CN112943114A - 油套管螺纹接头的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种油套管螺纹接头的设计方法，设计方法包括：步骤1，根据设定的基本参数确定密封面的位置，使密封面的中心到鼻端部位端部的长度与鼻端部位长度的比值在预设范围内；步骤2，根据基本参数确定螺纹段部位的螺纹长度范围；步骤3，根据基本参数确定密封段的密封直径范围；步骤4，根据基本参数确定密封面的倾斜角度；步骤5，根据基本参数和上述步骤得到的参数范围的临界值建立设计模型，并根据设计模型进行有限元分析以获取有限元分析数据；步骤6，判断有限元分析数据是否符合预设标准，若有限元分析数据符合预设标准，则根据设计模型制造油套管螺纹接头。通过本申请提供的技术方案，能够解决现有技术中螺纹接头密封稳定性差的问题。

Description

油套管螺纹接头的设计方法

技术领域

本发明涉及油套管技术领域，具体而言，涉及一种油套管螺纹接头的设计方法。

背景技术

目前，随着油气田开发环境越来越复杂，对油套管螺纹接头密封性能提出了更严格的要求，即在拉伸、压缩、内压、外压、弯曲等各种复杂恶劣工况及偶然性外部因素下然能保持具有优异的密封稳健性。

普通的API油套管螺纹接头已经不能适用这样工况，而特殊螺纹接头设计有专门的密封结构起到密封作用，因此具有优异密封性能的特殊扣螺纹接头得到了本领域的广泛研究。但是目前现有的特殊螺纹接头没有统一的设计方式及优化方法，现有的特殊螺纹接头存在密封稳定性不高的问题，在实际使用中存在失效的可能。

发明内容

本发明提供一种油套管螺纹接头的设计方法，以解决现有技术中螺纹接头密封稳定性差的问题。

本发明提供了一种油套管螺纹接头的设计方法，油套管螺纹接头具有螺纹段部位和鼻端部位，鼻端部位具有密封段和台肩结构，设计方法包括：步骤1，根据设定的基本参数确定密封面的位置，使密封面的中心到鼻端部位端部的长度与鼻端部位长度的比值在预设范围内；步骤2，根据基本参数确定螺纹段部位的螺纹长度范围；步骤3，根据基本参数确定密封段的密封直径范围；步骤4，根据基本参数确定密封面的倾斜角度；步骤5，根据基本参数和上述步骤得到的参数范围的临界值建立设计模型，并根据设计模型进行有限元分析以获取有限元分析数据；步骤6，判断有限元分析数据是否符合预设标准，若有限元分析数据符合预设标准，则根据设计模型制造油套管螺纹接头；若有限元分析数据不符合预设标准，则重新在步骤2至步骤4得到的参数范围内重新取值，并基于基本参数重新建立设计模型，以重复执行步骤5和步骤6。

进一步地，有限元分析数据包括密封面的最大密封接触压力σ_max，判断有限元分析数据是否符合预设标准具体包括：判断最大密封接触压力σ_max是否满足σ_s≤σ_max≤1.5σ_s；其中，σ_s为材料屈服强度。

进一步地，有限元分析数据还包括密封面的密封系数Wa，判断有限元分析数据是否符合预设标准还包括：判断密封系数Wa是否满足Wa≥1.2Wac；

其中，Wa＝∫_Lσ^1.2dL，

上述公式中，σ为密封接触压力，L为密封接触长度，Pgas为管柱内气压，Patm为大气压力。

进一步地，基本参数包括管体外径、管体内径和螺纹参数，步骤2具体包括：根据管体外径、管体内径和螺纹参数确定螺纹段部位的完整螺纹长度L₂的范围；根据螺纹参数和L₂获取螺纹段部位的螺纹长度L₁。

