设计获得的密封结构设置在油井管的接头密封处，本申请提供的油井管接头的密封结构的密封面可以产生0.5％以上超弹性应变，能够提高油井管的接头密封面的过盈量，进一步提高了油井管的接头的密封可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中油井管特殊螺纹接头密封结构；
图2是本申请提供的一种油井管的接头的密封方法一个实施例的方法流程示意图；
图3是现有技术中油井管螺纹接头密封面的压应力分布示意图；
图4(a)-(c)是本申请一个实施例中油井管的带有密封覆合层的接头密封结构示意图；
图5(a)-(d)是本申请一个实施例中油井管的带有密封圈的接头密封结构示意图；
图6是本申请一个实施例中油井管的台肩处带有密封圈的接头密封结构示意图；
图7是本申请一个实施例中油井管的内螺纹接头内部两个外螺纹接头端部间隙处带有密封圈的密封结构示意图；
图8是本申请一个实施例中具有超弹性效应的形状记忆合金马氏体相变量百分数与温度之间的关系示意图；
图9是本申请实施例中各温度下具有超弹性效应的形状记忆合金应力诱发马氏体相变与逆相变示意图；
图10是本申请实施例中具有超弹性效应的形状记忆合金的应力应变滞后环线示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
油井管可以用于油气的开采、运输等方面，油井管的接头处密封结构通常可以采用螺纹结构，图1是现有技术中油井管特殊螺纹接头密封结构，如图1所示，图1中L可以以表示密封面接触宽度，D可以表示密封面圆周直径。如图1所示，现有技术中特殊螺纹油井管接头的密封设计方法是接触压应力设计法，即使用有限元模拟计算方法，调整密封面形状、尺寸、及其制造偏差，在密封面上产生足够压应力值及合理的压应力分布，实现气体密封，由此设计出密封面形状、尺寸、及其制造偏差。无论密封面形状和尺寸怎么设计，密封原理都是依靠密封面金属径向过盈接触配合，形成足够接触压力，起到密封作用。
现有技术中，特殊螺纹油井管的密封面直径偏差一般控制在±0.05mm，不圆度偏差一般控制在0.5％。所以特殊螺纹油井管制造难度大，要求高。由于密封面金属弹性应变量很小，如果制造偏差过大，将导致密封面压应力过小或过大，过小导致密封失效，过大导致密封面发生塑性变形，同样导致密封失效。
本申请实施例通过对油井管进行力学性能分析，获取能够满足密封性应力、弹性、强度参数，选择满足应力、弹性、强度参数的使用材料，利用使用材料制造密封结构，将制造的密封结构设置在油井管的接头密封处。利用使用材料制造的密封结构提高了密封接触面弹性应变量，因此提高了油井管的接头密封性的可靠性。
具体地，图2是本申请提供的一种油井管接头的密封结构制造方法一个实施例的方法流程示意图，如图2所示，本申请提供的油井管接头的密封结构的制造方法包括：
S1、根据油井管的密封性评价参量大于等于对应的密封性安全裕量的预设规则，确定所述油井管的密封面接触压应力、密封结构材料弹性应变量、密封结构材料强度、密封面接触宽度，所述密封性评价参量包括接触压应力参量、弹性应变参量、强度参量，所述密封性安全裕量包括接触压应力安全裕量、弹性应变安全裕量、强度安全裕量。
密封性能是否优良的现有技术判据是密封面压应力分布的合理性和压应力值大小，压应力越大、分布越合理、密封性越好。图3是现有油井管螺纹接头密封面的压力分布示意图，如图3所示，显示了油井管的接头密封面接触压应力的分布与大小，密封面中部压应力最高，接近材料屈服强度，两端逐渐降低，变化平缓，基本合理。如果密封面压应力设计值超过了材料屈服强度，密封面材料会发生塑性变形，将影响密封性。本申请实施例在实施的过程中，申请人发现，由于现有油井管的螺纹接头由钢铁材料制成，而钢铁材料弹性应变量小于0.2％，所以导致密封面金属过盈量很小，很多因素会使密封面失去配合，造成油井管螺纹接头的密封可靠性不足。
本申请实施例，可以通过对油井管以及油井管接头的密封结构进行力学性能分析，获得油井管的密封性评价参量，密封性评价参量可以包括接触压应力参量kσ、弹性应变参量kε、强度参量ky。接触压应力参量kσ可以反映油井管接头的密封结构的密封面所受到的接触压应力的大小，可以通过对油井管接头的密封结构的密封面进行压应力分析，获得接触压应力参量kσ。弹性应变参量kε可以反映油井管接头的密封结构或密封材料的弹性应变的大小，可以通过对油井管接头的密封结构的密封面进行弹性应变分析，获得油井管的弹性应变参量kε。强度参量ky可以反映油井管接头的密封结构的强度的大小，可以通过对油井管接头的密封结构的密封面进行结构强度分析，获得油井管的强度参量ky。接触压应力参量kσ、弹性应变参量kε、强度参量ky可以是公式、模型或其他表示方式。
可以通过实验或根据经验确定油井管的密封性安全裕量，密封性安全裕量可以包括：接触压应力安全裕量kσs、弹性应变安全裕量kεs、强度安全裕量kys。密封性安全裕量的大小可以反映油井管的接头能够保证密封性可靠的最小的接触压应力、弹性应变量、结构强度等。可以根据密封性可靠性要求和经验，或者通过密封性模拟实验等方式确定油井管接头的密封结构的密封性安全裕量。
本申请一个实施例中，通过实验或经验可以将密封性安全裕量确定为：接触压应力安全裕量kσs≥0.2，弹性应变安全裕量kεs≥0.2，强度安全裕量kys≥0.2。
接触压应力因素参量kσ越大，即密封面接触压应力越高，密封可靠性就越高。只要接触压应力因素参量kσ大于对应的接触压应力安全裕量kσs时，例如当kσ≥kσs＝0.2时，就能保证一定的密封可靠性。当然如果密封可靠性要求更高时，可以选取更高的kσs值，例如kσs可以取值0.5、甚至2.0、3.0等。
弹性应变分参量kε越大，即密封面材料弹性应变量越大，或者制造偏差、粗糙度、各种损伤越小，那么密封可靠性就越高。kε大于弹性应变安全裕量kεs时，例如kε≥kεs＝0.2，即密封面材料弹性应变量明显大于密封面制造偏差或使用损伤尺寸时，就能保证一定的密封可靠性。现有技术中，油井管特殊螺纹接头密封设计方法中没有考虑应变因素，密封面弹性应变量太小，无法封堵泄露通道。如果密封可靠性要求更高时，可以选取更高的kεs值，例如1.0、2.0等。
同样的，强度参量ky越大，即密封面材料强度越高，密封可靠性就越高。强度参量ky大于对应的强度安全裕量kys时，例如当ky≥kys＝0.2时，就能保证一定的密封可靠性。当然如果密封可靠性要求更高时，可以选取更高的kys值。
在本申请一个实施例中，所述密封性评价参量可以采用下述公式一确定：
Figure GDA0002502145630000101
上式中，kσ可以表示所述接触压应力参量；σe可以表示密封面接触压应力，一般小于金属屈服变形应力，单位是MPa；P可以表示管内被密封气体的压力，单位是MPa；kε可以表示所述弹性应变参量；εe可以表示密封结构或密封面材料的弹性应变量，一般控制在金属弹性变形范围内，单位是％或mm；δ可以表示所述密封面的局部间隙，可以表示密封面粗糙度、缺陷、损伤，以及密封结构圆周不圆度和直径偏差、服役过程中螺纹松动等造成的密封面局部间隙大小，单位是％或mm；ky可以表示所述强度参量；σy可以表示所述密封结构或所述密封面材料的屈服强度，单位是MPa；D可以表示所述密封面的圆周直径，单位是mm；L可以表示所述密封面接触宽度，单位是mm。
确定出油井管的密封性评价参量、密封性安全裕量后，令密封性评价参量大于或等于对应的密封性安全裕量，则可以确定出油井管接头的密封结构满足密封性要求的密封面接触压应力σe、密封结构材料弹性应变量εe、密封结构材料强度σy、密封面接触宽度L的取值范围。
S2、基于所述密封面接触压应力、所述密封结构材料弹性应变量、所述密封结构材料强度，确定所述油井管接头的密封结构的使用材料。
密封面接触压应力σe、密封结构材料弹性应变量εe、密封结构材料强度σy可以表示对密封结构的材料的接触压应力、弹性应变量以及强度等方面的力学性能要求，选择能满足这些力学性能要求的材料作为制造油井管接头的密封结构的使用材料。使用材料能够满足油井管接头的密封结构的力学性能要求，进一步可以确保油井管接头的密封性。
利用上述公式(1)以及获得的密封性安全裕量，如：
Figure GDA0002502145630000111
根据特殊螺纹油井管密封结构的制造水平及使用损伤情况，密封面的局部间隙δ至少达到了0.2％或0.5％以上，可以获得本申请实施例中的油井管接头密封面材料的密封结构材料弹性应变量εe的取值范围：εe可以大于0.5％，甚至应该大于2％、5％等，才能满足相应的安全可靠性。此弹性应变量远大于当前特殊螺纹油井管密封结构的弹性应变量。
密封性材料强度σy的确定过程可以表示为：
Figure GDA0002502145630000112
kys越大，即密封面材料的屈服强度σy越大或密封面接触宽度L越宽，才能确保在管内气体内压作用下密封材料承受的剪应力小于材料屈服强度。但L过大，在油井管的接头上扣连接过程中密封面越容易受到粘着磨损。例如，当管内气体压力P为100MPa，P110级钢管材料屈服屈服强度σy＝758MPa，可以计算得到88.9mm规格油管接头密封面宽度L应达到2.4mm，139.7mm规格套管接头的密封面接触宽度L应达到3.5mm，177.8mm规格油管接头的密封面接触宽度L应达到4.4mm。根据公式(1)和密封性安全裕量，通过合理设置密封面接触宽度L，可以合理选择油井管接头密封结构的材料需要满足的屈服强度要求。
