多因素作用下储气库注采井油管接头气密性分析*

程永钦 刘硕琼 齐奉中 刘慧婷

(1.中国石油勘探开发研究院 北京 100089；2.中国石油集团工程技术研究院有限公司，固井完井研究所 北京 102206)

使用储气库来满足城市供气以及调峰需求是在世界范围内的共同选择。然而在储气库运行过程中，由于注、采气周期性交替以及大尺寸套管固井[1-5]，对接头气密性提出了更严格的要求，因此采用特殊螺纹接头取代传统API螺纹接头[6-7]。但就现役储气库而言,依旧存在接头密封失效发生天然气漏失的安全隐患[8]。

特殊螺纹接头通过主密封面金属过盈来防止管内流体泄漏，一般认为主密封面上接触应力大于管内流体压力是阻止管内流体泄漏的条件[9-10]，但在储气库接头气密性研究方面还应考虑内压对最大等效应力的影响，防止等效应力过大导致接头失效。目前针对特殊螺纹接头的力学研究主要有解析法、实验法和有限元法3种方法。(1)解析法。如许红林、刘文红等[11-13]采用弹性力学厚壁圆筒理论和Hertz接触力学理论建立模型，探究密封面平均等效应力分布规律。但解析法往往假设接头为弹性变形，当接头进入塑性变形阶段，解析法存在局限性。(2)实验法。全尺寸实物实验虽然能准确反映接头性能，但实物实验难以反映密封面真实应力分布，此外费用贵，周期长，大载荷加载还具有一定危险性[9,14-16]。(3)有限元法。通过有限元法对接头施加载荷及边界条件进行受力分析，可以获得密封面应力数值以及分布情况。所以有限元法被国内外学者广泛用于特殊螺纹接头气密性分析，如石晓兵、晁利宁、孔华等人[9-10,17]建立复合载荷、台肩角度与密封面接触压力之间的对应关系。但上述文献研究未考虑储气库高压周期性变化导致密封面过盈量对等效应力的影响，未探讨油管易发生屈服变形导致气密性遭到破坏的危险点。

本文作者使用ANSYS软件定量计算不同荷载作用下主密封面等效应力，从而确定储气库油管气密性危险点，为后续计算确定观测点；分析不同密封面过盈量与密封面等效应力的对应关系，得出不同工况下，密封面过盈量选取规则；对储气库危险点处接头进行全工况模拟分析，从而为特殊螺纹接头的设计和优化以及室内试验提供理论依据，对现场特殊螺纹接头选用有一定的指导意义。

1 特殊螺纹接头模型建立及简化

1.1 分析模型建立

特殊螺纹接头相较于传统API螺纹接头增添了金属对金属过盈配合的密封结构。该结构主要分为两部分：径向密封的主密封结构、采用扭矩台肩的次密封结构,如图1所示。主密封结构的金属密封类型主要分为3种：锥面-锥面密封、锥面-球面密封和柱面-球面密封。其中锥面-锥面密封以其接触密封过程中，密封面不发生屈服，且泄漏长度长、泄漏阻力大，抗应力松弛和应力腐蚀泄漏能力强等优点被储气库广泛应用[18]。次密封结构的扭矩台肩作为上扣过程中的定位标志，该结构一方面具有过扭矩能力，提高了接头上扣的质量；另一方面改善了螺纹接头的抗弯曲能力以及抗压缩性能。该结构在上扣状态下，扭矩台肩与接箍紧密接触，可起到部分密封作用，所以被称为辅助密封结构。特殊螺纹接头的螺纹部分相较于传统API螺纹接头螺纹部分，更多的是起到连接作用，因此特殊螺纹接头的螺纹牙形多为偏梯形如图2所示，用来承受高拉、压载荷，螺纹头数为单线，以确保连接强度。文中选用的某特殊螺纹接头其结构如图3所示，采用锥面对锥面金属过盈的密封形式。为更好地模拟轴向载荷对密封面等效应力的影响规律，依据圣维南原理，取1.5倍螺纹部分长度为接头长度。详细接头数据如表1、图2所示。