进一步地，根据公式一获取螺纹段部位的完整螺纹长度L₂的范围；根据公式二获取螺纹段部位的螺纹长度L₁；

L₂≥1.1P(D₀ ²-D₁ ²)/((D₀-2R_齿顶)²-(D₀-2H+2R_齿底)²) 公式一；

L₁＝2H/T+L₂ 公式二；

其中，P为螺距，D₀为管体外径，D₁为管体内径，R_齿顶为螺纹牙齿顶圆弧半径，R_齿底为螺纹牙齿底圆弧半径，H为齿高，T为螺纹锥度。

进一步地，步骤3具体包括：根据公式三获取密封段的密封直径范围；

(D_s ²-D₁ ²)/(D₀ ²-D₁ ²)≥0.5 公式三；

其中，D₀为管体的外径，D₁为管体的内径，D_s为密封段的密封直径。

进一步地，步骤4具体包括：根据公式四获取密封面的倾斜角度；

tanγ＝(δ+Dt-Ds)/2(Lt-Ls) 公式四；

其中，δ为设定密封过盈量，D_t为设定鼻端部位的最大直径，Lt为设定的鼻端部位的长度，Ls为密封面中心点到鼻端部位的端部的距离，γ为密封面的倾斜角度。

进一步地，密封面的中心到鼻端部位端部的长度与鼻端部位长度的比值在0至0.4之间。

应用本发明的技术方案，将密封段设置在鼻端部位的靠近螺纹段部位的一端，如此设置可以提高密封段的密封性能，并且在通过基本参数分别获取螺纹段部位的螺纹长度范围、密封段的密封直径范围以及密封面的倾斜角度后，建立设计模型并通过有限元分析得到的有限元分析数据进行优化处理，通过优化处理后的数据制造油套管螺纹接头，这样能够提高油套管螺纹接头的结构强度和密封性能稳定性，延长使用寿命，减少油田井下事故发生。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例提供的油套管螺纹接头设计方法的流程示意图；

图2示出了根据本发明实施例提供的油套管螺纹接头的鼻端部位挠度分析示意图；

图3示出了根据本发明实施例提供的油套管螺纹接头的有限元分析图；

图4示出了根据本发明实施例提供的油套管螺纹接头的接触压力分布曲线图；

图5示出了根据本发明实施例提供的油套管螺纹接头的又一接触压力分布曲线图；

图6示出了根据本发明实施例提供的油套管螺纹接头的密封系数和密封阈值曲线图；

图7示出了根据本发明实施例提供的油套管螺纹接头的剖视图；

图8示出了根据本发明实施例提供的油套管螺纹接头连接时密封段处的剖视图；

图9示出了根据本发明实施例提供的油套管螺纹接头的螺纹段部位的螺纹示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

100、螺纹段部位；200、鼻端部位。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本申请实施例提供了一种油套管螺纹接头的设计方法，该油套管螺纹接头具有螺纹段部位100和鼻端部位200，鼻端部位200具有密封段和台肩结构，设计方法包括：

步骤1，根据设定的基本参数确定密封面的位置，使密封面的中心到鼻端部位200端部的长度与鼻端部位200长度的比值在预设范围内；

步骤2，根据基本参数确定螺纹段部位100的螺纹长度范围；

步骤3，根据基本参数确定密封段的密封直径范围；

步骤4，根据基本参数确定密封面的倾斜角度；

步骤5，根据基本参数和上述步骤得到的参数范围的临界值建立设计模型，并根据设计模型进行有限元分析以获取有限元分析数据；

步骤6，判断有限元分析数据是否符合预设标准，若有限元分析数据符合预设标准，则根据设计模型制造油套管螺纹接头；若有限元分析数据不符合预设标准，则重新在步骤2至步骤4得到的参数范围内重新取值，并基于基本参数重新建立设计模型，以重复执行步骤5和步骤6。

其中，将密封段设置在鼻端部位200的靠近螺纹段部位100的一端，这样能够提高密封段的密封性能。在通过基本参数分别获取螺纹段部位100的螺纹长度范围、密封段的密封直径范围以及密封面的倾斜角度后，建立设计模型并通过有限元分析得到的有限元分析数据进行优化处理，通过优化处理后的数据制造油套管螺纹接头，这样能够提高油套管螺纹接头的结构强度和密封性能稳定性，延长使用寿命，减少油田井下事故发生。

如图2所示，具体的，螺纹接头在复合工况下，由于密封过盈配合受力会导致公螺纹接头的鼻端部位200产生缩颈，此时鼻端部位200可简化为悬臂梁，螺纹配合部位可以简化为固支部位，由理论力学可知其挠度ω与受力P和距离a³成正比，即ω∝P·a³，转角θ与载荷P和距离a²成正比，即ω∝P·a²，密封位置处的挠度越小则密封性能越好，因此将密封结构设计在远离鼻端部位200的端部，即将密封段设置在鼻端部位200的靠近螺纹段部位100的一端。图2中左端表示螺纹段部位100的末端，P1和P0表示密封面设计在鼻端部位200的不同位置处的受力，a1为受力点P1到固支部位的距离，a0为受力点P0到固支部位的距离，ω(a1)为P1位置的挠度值，ω(a0)为P0位置的挠度值。

在本实施例中，该密封面的中心到鼻端部位200端部的长度与所述鼻端部位200长度的比值设置在0至0.4之间。

具体的，该有限元分析数据包括密封面的最大密封接触压力σ_max，判断有限元分析数据是否符合预设标准具体包括：

判断最大密封接触压力σ_max是否满足σ_s≤σ_max≤1.5σ_s，其中，σ_s为材料屈服强度。当最大密封接触压力σ_max符合上述范围要求时，则判断该有限元分析数据符合预设标准；当最大密封接触压力σ_max不符合上述范围要求时，则判断该有限元分析数据不符合预设标准。通过上述预设标准，可以使该密封段在符合密封性能的同时满足抗粘扣性能的要求。