根据公式一和密封性安全裕量，本申请一个实施例中获得的油井管接头密封结构的材料弹性应变量εe设计值应大于0.5％，甚至应该大于2％、5％等，才能保证油气井的安全可靠性。当前油井管钢铁材料的弹性应变量不足0.2％，可能无法实现密封结构的超弹性设计。
在上述实施例的基础上，本申请一个实施例中，使用材料可以选择具有超弹性性能的金属材料，可以选择弹性应变量大于0.5％的超弹性金属材料。超弹性可以表示材料存在一个弹性势能函数，该函数是应变张量的标量函数，其对应变分量的导数是对应的应力分量，在卸载时应变可自动恢复的现象。应力和应变不再是线性对应的关系，而是以弹性能函数的形式一一对应。超弹性金属材料是指弹性应变量大于钢铁材料的弹性应变量。选择具有超弹性性能的金属材料制造密封结构，可以提高油井管接头的密封结构的弹性应变量，进一步提高油井管的接头密封性的可靠性。
本申请一个实施例中，使用材料具体可以选择具有超弹性效应的形状记忆合金。形状记忆合金是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料，即拥有“记忆”效应的合金。有些形状记忆合金不但具有良好的形状记忆效应，还有超弹性，一些形状记忆合金在一定条件下具有超弹性功能。选择具有超弹性性能的形状记忆合金，可以确保制造的密封结构具有较高的弹性应变量，以提高油井管接头密封结构的密封面的过盈量，有效封堵各种泄漏通道，提高油井管的接头密封性的可靠性。
S3、根据所述使用材料的弹性应变量、所述密封面接触宽度确定所述密封结构尺寸，并应用所述使用材料制造所述密封结构。
根据获得的密封面接触宽度L，使用材料的弹性应变量确定密封结构的结构尺寸，然后采用使用材料根据确定的密封结构的结构尺寸，制造密封结构。例如：可以选择具有超弹性的形状记忆合金作为使用材料，制造油井管的接头的密封结构。可以将制造出的密封结构设置在油井管的接头密封处，如可以设置在油井管的螺纹接头的密封面处或者螺纹接头的扭矩台肩处等。
本申请提供的油井管的接头的密封方法，通过对油井管接头的密封结构进行接触压应力、弹性应变以及强度等力学分析，设计密封结构的材料、尺寸，将设计获得的密封结构设置在油井管的接头密封处。密封结构的材料以及尺寸满足油井管的接头密封性的力学要求，添加密封结构的油井管的接头密封面可以产生很大的弹性应变，能够提高油井管的接头密封面的过盈量，提高了油井管的接头的密封可靠性。
在上述实施例的基础上，本申请一个实施例中，所述根据所述使用材料的弹性应变量、所述密封面接触宽度确定所述密封结构的尺寸，并应用所述使用材料制造所述密封结构，可以包括：
所述密封结构包括密封覆合层，可以根据下述公式二确定所述密封覆合层的厚度；
Figure GDA0002502145630000121
根据所述密封覆合层的厚度、所述密封面接触宽度，确定所述密封覆合层的结构尺寸；
利用所述使用材料、所述密封覆合层的结构尺寸制造所述密封覆合层；
上式中，θ可以表示密封面的径向过盈量，Dps可以表示外螺纹接头密封面外径，dbs可以表示内螺纹接头密封面内径，θe可以表示所述使用材料的密封结构的径向过盈量，θs可以表示原有的油井管接头的密封结构的径向变形量，εe可以表示所述使用材料的弹性应变量，t可以表示所述密封覆合层的厚度，εs可以表示所述油井管的原有的接头材料的弹性应变量，D可以表示所述油井管接头的外径和内径的平均值。
本申请实施例还提供一种油井管接头的密封方法，可以使用上述实施例制造获得的密封结构对油井管接头进行密封。
本申请一个实施例中，当采用公式二制造密封覆合层时，则采用下述方法对所述油井管接头进行密封：
根据所述公式二确定外螺纹接头密封面外径、内螺纹接头密封面内径，根据所述外螺纹接头密封面外径、所述内螺纹接头密封面内径确定所述油井管接头的密封结构，所述密封结构包括内螺纹接头、外螺纹接头；
将所述密封覆合层设置在内螺纹接头或外螺纹接头的密封接触面位置处，对所述油井管接头进行密封。
具体地，图4(a)-(c)是本申请一个实施例中带有密封覆合层的油井管接头的结构示意图，图4(a)可以表示油井管的内外螺纹接头的装配示意图，图4(b)可以表示油井管的内螺纹接头的结构示意图，图4(c)可以表示油井管的外螺纹接头的结构示意图，图4(a)-(c)中1可以表示内螺纹接头，2可以表示密封覆合层，3可以表示外螺纹接头，4可以表示密封面，t可以表示密封覆合层的厚度，L可以表示密封面接触宽度，dbs可以表示内螺纹接头密封面内径，Dps可以表示外螺纹接头密封面外径。如图4(a)-(c)所示，油井管接头密封结构的内螺纹接头、外螺纹接头、密封面等。可以包括本申请实施例可以在油井管的接头密封面处设置密封覆合层，密封覆合层的材质可以采用使用材料，密封覆合层以及油井管接头的密封结构如：内螺纹接头、外螺纹接头等的结构尺寸可以采用上述公式二计算获得。
具体地，利用上述实施例可以获得油井管接头的密封结构中使用材料的弹性应变量值εe的取值，油井管的原有的接头材料的弹性应变量εs可以根据油井管的原有材料的力学性能获得，油井管的接头的外径和内径的平均值D可以根据油井管的及接头结构尺寸获得。进一步可以确定出满足上述公式二的油井管的密封覆合层的厚度t、外螺纹接头密封面外径Dps、内螺纹接头密封面内径dbs，即可以获得油井管接头的密封结构的结构尺寸以及密封覆合层的结构尺寸。
例如，本申请一个实施例中，可以取εe＝2％～5％，εs＝0.2％，如果油井管的接头的外径和内径的平均值D为114mm，密封覆合层的厚度设计值t＝1.0～5.0mm，可以计算得θ＝0.25～0.50mm，根据公式二可以确定、外螺纹接头密封面外径Dps、内螺纹接头密封面内径dbs。
确定出油井管接头的密封结构以及密封覆合层的结构尺寸后，可以使用有限元力学模拟方法确定密封覆合层的厚度t、外螺纹接头密封面外径Dps、内螺纹接头密封面内径dbs的制造偏差。可以利用使用材料如形状记忆合金，按照获得的密封覆合层的结构尺寸如：密封覆合层的厚度t、密封面接触宽度L制造密封覆合层，将密封覆合层设置在油井管接头的密封结构的表面。如图4(a)-(b)所示，可以将密封覆合层设置在油井管的内螺纹接头密封位置的内表面，也可以设置外螺纹接头的端部外表面位置处。
本申请实施例中的密封面形状、密封面轴向位置、外螺纹接头密封面外径Dps、密封结构其它尺寸、螺纹形式和尺寸等可以与现有特殊螺纹油井管接头相同。本申请实施例可以在现有特殊螺纹接头的基础上实施，重新设计内螺纹接头密封面内径dbs、密封覆合层的厚度t、密封面的径向过盈量θ，其它结构尺寸都可以不变。操作简单，适用性广，并且通过在油井管的接头密封处设置密封覆合层，可以提高油井管的接头密封处的弹性应变量，进一步提高油井管的接头密封性的可靠性。
本申请一个实施例中，可以采用堆焊、喷涂、电镀、3D打印(也可以称为三维打印)等技术中的一项，根据对油井管进行力学性能分析确定的使用材料覆合在所述油井管接头的密封结构表面，在油井管的接头的密封处形成密封覆合层。结构接单，操作方便。
在上述实施例的基础上，本申请一个实施例中，所述根据所述使用材料的弹性应变量、所述密封面接触宽度确定所述密封结构的尺寸，并应用所述使用材料制造所述密封结构，可以包括：
所述密封结构包括密封圈，根据下述公式三确定所述密封圈的厚度、所述密封圈中部外径；
Figure GDA0002502145630000151
根据所述密封圈的厚度、所述密封面接触宽度，确定所述密封圈的结构尺寸；
利用所述使用材料、所述密封圈的结构尺寸制造所述密封圈；
上式中，θ可以表示密封面的径向过盈量，Dps可以表示外螺纹接头密封面外径，dbs可以表示内螺纹接头密封面内径，θe可以表示所述使用材料的密封结构的径向过盈量，θs可以表示所述油井管原有的接头的密封结构的径向变形量，εe可以表示所述使用材料的弹性应变量，t可以表示所述密封圈的厚度，εs可以表示所述油井管的原有的接头材料的弹性应变量，D可以表示所述油井管的接头的外径和内径的平均值，Ds1可以表示所述密封圈中部外径。
本申请一个实施例中，还提供了一种油井管接头的密封方法，当采用公式三制造密封圈时，则采用下述方法对所述油井管接头进行密封：
根据所述公式三确定外螺纹接头密封面外径、内螺纹接头密封面内径，根据所述外螺纹接头密封面外径、所述内螺纹接头密封面内径确定所述油井管接头的密封结构，所述密封结构包括内螺纹接头、外螺纹接头；
将所述密封圈设置在所述内螺纹接头和所述外螺纹接头之间密封位置的空隙处，即去掉原来密封结构，在原来密封结构处形成空隙，安装所述密封圈，代替原来密封结构，对所述油井管接头进行密封。
具体地，图5(a)-(d)是本申请一个实施例中油井管接头的带有密封圈的密封结构的结构示意图，图5(a)可以表示油井管的内外螺纹接头的装配示意图，图5(b)可以表示油井管的内螺纹接头的结构示意图，图5(c)可以表示密封圈的结构示意图，图5(d)可以表示油井管的外螺纹接头的结构示意图，图5(a)-(d)中1可以表示内螺纹接头，2可以表示密封圈，3可以表示外螺纹接头，L可以表示密封面接触宽度，t可以表示密封圈的厚度，h表示安装所述密封圈的空隙(即去掉原来传统密封结构而形成空隙，用以安装所述密封圈，大小等于内螺纹接头密封面内径dbs与外螺纹接头密封面外径Dps差值的一半)，dbs可以表示内螺纹接头密封面内径，Dps可以表示外螺纹接头密封面外径，Ds1可以表示密封圈中部外径，密封圈中部外径Ds1可以等于内螺纹接头密封面内径dbs。如图5(a)-(d)所示，本申请实施例可以在油井管的接头密封处设置密封圈，密封圈的材质可以采用使用材料，密封圈以及油井管接头的密封结构如：内螺纹接头、外螺纹接头等的结构尺寸可以采用上述公式三计算获得。