图1 密封结构示意

图2 偏梯形螺牙结构示意

图3 有限元分析模型示意

表1 锥面-锥面特殊螺纹接头参数

1.2 几何模型建立及有限元分析

根据表1、图2中特殊螺纹接头参数在SOLIDWORKS软件中构建实体几何模型，利用ANSYS的CAD接口功能导入WORKBENCH中进行网格化处理。合理的模型简化可以显著提高运算速度，接箍与接头的配合符合轴对称模型的简化条件，故将实体几何模型在WORKBENCH DM 模块中简化为2D平面模型进行分析。针对2D平面模型，最好选用shell单元，可在减少计算量的同时防止厚度方向单元层数较少影响计算精度。实际常用shell单元有shell63、shell93两种。shell93相较于shell63虽精度较高，但节点数目更多，计算量更大。文中主要研究密封面处等效应力分布，所以选用shell63便可满足要求。此外通过对密封面网格加密，更加准确地获得主密封面应力分布。详细网格化参数见表2。

表2 分析模型网格化参数

视管体、接箍均为各向同性弹塑性材料，在WORKBENCH中常见的各向同性本构材料关系，主要有各向同性弹塑性模型、双线性各向同性模型、双线性随动模型、塑性随动模型、分段线性塑性模型以及刚性体模型。其中分段线性塑性模型特别用于钢，可根据塑性应变定义失效，因此选用分段线性塑性模型作为管体、接箍的本构模型。分段线性塑性模型考虑应变率的影响，它与屈服应力的关系为式(1)，材料性能参数见表3。

(1)

表3 材料性能参数

在确定模型材料本构方程以及模型网格划分后，按照实际情况，在分析模型上施加边界条件。由于特殊螺纹接头结构沿接箍中心面具有对称性，所以应在接箍中心面上施加轴向位移约束。此外根据实际工况下特殊螺纹接头受力情况，还应增添如图4所示载荷。其中轴向的拉伸、压缩载荷以分布力的形式加载在管体的端面，地应力和管内应力则应加载在管体的侧面。

图4 2D分析模型约束示意

根据建立的分析模型，应结合实际注采井井下工况，确定边界条件后进行数值分析。如图5所示为储气库注采井管柱示意图，永久式封隔器将井筒部分割为上下2个空间，上部分的油套环空之中充满环空保护液，此时油管上部分内压承受交变载荷的影响，其外压受环空保护液静水压力作用。因此下文分析中应对下部分空间油管部分进行气密性分析，找出气密性危险点。注采井相关参数如表4所示,注采井工况参数如表5所示。

图5 储气库注采井管柱示意

表4 注采井相关参数

表5 注采井工况参数

2 有限元模型计算结果及分析

2.1 轴向载荷及地应力对密封面等效应力的影响

图6所示为在6 MPa工况下，轴向拉力和地应力对主密封面等效应力的影响。随着观测点从井口位置向井底移动，轴向拉力递减，地应力递增。因此承受最大轴向拉力、最小地应力的位置为井口处，油管底部则相反。由图6可知，随着轴向拉力递减，地应力递增，其主密封面最大等效应力以及平均等效应力皆呈线性递增状态，所以整个油管气密性的最危险点为井口处，这与相关文献实验结果相符合[19]。因此在后续计算中以井口作为观测位置，观测整个储气库在不同工况下，该位置主密封面等效应力的变化情况。

图6 不同轴向载荷及地应力作用下主密封面等效应力变化

2.2 过盈量对密封面等效应力的影响

2.2.1 6 MPa套管内压工况下接头气密性分析

特殊螺纹接头气密性主要靠主密封面金属过盈密封，但对主密封面过盈量取值对气密性的影响，现有文献却没有明确地描述其变化规律，因此无法对注采井特殊螺纹接头主密封面过盈量取值设定相应的原则。因此将上文得出的注采井气密性危险点作为观察点，按表4、5中参数对主、次密封面过盈量取值进行数值分析。

