[发明专利]一种热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力的预测方法

说明书

本发明公开了一种热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力的预测方法，首先，数值模拟初始室温、最佳上扣扭矩下接头密封接触面应力场分布；其次，室内模拟热采井注‑采作业工况，表征长时服役过程接头材料的温度循环特征；再次，基于温度循环特征，构建接头材料强度、接触应力的力学模型；最后，引入构建的材料强度及接触应力模型，结合材料各向异性，建立长时服役过程接头径向主密封/轴向辅助密封接触压应力数值模型，形成热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力预测方法。本发明引入热采多轮次注‑采作业过程温度循环对接触压应力的影响，提供了接触压应力的预测方法，为热采井服役套管柱安全评价及泄漏失效预防、治理提供坚实的技术支撑。

技术领域

本发明属于油气开采工程应用领域，具体涉及一种热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力的预测方法。

背景技术

热采井套管连接主要采用API偏梯型螺纹，其密封性能主要依靠填充的螺纹脂实现。试验研究结果表明：在低于180℃下填充的螺纹脂能够起到密封作用，但当温度升高到200℃以上时，螺纹脂容易发生挥发和变质，连接螺纹的密封性能失效。

特殊螺纹接头在结构设计上增加了径向主密封和轴向辅助密封扭矩台肩结构，不再单纯依靠螺纹过盈配合及螺纹脂的封堵作用。即特殊螺纹接头将API偏梯形螺纹的非接触式密封改进为接触式密封。特殊螺纹密封设计的依据是密封面上接触压力大于内部流体的压力。值得指出的是，上述密封判据是建立在密封面完全光滑的基础上，实际中由于加工精度的原因，密封面的光洁度只能维持在一定水平，不可能完全光滑。由于表面粗糙度，使得密封面配合后仍存在微小的间隙。根据流体力学，流体通过间隙时产生的局部阻力取决于间隙的截面积和泄漏路径的长度，该阻力相当于沿泄漏路径累积的接触压力。因此，该接触面的临界密封压力(P_cr)可表示为：

P_cr≤K∫P_tdl (1)

其中：K——常数，Pt——接触压力，L——泄漏路径

因此，从提高密封性的角度，接触应力尽可能大，以使泄漏路径的面积较小；接触面积尽可能大，以使泄漏路径的长度较长。

热采工况长时服役过程中材料表现出温度循环特征，如强度折减、应力松弛、包申格效应，造成密封面接触压应力明显降低，如图1和图2所示。目前，热采井套管柱设计未考虑长时服役过程套管接头材料的温度循环特征，密封接触压应力的减小导致螺纹连接存在泄漏失效的隐患。因此，热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力的预测方法成为保障套管柱密封完整性亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力的预测方法，攻克制约套管柱安全服役的瓶颈问题，填补该领域长期存在的技术空白。本发明考虑长时服役过程接头材料的温度循环特征，建立径向主密封/轴向辅助密封接触压应力预测模型，为热采井套管柱密封泄漏失效及预防治理提供坚实的技术支撑。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种热采工况特殊螺纹接头密封接触压应力的预测方法，包括以下步骤：

步骤一：依据特殊螺纹接头设计提供的最佳上扣扭矩，通过有限元数值模型，仿真模拟室温、最佳扭矩下特殊螺纹接头密封接触面的应力场；

步骤二：表征热采工况长时服役过程特殊螺纹接头材料的温度循环特征，包括高温注蒸汽强度折减、焖井阶段应力松弛、多轮次注-采作业包申格效应；

步骤三：基于温度循环特征，建立长时服役过程接头材料弹-塑性本构模型，应力松弛模型、包申格效应模型，描述接头材料的强度及接触应力变化规律；

步骤四：引入接头材料的强度及接触应力变化规律，结合材料各向异性，建立径向主密封、轴向辅助密封接触压应力预测数值模型，仿真模拟接触压应力分布，形成接头密封接触压应力预测方法。