具体地，利用上述实施例可以获得油井管接头的密封结构中使用材料的弹性应变量值εe的取值，油井管的原有的接头材料的弹性应变量εs可以根据油井管的原有材料的力学性能获得，油井管的接头的外径和内径的平均值D可以根据油井管接头结构尺寸获得。进一步可以确定出满足上述公式三的油井管的密封圈的厚度t、外螺纹接头密封面外径Dps、内螺纹接头密封面内径dbs、密封圈中部外径Ds1。
例如，本申请一个实施例中，可以取εe＝2％～5％，εs＝0.2％，如果油井管的接头的外径和内径的平均值D为114mm，密封圈的厚度设计值t＝5.0～10.0mm，可以计算得θ＝0.33～0.73mm，根据公式三可以确定外螺纹接头密封面外径Dps、内螺纹接头密封面内径dbs、密封圈中部外径Ds1。
确定出油井管接头的密封结构以及密封圈的结构尺寸后，可以使用有限元力学模拟方法确定密封覆合层的厚度t、外螺纹接头密封面外径Dps、内螺纹接头密封面内径dbs、密封圈中部外径Ds1的制造偏差。可以利用使用材料如形状记忆合金，按照获得的密封圈的结构尺寸如：密封圈的厚度t、密封面接触宽度L、密封圈中部外径Ds1制造密封圈，将密封圈设置在油井管的接头密封处。如图5(a)所示，可以将密封圈设置在油井管的内螺纹接头和外螺纹接头之间密封位置的空隙处。
本申请实施例中的密封圈的放置位置可以与现有油井管的接头密封面设计位置相同，本申请实施例可以在现有特殊螺纹接头的基础上实施，去掉原设计密封结构，重新设计密封面接触宽度L、密封圈尺寸、密封面的径向过盈量θ，其它结构形状与尺寸都可以不变。操作简单，适用性广，并且通过在油井管的接头密封处设置具有超弹性效应的密封圈，代替原来钢铁材料密封结构，可以提高油井管的接头密封处的弹性应变量，进一步提高油井管的接头密封性的可靠性。
在上述实施例的基础上，本申请一个实施例中，所述根据所述使用材料的弹性应变量、所述密封面接触宽度确定所述密封结构的尺寸，并应用所述使用材料制造所述密封结构，可以包括：
所述密封结构包括密封圈，根据下述公式四确定所述密封圈的厚度；
Figure GDA0002502145630000171
根据所述密封圈的厚度、所述密封面接触宽度，确定所述密封圈的结构尺寸；
根据所述使用材料、所述密封圈的结构尺寸制造所述密封圈；
上式中，θ可以表示密封面的过盈量，t可以表示所述密封圈的厚度，h可以表示所述油井管的接头的台肩间隙，θe可以表示所述使用材料的密封结构的过盈量，θs可以表示原有的油井管接头的扭矩台肩的过盈量，εe可以表示所述使用材料的弹性应变量。
在本申请一个实施例中，提供了一种油井管接头的密封方法，当采用公式四制造密封圈时，则采用下述方法对所述油井管接头进行密封：
根据所述公式四确定所述油井管接头的台肩间隙，根据所述油井管接头的台肩间隙确定所述油井管接头的密封结构，所述密封结构还包括内螺纹接头、外螺纹接头；
将所述密封圈设置在所述油井管接头的扭矩台肩位置处，对所述油井管接头进行密封。
具体地，图6是本申请一个实施例中油井管的台肩处带有密封圈的接头密封结构的结构示意图，图6中1可以表示内螺纹接头，2可以表示密封圈，3可以表示外螺纹接头，t可以表示密封圈的厚度，h可以表示密封圈与台肩之间的间隙。如图6所示，本申请实施例可以在油井管的接头密封处设置密封圈，密封圈的材质可以采用使用材料，密封圈以及油井管接头的密封结构如：内螺纹接头、外螺纹接头等的结构尺寸可以采用上述公式四计算获得。
具体地，利用上述实施例可以获得油井管接头的密封结构中使用材料的弹性应变量值εe的取值，θs可以表示无密封圈的原钢铁材料接头扭矩台肩的过盈量，可以根据实际经验或实验获得，例如可以取θs＝0.2～0.5mm。进一步可以确定出满足上述公式四的油井管的密封圈的厚度t、油井管接头的台肩间隙h。
例如，本申请一个实施例中，可以取εe＝2％～5％，θs＝0.2～0.5mm，如果取密封圈的厚度设计值t＝5.0～10.0mm，可以计算得θ＝0.30～1.00mm，根据公式四可以确定油井管的接头的台肩间隙h。
确定出油井管接的密封结构以及密封圈的结构尺寸后，可以使用有限元力学模拟方法确定密封覆合层的厚度t、油井管接头的台肩间隙h的制造偏差。可以利用使用材料如形状记忆合金，按照获得的密封圈的结构尺寸如：密封圈的厚度t、密封面接触宽度L制造密封圈，将密封圈设置在油井管接头的密封处。如图6所示，可以将密封圈设置在油井管接头的扭矩台肩位置处。
本申请实施例中在油井管接头的扭矩台肩处设置密封圈的方法，可以与图5中在油井管的内外螺纹接头的螺纹之间设置密封圈的方法结合使用。操作简单，适用性广，并且通过在油井管的接头密封处设置密封圈，可以提高油井管的接头密封处的弹性应变量，进一步提高油井管的接头密封性的可靠性。
在上述实施例的基础上，本申请一个实施例中，所述根据所述使用材料的弹性应变量、所述密封面接触宽度确定所述密封结构的尺寸，并应用所述使用材料制造所述密封结构，可以包括：
所述密封结构包括密封圈；根据下述公式五确定所述密封圈的厚度；
Figure GDA0002502145630000181
根据所述密封圈的厚度、所述密封面接触宽度，确定所述密封圈的结构尺寸；
利用所述使用材料、所述密封圈的结构尺寸制造所述密封圈；
上式中，θ可以表示密封面的过盈量，t可以表示所述密封圈的厚度，J可以表示所述内螺纹接头(即接箍)与所述外螺纹接头上紧后，两个所述外螺纹接头端部之间距离的一半(即有关标准中规定的油井管接头上紧后接箍中心至外螺纹接头端部的距离)，θe可以表示所述使用材料的密封结构的过盈量，θs可以表示原有的油井管外螺纹接头的过盈量，εe可以表示所述使用材料的弹性应变量。
本申请一个实施例中，提供了一种油井管接头的密封方法，当采用公式五制造密封圈时，则采用下述方法对所述油井管接头进行密封：
根据所述内螺纹接头与所述外螺纹接头上紧后，两个所述外螺纹接头端部之间距离的一半，按照所述公式五确定所述油井管接头的密封结构，所述密封结构还包括内螺纹接头、外螺纹接头；
将所述密封圈设置在所述内螺纹接头与所述外螺纹接头上紧后，两个所述外螺纹接头端部之间的空隙处，对所述油井管接头进行密封。
具体地，图7是本申请一个实施例中油井管的螺纹管端处带有密封圈的接头密封结构的结构示意图，图7中1可以表示内螺纹接头，2可以表示密封圈，3可以表示外螺纹接头，t可以表示密封圈的厚度。如图7所示，本申请实施例可以在油井管接头的密封处设置密封圈，密封圈的材质可以采用所述使用材料，密封圈以及油井管接头的密封结构如：内螺纹接头、外螺纹接头等的结构尺寸可以采用上述公式五计算获得。
具体地，利用上述实施例可以获得油井管接头的密封结构中使用材料的弹性应变量值εe的取值，可以根据实际经验或实验获得，θs可以取外螺纹接头钢铁材料过盈量，例如可以取θs＝0.1～0.2mm，内螺纹接头与外螺纹接头上紧后，两个外螺纹接头端部之间距离J可以通过查阅标准等方式获得。进一步可以确定出满足上述公式五的油井管的密封圈的厚度t。
例如：本申请一个实施例中，可以取εe＝2％～5％，θs＝0.1～0.2mm，API SPEC.5B标准规定J＝12.7mm，那么根据公式(5)计算得θ＝0.60～1.50mm，密封圈厚度t＝26.0～26.8mm。
确定出油井管接头的密封结构以及密封圈的结构尺寸后，可以使用有限元力学模拟方法确定密封覆合层的厚度t的制造偏差。可以利用使用材料如形状记忆合金，按照获得的密封圈的结构尺寸如：密封圈的厚度t、密封面接触宽度L制造密封圈，将密封圈设置在油井管接头的密封处。如图7所示，可以将密封圈设置在油井管内螺纹接头内部的两个外螺纹接头端部空隙处。
本申请实施例中在油井管的内螺纹接头内部的两个外螺纹接头端部空隙处设置密封圈的方法，操作简单，适用性广，并且通过在油井管接头的密封处设置密封圈，可以提高油井管的接头密封处的弹性应变量，进一步提高油井管的接头密封性的可靠性。
图4-图7是不同的油井管接头的密封结构的示意图，可以根据实际使用需要，选择满足使用要求的密封结构以及油井管接头的密封结构的形式，本申请实施例不作具体限定。
上述实施例中的密封面的形状可以是锥面、球面、柱面等，密封圈的形状可以是锥面体、球面体、柱面体等。
在上述实施例的基础上，本申请一个实施例中，所述形状记忆合金的马氏体逆相变结束温度小于钻井操作台环境温度。
图8是本申请一个实施例中形状记忆合金马氏体相变量百分数与温度之间的关系示意图，Ms和Mf可以分别表示马氏体相变起始温度和结束温度。As和Af可以分别表示母相奥氏体相变即马氏体逆相变起始温度和结束温度。当温度下降到Ms后，合金会发生马氏体相变，相反，当温度升高到As后，马氏体会向母相奥氏体转变。形状记忆效应是指材料能够记住它在高温奥氏体母相状态下的形状，即在低温马氏体相所施加的变形，加热到温度As以上转变为高温奥氏体母相而恢复原来形状的特性。
形状记忆合金的马氏体相变不仅可由温度引起，也可以由应力诱发马氏体相变。图9是本申请实施例中各温度下形状记忆合金应力诱发马氏体相变与逆相变示意图，图中横坐标中的各个参数如：Mf、Ms、T1、T2等可以表示温度值，σMs1、σMf1、σMs2、σMf2、σAf2、σAs2可以表示应力值。在环境温度T1低于母相奥氏体开始转变温度As情况下，当应力超过σMs1就会发生应力诱发马氏体相变，即使应力消失，由于没有发生奥氏体相变，所以合金仍然存在残余应变，但如果把合金加热到As以上，奥氏体相变发生，合金残余应变消失，恢复到原来形状，这也属于形状记忆效应，不属于超弹性效应。