具体的，通过建立的设计模型进行有限元分析，得到的分析图如图3所示。提取密封段上接触压力分布曲线，对密封段接触压力分布曲线进行快速傅立叶变换滤波平滑后，然后判断每条曲线中的最大密封接触压力σ_max是否满足上述预设标准。具体的，可取多条接触压力分布曲线，以提高数据优化效果。图4和图5示出了接触压力分布曲线，其中，横坐标为密封接触长度，纵坐标为密封接触压力，每条曲线代表不同工况下的曲线，此工况为标准ISO13679里A系14个复合载荷工况。例如可改变拉伸、压缩、内压和外压条件，以获取不同曲线值。

其中，该有限元分析数据还包括密封面的密封系数Wa，判断有限元分析数据是否符合预设标准还包括：判断密封系数Wa是否满足Wa≥1.2Wac。

其中，Wa＝∫_Lσ^1.2dL，

上述公式中，σ为密封接触压力，L为密封接触长度，Pgas为管柱内气压，Patm为大气压力。

通过上述公式，可以对密封段的密封性能进行定量分析，Wa为密封系数，Wac为密封阈值，将Wa设置大于或等于1.2Wac，如此设置可以使得密封段的密封性能能够满足ISO13679:2002A系14个加载点下的标准要求，如图6所示，为14个加载点下对应的密封系数和密封阈值曲线。

其中，预设标准可以同时包括对最大密封接触压力σ_max和Wa的范围限定，也可使二者其一满足要求，在本实施例中，预设标准同时包括对最大密封接触压力σ_max和Wa的范围限定，所得数据均要满足上述要求才可通过设计模型制造油套管螺纹接头，若二者中有一个或都不能满足上述范围限定，则需要重新设计参数并建立新的设计模型再次进行判断。

具体的，该基本参数包括管体外径、管体内径和螺纹参数，步骤2具体包括：

根据管体外径、管体内径和螺纹参数获取螺纹段部位100的完整螺纹长度L₂的范围。

根据螺纹参数和L₂获取螺纹段部位100的螺纹长度L₁。

其中，可根据公式一获取螺纹段部位100的完整螺纹长度L₂的范围，根据公式二获取螺纹段部位100的螺纹长度L₁。

L₂≥1.1P(D₀ ²-D₁ ²)/((D₀-2R_齿顶)²-(D₀-2H+2R_齿底)²) 公式一；

L₁＝2H/T+L₂ 公式二；

式中，P为螺距，D₀为管体外径，D₁为管体内径，R_齿顶为螺纹牙齿顶圆弧半径，R_齿底为螺纹牙齿底圆弧半径，H为齿高，T为螺纹锥度。如图9所示，H为齿高。

图7示出了油套管螺纹接头的剖视图，L₁和L₂的位置可参考图7，通过公式一可以获取L₂的取值范围，设计人员可在该范围内选取L₂的具体数值，这样可以根据该数值得到L₁的数值，后续在进行优化时，若需要调整L₁数值时，可重新选取L₂的数值，再根据重新选取的L₂的数值计算得到新的L₁数值。通过上述设计方法，能够使设计出的螺纹段部位100满足螺纹连接强度的要求。

其中，步骤3具体包括：

根据公式三获取密封段的密封直径范围；

(D_s ²-D₁ ²)/(D₀ ²-D₁ ²)≥0.5 公式三；

其中，D₀为管体的外径，D₁为管体的内径，D_s为密封段的密封直径。

参考图8，通过公式三能够使得密封处截面面积不小于管体截面面积的50％，这样能够保证密封段处的密封性能，进而提高油套管螺纹接头的使用安全。在设计时，可通过公式三确定D_s的范围值，设计人员可在该范围内选取D_s的具体数值。后续在进行优化时，若需要调整D_s的数值，可以在该范围内重新选值，直到其满足预设标准。

其中，步骤4具体包括：

根据公式四获取密封面的倾斜角度；

tanγ＝(δ+Dt-Ds)/2(Lt-Ls) 公式四；

其中，δ为设定密封过盈量，D_t为设定鼻端部位200的最大直径，Lt为设定的鼻端部位200的长度，Ls为密封面中心点到鼻端部位200的端部的距离，γ为密封面的倾斜角度。