图7、图8所示为在6 MPa工况下，主密封面最大等效应力及最小等效应力变化情况。由图7可知，主密封面最小等效应力随着主、次密封面过盈量增加而增加。而最大等效应力表现为当次密封面过盈量等于主密封面过盈量时，其等效应力趋于极值，且随着主密封面过盈量增大而增大如图8所示；相同主密封面过盈量的最大等效应力随次密封面过盈量的增加呈一个先增后减的倒“U”形。造成这种情况的原因是接头在接紧过程中密封面上存在应力集中，如图9—11所示。

图7 6 MPa工况下主密封面最小等效

图8 6 MPa工况下主密封面最大等效应力随主、次密封面过盈量变化

图10 主密封过盈量0.05 mm、次密封过盈量0.03 mm时等效应力分布

图11 主密封过盈量0.05 mm、次密封过盈量0.05 mm时等效应力分布

这是由于接头弹性变形量不一致导致的，密封面上弹性变形主要集中在密封面大半径端，其他区域变形量很小，从而造成了等效应力分布不均匀，密封面未得到充分利用[20]。所以当次密封面过盈量较低情况下，应力集中现象仅出现在靠螺纹一侧的接触点附近，形成一个长0.2 mm左右的应力集中区。但随着次密封面过盈量的递增，在主密封面靠近次密封面的过渡区域也会产生应力集中现象，分散靠近螺纹一侧接触点应力分布，使整个主密封面等效应力呈现一个“U”形分布，从而在主密封面的两侧存在高等效应力分布区域，有效地防止井内高压气体渗出。

采用系统聚类分析方法对上述数据进行聚类分析，通过聚类分析将主密封面最大、最小等效应力的数据集进行分类，使聚类后同一类的数据尽可能聚集到一起，不同数据尽量分离，从而为挑选合适过盈量，以满足当前工况需求提供便利。聚类分析结果如图12、表6所示。

图12 6 MPa下主密封面等效应力聚类分布

表6 6 MPa下主密封面最小和最大等效应力聚类结果

通过表6以及图7—9的计算结果结合表3材料性能，可知在低压工况下，大多数过盈量皆满足主密封面最大等效应力小于材料屈服强度，又大于管内压力防止气体泄漏的要求。但主密封面过盈量为0.05 mm，次密封面过盈量为0.01 mm时，最大等效应力与最小等效应力相差最小，整个主密封面等效应力分布趋于均匀。所以在低压工况下可适当增大次密封面盈量，以提高接头的气密性。

2.2.2 16 MPa套管内压工况下接头气密性分析

由于储气库承担调峰工作，所以储气库注采井特殊螺纹接头要承受低压、高压的交变作用。低压状态下的主、次密封面过盈量不一定满足高压状态下特殊螺纹接头对气密性及安全性的要求。因此应对高压状态下，主、次密封面过盈量进行数值分析。高压状态下注采井相关参数如表4所示，高压状态下注采井工况参数如表5所示。

图13、图14所示为在16 MPa工况下，主密封面最大等效应力及最小等效应力变化情况。与6 MPa工况不同的是，在高内压工况下，主密封面最小等效应力随着主密封面过盈量递增而递减，最大等效应力在次密封面过盈量小于0.02 mm范围内也呈同样变化趋势。但总体呈现一个倒“U”形的变化规律，与6 MPa工况下变化规律相同。造成该状况的原因是在高内压工况下，靠近螺纹端接触点应力会大于材料屈服强度，接触区横截面面积增大，如图15—17所示，这分散了主密封面大端处的应力值。

图13 16 MPa工况下主密封面最小等效应力随主、次密封面过盈量变化

图14 16 MPa工况下主密封面最大等效应力随

图15 主密封过盈量0.01 mm、次密封过盈量0.01 mm时等效应力分布

图16 主密封过盈量0.03 mm、次密封过盈量0.01 mm时等效应力分布

图17 主密封过盈量0.05 mm、次密封过盈量>0.01 mm时等效应力分布

采用系统聚类分析方法对上述数据进行聚类分析，聚类分析结果如图18、表7所示。

图18 16 MPa下主密封面等效应力聚类分布

表7 16 MPa下主密封面最小和最大等效应力聚类结果

通过表7的计算结果结合表3材料特性，可知在当前工况下，主密封面过盈量为0.05 mm，次密封面过盈量为0.01 mm时，才能满足高压工况下储气库特殊螺纹接头对气密封性以及安全性的要求。所以在高压工况下，应尽可能提高材料的屈服强度，降低次密封面过盈量，防止接头应力集中区域发生塑性变形，导致接头的气密性遭到破坏。