但在环境温度T2高于形状记忆合金马氏体逆相变终了转变温度Af情况下，如图9所示，即在母相奥氏体状态下，合金在外力作用下变形，当外力大于应力σMs2时，就会发生应力诱发马氏体相变，随着应力与应变增大，马氏体量逐渐增多，直到应力达到σMf2马氏体转变完成。相反当应力减少到σAs2时，马氏体又会向母相奥氏体转变，形变也随之开始消失，直到应力减少到零时，合金形状恢复到原母相奥氏体状态。由于这个形变远大于其它一般合金的弹性极限量，因此称为超弹性，又被称为伪弹性。一些形状记忆合金的超弹性应变量可达7％～8％或更高，远远超过一般金属材料的弹性应变(不超过0.5％)。本申请实施例利用形状记忆合金的超弹性功能设计油井管接头的密封结构，本申请实施例设计的油井管接头密封面金属弹性应变量可达1％～6％，密封面金属过盈量大幅度提高。一些形状记忆合金的屈服强度与制造油井管的钢铁材料相近，本申请实施例中的油井管接头密封面接触压应力同时可以达到油井管接头本体钢铁材料屈服强度80％以上。
超弹性是形状记忆合金最重要力学性能之一，但并非所有形状记忆合金都有这个功能，即使有也不一定适用于油井管接头。
图10是本申请实施例中形状记忆合金的应力应变滞后环线示意图，本申请实施例形状记忆合金的马氏体逆相变结束温度Af低于钻井操作台环境温度T2，在油井管螺纹接头上扣连接过程中，随着上扣圈数和扭矩的增多，密封面合金接触压应力由0逐渐增高，并产生弹性应变(见图10直线段0-MS2)。随着上扣扭矩的增加，当接触应力达到图9的σMs2时，密封面合金发生马氏体相变，产生伪弹性应变(见图10曲线段Ms2-Mf2)。如果接触压应力超过图9的Mf2，则马氏体转变完成，进入马氏体加载阶段，合金发生弹性应变(见图10直线段Mf2-σy)，直到接触压应力达到屈服强度σy，发生塑性变形。本申请实施例可以将接触压应力控制到Mf2上下即可，最大不超过合金屈服强度σy。当油井管螺纹接头卸扣时，随着扭矩的下降，密封面合金接触压应力逐渐减少，在应力降到图9的σMs2以前，合金材料表现为弹性卸载特性，当接触应力降到图9的σAs2时，密封面合金发生奥氏体相变，产生非线性应变回复(见图10曲线段As2-Af2)。当接触压应力降到图9的σAf2，合金全部转变为奥氏体，合金又表现为奥氏体弹性卸载性能(见图10直线段σe)，直到接触压应力达到0，应变也回复到0，残余应变为0。合金这种特性就是相变伪弹性，被称为超弹性，相应的应力应变曲线如图10的“小旗帜”形状的滞后环曲线。超弹性形状记忆合金的可回复应变可以达到8％。
如果油井管在下井过程或在井下服役过程中，因倒扣或振动等各种因素发生螺纹松动，密封面压应力减少，形状记忆合金材料会发生马氏体逆相变即奥氏体相变，产生应变回复，确保密封面始终密切接触，封堵泄露通道。采用形状记忆合金制造密封覆合层或密封圈设置在油井管的接头密封处，可以利用形状记忆合金的超弹性和形状记忆效应，提高油井管的接头密封性能的可靠性。
在本申请一个实施例中，所述形状记忆合金在钻井操作台环境温度时，满足以下条件：
所述形状记忆合金诱发马氏体相变的临界压应力σMs是所述油井管钢铁材料屈服强度的40％～100％；
压应力作用下所述形状记忆合金的最大可回复应变量(即超弹性应变量)应大于4％；
所述形状记忆合金的最大可回复应变对应的压应力大于所述油井管钢铁材料屈服强度的50％，卸载后所述形状记忆合金的残余应变等于0％；
所述形状记忆合金的屈服强度σy(也可以称作滑移变形临界应力)大于所述油井管钢铁材料屈服强度的60％。
本申请一个实施例中，所述形状记忆合金在井下温度范围内时，满足以下条件：
所述形状记忆合金诱发马氏体相变的临界压应力是所述油井管钢铁材料屈服强度的45％～100％；
压应力作用下所述形状记忆合金的最大可回复应变量(即超弹性应变量)应大于2％；
所述形状记忆合金最大可回复应变对应的压应力大于所述油井管钢铁材料屈服强度的55％，卸载后所述形状记忆合金的残余应变小于0.5％；
所述形状记忆合金的屈服强度大于所述油井管钢铁材料屈服强度的60％。
采用上述实施例中对形状记忆合金的性能要求，选取在钻台环境温度和井下温度下，满足对应要求的形状记忆合金作为使用材料制造密封结构，将密封结构设置在油井管的接头密封处，可以确保油井管接头的密封结构在工作环境中能够时刻保证密封性能的可靠性。油井管在井下服役过程中，温度升高，密封面材料也会发生马氏体逆相变即奥氏体相变，产生应变回复，密封面接触会更紧密。如果需要修井，油管起出地面，温度重新升到地面环境温度，当螺纹接头卸扣分离后，密封面压应力降到0，应变也几乎恢复到0，残余应变几乎为0，该油管仍然可以再次投入使用。
下面结合具体示例介绍本申请的实施方案：
井下天然气压力P＝90Mpa，选用特殊螺纹油管规格为88.9mm，壁厚7.34mm，钢级P110。
设计步骤1：设计密封面接触压应力σe、密封结构材料弹性应变量εe、密封结构或密封面材料的屈服强度σy及密封面接触宽度L。根据经验，确定密封性设计密封性安全裕量，其中接触压应力安全裕量kσs＝5.0、弹性应变安全裕量kεs＝1.0、强度安全裕量kys＝0.2。那么密封面接触压应力σe应满足
Figure GDA0002502145630000221
密封结构或密封面
材料的应变量εe应满足
Figure GDA0002502145630000222
密封结构或密封面材料的屈服强度σy及密封面接触宽度L应满足
Figure GDA0002502145630000223
其中，已知密封气体压力P＝90MPa，密封圆面直径D＝80mm，选用的密封结构或密封面材料的强度σy等于油井管钢级P110的85％，即σy＝640MPa，根据密封面制造偏差及井下管柱振动因素，取密封面可能出现泄露间隙δ＝1.0％。可以计算得密封面接触压应力应σe≥500MPa，密封结构材料弹性应变量应εe≥2％，密封面接触宽度应L≥2.2mm，才能确保该油管接头具有足够的密封性。
设计步骤2：优选实现密封结构超弹性设计的使用材料
根据步骤1设计结果，密封结构材料弹性应变量应εe≥2％，制造油井管的钢铁材料不满足这个要求，本申请实施例可以选择TiNi系形状记忆合金的超弹性效应实现油井管接头密封结构的超弹性应变设计。TiNi系合金是典型的形状记忆合金，在温度Af(马氏体逆相变结束温度)以上，由于应力诱发产生的马氏体只在应力作用下才能稳定地存在，应力一旦解除，立即产生逆相变，回到母相奥氏体状态。在应力作用下产生的宏观变形也随逆相变而完全消失，其中应力与应变的关系表现出明显的非线性，这种非线性弹性和相变密切相关，所以叫做相变伪弹性，同时合金的可恢复应变量达7％～8％或更高，远远超过一般金属材料的弹性应变(约0.2％)，因此也称超弹性，可见TiNi合金具有比一般金属5到10倍的表观弹性范围。
本申请实施例具体可以选用Ti-50.7at％Ni合金，该合金的马氏体逆相变结束温度(即母相奥氏体转变结束温度)Af为8℃，即在钻台环境温度时该合金显微组织是母相奥氏体。
Ti-50.7at％Ni合金在20℃时，(1)诱发马氏体相变的临界压应力σMs＝400Mpa；(2)压应力作用下合金的超弹性应变量(也称最大可回复应变量)为4.5～5.5％，最大可回复应变对应的压应力达到了650MPa，对应残余应变εR为0％；(3)合金屈服强度σy(也称滑移变形临界应力)达到了650MPa。
Ti-50.7at％Ni合金在100℃时，(1)合金诱发马氏体相变的临界压应力σMs＝600Mpa；(2)压应力作用下合金的超弹性应变量(也称最大可回复应变量)为2～3％，最大可回复应变对应的压应力应达到了700MPa，对应的残余应变εR小于0.5％；(3)合金屈服强度σy(也称滑移变形临界应力)达到了900MPa。
设计步骤3：选择超弹性合金密封结构的制造方法，进行结构与尺寸设计。
示例一、应用堆焊或3D打印等增材制造技术将超弹性形状记忆合金制造密封覆合层，将密封覆合层覆合在油井管接头密封结构表面，形成图4所示的密封结构。
根据步骤1、步骤2设计结果，超弹性形状记忆合金的密封覆合层宽度L≥2.2mm，可以取值L＝3～10mm，超弹性形状记忆合金应变量为εe＝4％；εs是油井管接头本体钢铁材料弹性形变量，可以取εs＝0.2％；油井管接头外径与内径的平均值近似等于油管管体外径或密封圆面直径D＝80mm。如果超弹性形状记忆合金的密封覆合层厚度取值t＝3.0mm，那么密封面径向过盈量为θ＝θe+θs＝εet+εsD＝0.30mm，外螺纹接头密封面外径与现有的TGRC特殊螺纹外螺纹接头相同，即Dps＝80mm，根据
Figure GDA0002502145630000231
计算得到内螺纹接头密封面内径dbs＝79.4mm。然后用有限元力学模拟方法确定t、Dps及dbs制造偏差。密封面形状、密封面轴向位置、密封结构其它尺寸、螺纹形式和尺寸等可以与现有TGRC特殊螺纹油井管接头相同。TGRC特殊螺纹是中国石油集团石油管工程技术研究院设计开发的一种油井管螺纹。
示例二、应用超弹性形状记忆合金密封环设计与制造技术，形成图5所示的密封结构，实现油井管接头密封。
根据步骤1、步骤2设计结果，超弹性形状记忆合金密封环宽度应L≥2.2mm，可以取L＝3～8mm，超弹性形状记忆合金弹性应变量为εe＝4％；εs是油井管接头本体钢铁材料弹性形变量，可以取εs＝0.2％；油井管接头外径与内径的平均值近似取值D＝80mm。如果超弹性形状记忆合金密封圈厚度取值t＝3.0mm，那么密封面径向过盈量为θ＝θe+θs＝εet+εsD＝0.30mm。外螺纹接头密封面外径Dps与现有TGRC特殊螺纹基本相同，即Dps＝80mm，则根据