参考图8，通过公式四可以确定密封段的倾斜角度，保证密封段能够进行有效密封，提高其密封性能和连接强度。

在本申请提供的具体实施例中，采用

196.85×12.70mm规格套管，钢级为140，齿高1.58mm，螺纹锥度1:16，螺距5.08。其中，设计密封面的长度为4mm，密封面中心到端面长度Ls为11mm。在执行步骤2时，将上述参数对应代入公式一和公式二中，得到L₁≥108.50mm；根据步骤3，将对应数值代入公式三中，得到密封段的密封直径D_s≥186.4mm；根据步骤4，利用公式四可得到密封段的倾斜角度γ为6.8°。在得到上述数值后，可执行步骤5和步骤6以对参数进行校正和优化。本实施例采用

196.85×12.70mm规格套管，钢级为140套管螺纹接头的连接强度达到7094kN，抗压缩强度达到7094kN，气密封性能达到109Mpa以上，抗外压性能达到86Mpa以上，抗弯曲能力达到30°/30米以上，满足3次上卸扣不粘扣的要求，而且完全满足API 5C5：2017 CALⅣ的要求。

通过本申请提供的技术方案，可以实现快速、高效设计，大大减少优化次数，节省优化和设计成本；且本通过上述方案设计出的产品具有密封性能好、密封稳健性高、抗压缩性能优异等优点。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种油套管螺纹接头的设计方法，其特征在于，所述油套管螺纹接头具有螺纹段部位和鼻端部位，所述鼻端部位具有密封段和台肩结构，所述设计方法包括：

步骤1，根据设定的基本参数确定密封面的位置，使所述密封面的中心到鼻端部位端部的长度与所述鼻端部位长度的比值在预设范围内；

步骤2，根据所述基本参数确定所述螺纹段部位的螺纹长度范围；

步骤3，根据所述基本参数确定所述密封段的密封直径范围；

步骤4，根据所述基本参数确定所述密封面的倾斜角度；

步骤5，根据所述基本参数和上述步骤得到的参数范围的临界值建立设计模型，并根据所述设计模型进行有限元分析以获取有限元分析数据；

步骤6，判断所述有限元分析数据是否符合预设标准，若所述有限元分析数据符合预设标准，则根据所述设计模型制造所述油套管螺纹接头；若所述有限元分析数据不符合预设标准，则重新在步骤2至步骤4得到的参数范围内取值，并基于所述基本参数重新建立设计模型，以重复执行步骤5和步骤6。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述有限元分析数据包括所述密封面的最大密封接触压力σ_max，判断所述有限元分析数据是否符合预设标准具体包括：

判断最大密封接触压力σ_max是否满足σ_s≤σ_max≤1.5σ_s；

其中，σ_s为材料屈服强度。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述有限元分析数据还包括所述密封面的密封系数Wa，判断所述有限元分析数据是否符合预设标准还包括：

判断密封系数Wa是否满足Wa≥1.2Wac；

其中，Wa＝∫_Lσ^1.2dL，

上述公式中，σ为密封接触压力，L为密封接触长度，Pgas为管柱内气压，Patm为大气压力。

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述基本参数包括管体外径、管体内径和螺纹参数，所述步骤2具体包括：

根据所述管体外径、管体内径和螺纹参数确定所述螺纹段部位的完整螺纹长度L₂的范围；

根据所述螺纹参数和所述L₂获取所述螺纹段部位的螺纹长度L₁。

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，

根据公式一获取所述螺纹段部位的完整螺纹长度L₂的范围；

根据公式二获取所述螺纹段部位的螺纹长度L₁；

L₂≥1.1P(D₀ ²-D₁ ²)/((D₀-2R_齿顶)²-(D₀-2H+2R_齿底)²) 公式一；

L₁＝2H/T+L₂ 公式二；

其中，P为螺距，D₀为管体外径，D₁为管体内径，R_齿顶为螺纹牙齿顶圆弧半径，R_齿底为螺纹牙齿底圆弧半径，H为齿高，T为螺纹锥度。

6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

根据公式三获取所述密封段的密封直径范围；

(D_s ²-D₁ ²)/(D₀ ²-D₁ ²)≥0.5 公式三；

其中，D₀为管体的外径，D₁为管体的内径，D_s为所述密封段的密封直径。

7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

根据公式四获取所述密封面的倾斜角度；

tanγ＝(δ+Dt-Ds)/2(Lt-Ls) 公式四；

其中，δ为设定密封过盈量，D_t为设定鼻端部位的最大直径，Lt为设定的鼻端部位的长度，Ls为密封面中心点到鼻端部位的端部的距离，γ为所述密封面的倾斜角度。

8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述密封面的中心到鼻端部位端部的长度与所述鼻端部位长度的比值在0至0.4之间。

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