2.3 实际工况下密封面等效应力变化规律

地下储气库为满足调峰任务，会在一个工作周期内循环进行注气、采气工作。在该工作周期内，管内工作压力会呈周期性变化。为探究注采井气密性危险点在实际工况下气密性及安全性，选取某储气库注采A井进行核算。按上文计算，应以该A井井口作为危险点，全工况观测主密封面等效应力的变化情况。该A井运行工况如表8所示，根据工况选取的特殊螺纹接头尺寸及性能参数如表9所示，计算结果如图19所示。

表8 储气库运行工况

表9 特殊螺纹接头尺寸参数和性能参数

图19 不同工况下主密封面等效应力变化

如图19所示，井口处主密封面最大等效应力在正常工况、采气工况、采气后稳压工况下，与套管内压变化规律相同，此时主密封面接触部分处于弹性阶段。但在该阶段，随着套管内压的下降，主密封面最小接触应力逐渐降为0，说明该密封面未完全贴合，这与其他文献计算结果相符[17,21-22]。随着注气工况进行，套管内压逐渐升高，主密封面最大等效应力逐渐增至屈服强度，此时特殊螺纹接头应力集中处进入屈服阶段。该阶段内等效应力先是下降，然后做微小波动，在曲线上出现接近水平线的小锯齿形线段。

屈服阶段以后，主密封面靠近螺纹端应力集中区的横截面面积增大，分散了主密封面接触点最大等效应力，可以看到在最大等效应力曲线上出现一个下降的线段。在剩余的注气工况中，随着套管内压的增高，主密封面等效应力也继续增高，直至到达注气后稳压工况，最大等效应力趋于稳定。由前文分析可知，最大等效应力是呈马鞍型分布，两头高，中间低且分布较为平均。因此屈服阶段以后，主密封面高等效应力区越压越扁，横截面面积不断增大，从而使抗压能力继续提高，使其在最大试压工况和注采交变载荷作用下，仍能保证特殊螺纹接头的气密性。但储气库注采井服役周期长，由于高载荷使特殊螺纹接头产生的累积应变，易使高应力区域产生摩擦损伤形成泄漏通道，对特殊螺纹接头的气密封能力的安全性有显著的影响。

3 结论

(1)相较于地应力，锥面-锥面密封结构的主密封面最大等效应力对轴向拉力的增加更加敏感，这是因为包裹着储气库注采井套管串的水泥环将承受绝大部分地应力。因此应将井口位置作为研究特殊螺纹接头气密性的危险点，防止由于轴向载荷作用，导致密封面间出现泄漏通道，发生漏气等安全事故。

(2)锥面-锥面密封结构的过盈连接会使主密封面出现应力集中现象。因此在储气库实际工况下，若主密封面最大等效应力低于特殊螺纹接头屈服强度情况下，为使主密封面等效应力分布均匀，可通过适量增加次密封面过盈量，改善特殊螺纹接头的主密封面气密性。而当主密封面最大等效应力高于特殊螺纹接头屈服强度情况下，应选用高屈服强度材料的特殊螺纹接头，并降低次密封面过盈量以保证接头的气密性。

(3)在高内压工况下，当主密封面最大等效应力超过材料屈服强度时，会造成塑性变形。虽然这在实际应用过程中，特殊螺纹接头依然能够保证气密封安全性，但累计的应变易使密封面发生损伤产生泄漏通道，使接头发生泄漏。因此在储气库中使用高屈服强度材料的特殊螺纹接头，不仅可以满足储气库注采井在不同工况下对接头气密性、安全性要求，同时又可以适当增加次密封面过盈量，使密封面等效应力分布更加均匀。