Figure GDA0002502145630000241
得内螺纹接头密封面内径dbs＝85.4mm。密封圈中部外径Dsl等于内螺纹接头密封面内径dbs，即Ds1＝dbs＝85.4mm。密封圈可以为椎体，即密封圈内外表面为锥面，内螺纹接头密封面为锥面，外螺纹接头密封面是球面。然后用有限元力学模拟方法确定t、Ds1、Dps及dbs制造偏差。密封圈放置位置、密封结构其它尺寸、螺纹形式和尺寸等与现有TGRC特殊螺纹油井管接头相同。
示例三、如图6所示，在扭矩台肩位置放置Ti-50.7at％Ni超弹性形状记忆合金密封圈，Ti-50.7at％Ni超弹性形状记忆合金应变量εe＝4％；没有密封圈时的接头扭矩台肩过盈量θs＝0.3mm。根据公式：θ＝t-h＝θe+θs＝εet+θs，如果密封圈厚度取值t＝3.0mm，可以计算得放置密封圈的台肩间隙h＝2.58mm。最后用有限元力学模拟方法确定t、h的制造偏差。扭矩台肩密封圈方法可以与超弹性合金复合层或圈密封方法同时使用。
示例四、如图7所示，在油井管接箍即内螺纹接头内的两个外螺纹接头的端部之间放置超弹性合金密封圈，密封圈厚度t及其与外螺纹接头的管端间距(API SPEC.5B标准规定的J值)的差值θ应满足公式：θ＝t-2J＝θe+θs，超弹性合金过盈量θe＝εet，εe是超弹性应变量设计值，取εe＝4％。θs是外螺纹接头钢铁材料过盈量，取值θs＝0.2mm。API SPEC.5B标准规定J＝12.7mm，那么计算得θ＝1.2mm，密封圈厚度t＝26.6mm。最后用有限元力学模拟方法确定t的制造偏差。
特殊螺纹油井管接头密封面存在粗糙度、制造偏差，在下井连接过程中碰伤或上扣扭矩不足，在井下服役中管柱振动可能导致松扣等，都会在密封面上形成泄露通道。当前特殊螺纹油井管接头的密封设计中主要进行接触压应力设计和计算，接触压应力限定在材料屈服强度以内，即密封面金属过盈量控制在金属弹性应变范围内，现有油井管螺纹接头都是钢铁材料制成，其弹性应变量小于0.2％，如此小的应变量或过盈量无法封堵一些较大的泄露通道。
本申请实施例提出了油井管接头密封结构的超弹性应变设计与制造方法，其中包括油井管接头密封性评价数学模型及失效判据，密封结构超弹性应变设计和制造方法，用于制造密封结构的超弹性形状记忆合金的选择方法等。
本申请实施例提供的油井管在上扣连接后，密封面金属会产生1％～6％的弹性应变，明显高于当前传统油井管接头密封结构的应变量，显著提高密封面过盈量，有效封堵各种泄露通道，显著提高密封可靠性。如果本申请实施例提供的在下入井过程或在井下服役过程中，因倒扣或振动等各种因素发生螺纹松动，密封面材料会发生马氏体逆相变即奥氏体相变，产生应变回复，始终确保密封面密切接触，封堵泄露通道。本申请实施例提供的油井管在下入井后，温度升高，密封面材料会发生马氏体逆相变即奥氏体相变，产生应变回复，密封面接触会更紧密，密封性更高。如果需要修井，本申请实施例提供的井管起出地面，当螺纹接头卸扣分离后，密封面应变消失，几何形状及尺寸恢复原状，该油井管可以再次投入使用。
本申请实施例提供的油井管接头的密封结构，可以使用超弹性形状记忆合金制造，该合金在加、卸载过程中，材料能够吸收许多能量，表现出阻尼特性，应力-应变关系出现迟滞效应，能够阻碍油井管螺纹接头的振动松扣，进一步提高油井管的结构完整性和密封完整性。
本申请实施例提供的油井管接头的密封结构，可以使用超弹性形状记忆合金制造，弹性应变可以达6％～8％，合金上的微凸体与摩擦件受力接触时会发生弹性变形，增大了表面的受力面积，分离时又恢复到接触前的形状和尺寸，不会发生冷焊或热焊，即超弹性为磨面带来了“自适应”能力，故磨面损伤较小。从微观上看，合金在外力作用下，应力诱发马氏体相变，外力去除后，发生马氏体逆相变，这种相结构变化可有效消耗外力，使合金表面应力均匀分布，具有缓解裂纹尖端的应力集中、阻碍了裂纹扩展的作用，从而降低合金的磨损程度。所以按照本发明选择的超弹性形状记忆合金会提高密封面耐磨性能，进一步保证了油井管的密封性。
本申请实施例还提供了一种油井管接头的密封性评价方法，包括：
获取所述油井管的密封评价参量，所述密封性评价参量包括：接触压应力参量、弹性应变参量、强度参量；
若所述接触压应力参量、所述弹性应变参量、所述强度参量均大于零，则确定所述油井管接头具有密封性；
若所述接触压应力参量、所述弹性应变参量、所述强度参量中至少一个小于等于零，则确定所述油井管接头的密封性失效。
具体地，密封性评价参量的具体表达方式可以参考上述实施例如公式一，此处不再赘述。如果密封面压应力σe值不足，或各种因素导致密封面压应力下降，导致密封面接触压应力σe小于油井管内被密封气体的压力P时，气体将撑开密封面，形成泄漏通道，发生泄漏。由于油井管接头的密封结构的密封面存在粗糙度及制造偏差、在接头上卸扣时可能发生损伤、在服役过程中螺纹可能松动等各种因素，密封面局部会出现间隙δ，即使密封面压应力足够，但如果密封面材料弹性应变量εe过小，那么密封面不能全面接触，封堵间隙δ，就会形成泄漏通道，发生密封失效。密封面接触宽度范围的材料必须有足够的结构强度，以确保密封结构能承受管内流体压力而不发生强度破坏。如果密封面材料屈服强度或接触宽度L不足，在管内气体压力作用下，剪应力大于材料屈服强度σy，密封面接触宽度范围内的材料就会发生剪切屈服变形或断裂，发生泄露。只要上述接触压应力参量kσ、弹性应变参量kε、强度参量ky导致密封通道形成，密封就会失效。
例如：本申请一个示例中提供的特殊螺纹油管规格为88.9mm，壁厚7.34mm，钢级P110，油管内天然气压力P＝90MPa。根据厂家提供了密封结构参数，用有限元力学分析方法计算得密封面接触压应力σe＝650MPa；密封面材料是钢材料,最大弹性应变量εe＝0.2％；δ是密封圆周的不圆度、直径偏差、表面粗糙度、以及表面涂层缺陷、损伤等造成的密封面几何尺寸偏差或缺陷大小，单位是％或mm；密封面材料的屈服强度σy＝758MPa；密封面圆周直径D＝80mm；密封面接触宽度L＝1.5～2.5mm；密封结构或密封面材料弹性应变量为εe≤0.2％；密封面粗糙度设计值为Ra≤3.2。密封圆周面外径不圆度设计值不大于0.2％，密封圆周直径设计偏差±0.1mm(对于88.9mm规格油管，相当0.2％直径偏差)，根据该油管实际生产控制偏差和质量检验数据得δ≤0.18％。
利用上述公式(1)可以计算获得各个密封性评价参量的取值，进一步获得密封性评价参量k＝kσkεky＝0.18＞0，说明油井管的管柱服役初期具有一定密封性。其中可以计算得密封面接触压应力因素分参量
Figure GDA0002502145630000261
安全余量很大；密封结构或密封面材料结构强度因素分参量
Figure GDA0002502145630000262
有一定的安全余量；密封结构或密封面弹性应变因素分参量
Figure GDA0002502145630000263
该安全余量过小。并且，由于管体壁厚存在不均度(不大于10％)，因此在管柱服役过程中接头密封圆周面外径不圆度可能会逐渐大于0.2％，密封圆周直径偏差值可能超过±0.1mm，特别是管柱在井下服役过程中会发生振动，接头可能会发生松动。所以，在管柱服役过程中密封面局部可能出现超过δ≥0.2％的间隙，在服役一段时间后密封性评价参量可能变小到密封性评价参量k≤0，管柱将失去密封性。实际应用情况表明，该油管的实验室密封评价结果符合要求，在井下服役的前几年没有泄露发生，但在服役几年后，一些油管柱发生泄漏，井筒带压运行。
利用本申请实施例提供的油井管的接头结构的密封性评价方法，可以分析油井管接头的密封结构的密封性能的可靠性，为油井管接头的密封结构的设计奠定了理论基础。
本申请实施例还提供了一种油井管接头的设计方法，可以使用上述实施例中制造油井管接头的密封结构中获得的所述使用材料、所述密封结构材料弹性应变量、所述密封面接触宽度设计所述密封结构的材料以及结构尺寸等。具体设计油井管接头的密封结构的方法可以参考上述实施例中油井管接头的制造方法、密封性评价方法、密封结构等进行，此处不再赘述。
本申请实施例还提供了一种油井管接头的密封装置，如图4-7所示，油井管接头的密封结构包括外螺纹接头、内螺纹接头、密封结构，所述密封结构设置在所述外螺纹接头以及所述内螺纹接头的接头密封处，所述密封结构的材质为所述使用材料。密封结构可以包括密封覆合层、密封圈等结构，使用材料可以使用具有超弹性性能的金属材料如：具有超弹性性能的形状记忆合金。
本申请实施例提供的油井管接头的密封结构，利用了使用材料的超弹性性能，提高了油井管接头的密封结构的弹性应变量等力学性能，进一步提高了油井管的接头的密封性能的可靠性。
需要说明的，上述所述的实施例提供的公式仅仅是一种示例，可以根据实际需要进行调整、变换等，本申请实施例不作具体限定。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
本说明书实施例提供的上述油井管的接头的密封方法的部分步骤如力学分析，以及油井管的接头结构的密封性评价方法可以在计算机中由处理器执行相应的程序指令来实现，如使用windows操作***的c++语言在PC端实现、linux***实现，或其他例如使用android、iOS***程序设计语言在智能终端实现，以及基于量子计算机的处理逻辑实现等。
具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、车载人机交互设备、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
虽然本说明书一个或多个实施例提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或终端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本说明书一个或多个时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块或子单元的组合实现等。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、装置(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储、石墨烯存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
本领域技术人员应明白，本说明书一个或多个实施例可提供为方法、***或计算机程序产品。因此，本说明书一个或多个实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书一个或多个实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的实施例而已，并不用于限制本本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在权利要求范围之内。

Claims (21)

1.一种油井管接头的密封结构的制造方法，其特征在于，包括：
根据油井管的密封性评价参量大于等于对应的密封性安全裕量的预设规则，确定所述油井管的密封面接触压应力、密封结构材料弹性应变量、密封结构材料强度、密封面接触宽度，所述密封性评价参量包括接触压应力参量、弹性应变参量、强度参量，所述密封性安全裕量包括接触压应力安全裕量、弹性应变安全裕量、强度安全裕量；
基于所述密封面接触压应力、所述密封结构材料弹性应变量、所述密封结构材料强度，确定所述油井管接头的密封结构的使用材料；
根据所述使用材料的弹性应变量、所述密封面接触宽度确定所述密封结构的尺寸，并应用所述使用材料制造所述密封结构；
其中，利用下述公式一确定所述密封性评价参量：
Figure FDA0002523783560000011
上式中，kσ表示所述接触压应力参量，σe表示密封面接触压应力，P表示管内被密封气体的压力，kε表示所述弹性应变参量，εe表示密封结构或密封面材料的弹性应变量，δ表示所述密封面的局部间隙，ky表示所述强度参量，σy表示所述密封结构或所述密封面材料的屈服强度，D表示所述密封面的圆周直径，L表示所述密封面接触宽度。
2.如权利要求1所述的一种油井管接头的密封结构的制造方法，其特征在于，所述根据所述使用材料的弹性应变量、所述密封面接触宽度确定所述密封结构的尺寸，并应用所述使用材料制造所述密封结构，包括：
所述密封结构包括密封覆合层；其中，
根据公式二
Figure FDA0002523783560000021
确定所述密封覆合层的厚度；
根据所述密封覆合层的厚度、所述密封面接触宽度，确定所述密封覆合层的结构尺寸；
利用所述使用材料、所述密封覆合层的结构尺寸制造所述密封覆合层；
上式中，θ表示密封面的径向过盈量，Dps表示外螺纹接头密封面外径，dbs表示内螺纹接头密封面内径，θe表示所述使用材料的密封结构的径向过盈量，θs表示原有的油井管接头的密封结构的径向变形量，εe表示所述使用材料的弹性应变量，t表示所述密封覆合层的厚度，εs表示所述油井管的原有的接头材料的弹性应变量，D表示所述油井管接头的外径和内径的平均值。
3.如权利要求2所述的一种油井管接头的密封结构的制造方法，其特征在于，所述根据所述使用材料、所述密封覆合层的结构尺寸制造所述密封覆合层，包括：
采用堆焊、喷涂、电镀、3D打印中的任意一项技术，利用所述使用材料按照所述密封覆合层的结构尺寸制造所述密封覆合层。
4.如权利要求1所述的一种油井管接头的密封结构的制造方法，其特征在于，所述根据所述使用材料的弹性应变量、所述密封面接触宽度确定所述密封结构的尺寸，并应用所述使用材料制造所述密封结构，包括：
所述密封结构包括密封圈；其中，
根据公式三
Figure FDA0002523783560000022
确定所述密封圈的厚度、所述密封圈中部外径；
根据所述密封圈的厚度、所述密封面接触宽度，确定所述密封圈的结构尺寸；
利用所述使用材料、所述密封圈的结构尺寸制造所述密封圈；
上式中，θ表示密封面的径向过盈量，Dps表示外螺纹接头密封面外径，dbs表示内螺纹接头密封面内径，θe表示所述使用材料的密封结构的径向过盈量，θs表示原有的油井管接头的密封结构的径向变形量，εe表示所述使用材料的弹性应变量，t表示所述密封圈的厚度，εs表示原有的油井管接头材料的弹性应变量，D表示所述油井管接头的外径和内径的平均值，Ds1表示所述密封圈中部外径。
5.如权利要求1所述的一种油井管接头的密封结构的制造方法，其特征在于，所述根据所述使用材料的弹性应变量、所述密封面接触宽度确定所述密封结构的尺寸，并应用所述使用材料制造所述密封结构，包括：
所述密封结构包括密封圈；其中，
根据公式四
Figure FDA0002523783560000031
确定所述密封圈的厚度；
根据所述密封圈的厚度、所述密封面接触宽度，确定所述密封圈的结构尺寸；
根据所述使用材料、所述密封圈的结构尺寸制造所述密封圈；
上式中，θ表示密封面的过盈量，t表示所述密封圈的厚度，h表示所述油井管接头的台肩间隙，θe表示所述使用材料的密封结构的过盈量，θs表示原有的油井管接头的扭矩台肩的过盈量，εe表示所述使用材料的弹性应变量值。
6.如权利要求1所述的一种油井管接头的密封结构的制造方法，其特征在于，所述根据所述使用材料的弹性应变量、所述密封面接触宽度确定所述密封结构的尺寸，并应用所述使用材料制造所述密封结构，包括：
所述密封结构包括密封圈；其中，
根据公式五
Figure FDA0002523783560000032
确定所述密封圈的厚度；
根据所述密封圈的厚度、所述密封面接触宽度，确定所述密封圈的结构尺寸；
根据所述使用材料、所述密封圈的结构尺寸制造所述密封圈；
上式中，θ表示密封面的过盈量，t表示所述密封圈的厚度，J表示内螺纹接头与两个外螺纹接头上紧后，两个所述外螺纹接头端部之间距离的一半，θe表示所述使用材料的密封结构的过盈量，θs表示原有的所述油井管外螺纹接头的过盈量，εe表示所述使用材料的弹性应变量。
7.如权利要求1-6任一项所述的一种油井管接头的密封结构的制造方法，其特征在于，所述使用材料的材料弹性应变量大于0.5％。
8.如权利要求7所述的一种油井管接头的密封结构的制造方法，其特征在于，所述使用材料包括弹性应变量大于0.5％的超弹性金属材料。
9.如权利要求1所述的一种油井管接头的密封结构的制造方法，其特征在于，所述使用材料包括具有超弹性效应的形状记忆合金。
10.如权利要求9所述的一种油井管接头的密封结构的制造方法，其特征在于，所述形状记忆合金的马氏体逆相变结束温度小于钻井操作台环境温度。
11.如权利要求9所述的一种油井管接头的密封结构的制造方法，其特征在于，所述形状记忆合金在钻井操作台环境温度时，满足以下条件：
所述形状记忆合金诱发马氏体相变的临界压应力是所述油井管钢铁材料屈服强度的40％～100％；
压应力作用下所述形状记忆合金的最大可回复应变量大于4％；
所述形状记忆合金的最大可回复应变对应的压应力大于所述油井管钢铁材料屈服强度的50％，卸载后所述形状记忆合金的残余应变等于0％；
所述形状记忆合金的屈服强度大于所述油井管钢铁材料屈服强度的60％。
12.如权利要求9所述的一种油井管接头的密封结构的制造方法，其特征在于，所述形状记忆合金在井下温度范围内时，满足以下条件：
所述形状记忆合金诱发马氏体相变的临界压应力是所述油井管钢铁材料屈服强度的45％～100％；
压应力作用下所述形状记忆合金的最大可回复应变量大于2％；
所述形状记忆合金最大可回复应变对应的压应力大于所述油井管钢铁材料屈服强度的55％，卸载后所述形状记忆合金的残余应变小于0.5％；
所述形状记忆合金的屈服强度大于所述油井管钢铁材料屈服强度的60％。
13.一种油井管接头的密封结构，其特征在于，包括：应用权利要求1-12任一项所述的油井管接头的密封结构的制造方法获得的密封结构。
14.一种油井管接头的密封方法，其特征在于，包括：使用权利要求13的密封结构对所述油井管接头进行密封。
15.如权利要求14所述的一种油井管接头的密封方法，其特征在于，当采用公式二制造密封覆合层时，则采用下述方法对所述油井管接头进行密封：
根据所述公式二确定外螺纹接头密封面外径、内螺纹接头密封面内径，根据所述外螺纹接头密封面外径、所述内螺纹接头密封面内径确定所述油井管接头的密封结构，所述密封结构还包括内螺纹接头、外螺纹接头；
将所述密封覆合层设置在内螺纹接头或外螺纹接头的密封接触面位置处，对所述油井管接头进行密封。
16.如权利要求14所述的一种油井管接头的密封方法，其特征在于，当采用公式三制造密封圈时，则采用下述方法对所述油井管接头进行密封：
根据所述公式三确定外螺纹接头密封面外径、内螺纹接头密封面内径，根据所述外螺纹接头密封面外径、所述内螺纹接头密封面内径确定所述油井管接头的密封结构，所述密封结构还包括内螺纹接头、外螺纹接头；
将所述密封圈设置在所述内螺纹接头与所述外螺纹接头之间的空隙处，对所述油井管接头进行密封。
17.如权利要求14所述的一种油井管接头的密封方法，其特征在于，当采用公式四制造密封圈时，则采用下述方法对所述油井管接头进行密封：
根据所述公式四确定所述油井管接头的台肩间隙，根据所述油井管接头的台肩间隙确定所述油井管接头的密封结构，所述密封结构还包括内螺纹接头、外螺纹接头；
将所述密封圈设置在所述油井管接头的台肩间隙内，对所述油井管接头进行密封。
18.如权利要求14所述的一种油井管接头的密封方法，其特征在于，当采用公式五制造密封圈时，则采用下述方法对所述油井管接头进行密封：
根据内螺纹接头与两个外螺纹接头上紧后，两个所述外螺纹接头端部之间距离的一半，按照所述公式五确定所述油井管接头的密封结构，所述密封结构还包括所述内螺纹接头、所述外螺纹接头；
将所述密封圈设置在所述内螺纹接头与两个所述外螺纹接头上紧后，两个所述外螺纹接头端部之间的间隙处，对所述油井管接头进行密封。
19.一种油井管接头的密封性评价方法，其特征在于，包括：
获取所述油井管的密封评价参量，所述密封性评价参量包括：接触压应力参量、弹性应变参量、强度参量；
若所述接触压应力参量、所述弹性应变参量、所述强度参量均大于零，则确定所述油井管接头具有密封性；
若所述接触压应力参量、所述弹性应变参量、所述强度参量中至少一个小于等于零，则确定所述油井管接头的密封性失效；
其中，利用下述公式一确定所述密封性评价参量：
Figure FDA0002523783560000061
上式中，kσ表示所述接触压应力参量，σe表示密封面接触压应力，P表示管内被密封气体的压力，kε表示所述弹性应变参量，εe表示密封结构或密封面材料的弹性应变量，δ表示所述密封面的局部间隙，ky表示所述强度参量，σy表示所述密封结构或所述密封面材料的屈服强度，D表示所述密封面的圆周直径，L表示所述密封面接触宽度。
20.一种油井管接头的设计方法，其特征在于，包括：应用权利要求1-12任意一项权利要求获得的所述使用材料、所述密封结构材料弹性应变量、所述密封面接触宽度设计所述密封结构。
21.一种油井管接头的密封装置，其特征在于，包括：外螺纹接头、内螺纹接头、应用权利要求1-12任意一项所述的油井管接头的密封结构制造方法获得的密封结构，所述密封结构设置在所述外螺纹接头以及所述内螺纹接头的密封处，所述密封结构的材质为所述使用材料。
CN201810250603.5A 2018-03-26 2018-03-26 油井管接头的密封结构的设计与制造方法、密封方法 Active CN110359858B (zh)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810250603.5A CN110359858B (zh) 2018-03-26 2018-03-26 油井管接头的密封结构的设计与制造方法、密封方法
PCT/CN2018/122501 WO2019184470A1 (zh) 2018-03-26 2018-12-21 油井管接头的密封结构制造参量的确定方法、密封方法
EP18911643.7A EP3779116B1 (en) 2018-03-26 2018-12-21 Method for determining manufacturing parameters of sealing structure of oil well pipe joint, and sealing method
CN201880003925.8A CN110678623B (zh) 2018-03-26 2018-12-21 油井管接头的密封结构制造参量的确定方法、密封方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810250603.5A CN110359858B (zh) 2018-03-26 2018-03-26 油井管接头的密封结构的设计与制造方法、密封方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110359858A CN110359858A (zh) 2019-10-22
CN110359858B true CN110359858B (zh) 2020-09-04

Family

ID=68062212

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810250603.5A Active CN110359858B (zh) 2018-03-26 2018-03-26 油井管接头的密封结构的设计与制造方法、密封方法
CN201880003925.8A Active CN110678623B (zh) 2018-03-26 2018-12-21 油井管接头的密封结构制造参量的确定方法、密封方法

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880003925.8A Active CN110678623B (zh) 2018-03-26 2018-12-21 油井管接头的密封结构制造参量的确定方法、密封方法

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3779116B1 (zh)
CN (2) CN110359858B (zh)
WO (1) WO2019184470A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110359858B (zh) * 2018-03-26 2020-09-04 中国石油天然气集团有限公司 油井管接头的密封结构的设计与制造方法、密封方法
CN113565448A (zh) * 2020-04-28 2021-10-29 宝山钢铁股份有限公司 一种内衬复合油井管的弹性气密封结构
CN111872385B (zh) * 2020-06-30 2022-06-03 中国石油天然气集团有限公司 一种双金属复合油井管螺纹接头的局部增材制造方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02243897A (ja) * 1988-10-03 1990-09-27 Dalmine Spa 気密性金属パイプ継手
EP0672817A1 (en) * 1994-03-17 1995-09-20 Halliburton Company Gas impermeable static seal
CN1130739A (zh) * 1994-10-19 1996-09-11 住友金属工业株式会社 管用螺纹接头
FR2863030A1 (fr) * 2003-11-28 2005-06-03 Vallourec Mannesmann Oil & Gas Realisation, par expansion plastique, d'un joint tubulaire etanche avec surface(s) de butee inclinee(s)
MX2012001485A (es) * 2011-02-02 2012-08-31 Tenaris Connections Ltd Conexiones para tuberias con revestimiento interno y metodos de ajuste relacionados.
CN202946041U (zh) * 2012-12-12 2013-05-22 衡阳华菱钢管有限公司 气密封锯齿形油井管螺纹接头结构
CN203702015U (zh) * 2013-08-30 2014-07-09 宝山钢铁股份有限公司 一种用于油井管的气密封连接结构
CN204252853U (zh) * 2014-11-21 2015-04-08 江苏常宝普莱森钢管有限公司 一种抗拉压防折弯管体密封连接结构
CN204782815U (zh) * 2014-01-10 2015-11-18 杰富意钢铁株式会社 极厚壁油井管用螺纹接头

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201221652Y (zh) * 2008-07-11 2009-04-15 江苏常宝钢管股份有限公司 油管螺纹连接结构
CN101307845A (zh) * 2008-07-11 2008-11-19 江苏常宝钢管股份有限公司 油管螺纹连接结构
CN101824969A (zh) * 2010-04-09 2010-09-08 衡阳华菱连轧管有限公司 双台肩双密封面螺纹接头及采用该螺纹接头的无接箍式油井管
CN102587842A (zh) * 2012-03-27 2012-07-18 无锡西姆莱斯石油专用管制造有限公司 特殊圆螺纹高抗扭矩管接头
WO2014151886A2 (en) * 2013-03-15 2014-09-25 Weatherford/Lamb, Inc. Couplings for expandable tubular
CN103909386B (zh) * 2014-03-31 2016-08-17 攀钢集团成都钢钒有限公司 一种钛合金油管接头的加工方法
CN106194052A (zh) * 2016-09-05 2016-12-07 天津钢管集团股份有限公司 高性能螺纹接头特殊扣油井管金属对金属密封结构
CN106736265A (zh) * 2016-11-25 2017-05-31 鑫鹏源智能装备集团有限公司 一种钛合金油井管的制备方法
CN110359858B (zh) * 2018-03-26 2020-09-04 中国石油天然气集团有限公司 油井管接头的密封结构的设计与制造方法、密封方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02243897A (ja) * 1988-10-03 1990-09-27 Dalmine Spa 気密性金属パイプ継手
EP0672817A1 (en) * 1994-03-17 1995-09-20 Halliburton Company Gas impermeable static seal
CN1130739A (zh) * 1994-10-19 1996-09-11 住友金属工业株式会社 管用螺纹接头
FR2863030A1 (fr) * 2003-11-28 2005-06-03 Vallourec Mannesmann Oil & Gas Realisation, par expansion plastique, d'un joint tubulaire etanche avec surface(s) de butee inclinee(s)
MX2012001485A (es) * 2011-02-02 2012-08-31 Tenaris Connections Ltd Conexiones para tuberias con revestimiento interno y metodos de ajuste relacionados.
CN202946041U (zh) * 2012-12-12 2013-05-22 衡阳华菱钢管有限公司 气密封锯齿形油井管螺纹接头结构
CN203702015U (zh) * 2013-08-30 2014-07-09 宝山钢铁股份有限公司 一种用于油井管的气密封连接结构
CN204782815U (zh) * 2014-01-10 2015-11-18 杰富意钢铁株式会社 极厚壁油井管用螺纹接头
CN204252853U (zh) * 2014-11-21 2015-04-08 江苏常宝普莱森钢管有限公司 一种抗拉压防折弯管体密封连接结构

Also Published As

Publication number Publication date
CN110678623B (zh) 2021-11-02
WO2019184470A1 (zh) 2019-10-03
CN110359858A (zh) 2019-10-22
CN110678623A (zh) 2020-01-10
EP3779116A1 (en) 2021-02-17
EP3779116B1 (en) 2024-02-07
EP3779116A4 (en) 2022-03-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110678623B (zh) 油井管接头的密封结构制造参量的确定方法、密封方法
Shen et al. Deformation characteristics and sealing performance of metallic O-rings for a reactor pressure vessel
Xu et al. Loading and contact stress analysis on the thread teeth in tubing and casing premium threaded connection
Patel et al. Advanced computer modelling for metal-to-metal seal in API flanges
Tao et al. Analytical Evaluation of Casing Connections for Thermal Well Applications
Shuai et al. Modeling of mechanical behavior of corroded X80 steel pipeline reinforced with type-B repair sleeve
Van Wittenberghe et al. Nonlinear contact analysis of different API line pipe coupling modifications
Achour et al. Analysis of repaired cracks with bonded composite wrap in pipes under bending
Bradley et al. Premium connection design, testing, and installation for HPHT sour wells
Xie et al. A study of sealability evaluation criteria for casing connections in thermal wells
Xie et al. Experimental investigation of metal-to-metal seal behavior in premium casing connections for thermal wells
Li et al. Cracking simulation of a tubesheet under different loadings
Zhu et al. Elastic–brittle–plastic analysis of double-layered combined thick-walled cylinder under internal pressure
Nelson Effective modeling of spiral wound gasket with graphite filler in gasketed flange joint subjected to bending loads
Li et al. Casing integrity: modeling strength degradation
Liu et al. Casing integrity: strain-based fatigue life estimation coupled with numerical thermal-flow simulation and multistring stress analysis
Williams Comparison of residual stresses in the mechanical roll expansion of HX tubes into TEMA grooves
Rino Nelson et al. Stress distribution and performance of threaded bolts in gasketed flange joints
Joshi et al. Design and analysis of metal-to-metal contact bolted flange joint using FEA tool
Barsoum et al. Finite element analysis of the installation process of a corrosion protective kevlar reinforced liner
Shim et al. Nonidealized Surface to Through-Wall Crack Transition Model for Axial Cracks in Cylinders
Zhong et al. A New Load Rating Criterion Avoids Overdesigning Downhole Tools
Shim et al. Surface to Through-Wall Crack Transition Model for Circumferential Cracks in Pipes
Wang et al. The super elastic strain sealing technology and material for tubing and casing connection in natural gas well
Tao et al. Feasibility Study of Premium Casing Connection with Titanium Alloy for High-Temperature Geothermal Applications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant