基于ABAQUS的直连型套管螺纹有限元受力分析

2022-07-16刘潇潇

技术与市场 2022年7期

张强，刘潇潇

(濮阳石油化工职业技术学院，河南濮阳 457000)

0 引言

直连型套管是一种将螺纹直接加工在本体上的一种套管连接螺纹，由于没有像其他常规套管一样使用接箍连接，因此直连型套管减少了整个套管柱的外径尺寸，增大了套管柱与井壁之间的间隙，直连型套管这一特性在超深井、开窗侧钻井、小井眼中有着重要的应用意义[1]。

套管接头分析的方法主要有三种：解析法、试验法和有限元方法。接头螺纹结构复杂，解析法使用经过简化的模型来计算，结果不够精确，不能直接应用；试验法有周期长、费用高的缺点，因此有限元模拟就是分析接头螺纹受力比较有效的方法。由于套管接头螺纹的复杂性，建立三维有限元模型将带来巨大的计算量，因此大多数学者采用各种各样的简化模型，其中以轴对称最多，并且解的有效性和合理性得到了工程界的普遍接受[2]。

本文使用ABAQUS有限元软件，针对CST-ZT直连型套管建立了二维轴向对称模型，分析了直连型套管在典型工况下的受力影响规律，以期为直连型套管的优化和现场的使用提供一定的借鉴作用。

1 有限元模型的建立

1.1 ABAQUS有限元软件

ABAQUS作为世界上使用最多的有限元软件之一，可以用来解决复杂的力学问题，并且特别适合解决和分析非线性力学问题[3]。ABAQUS的操作流程主要分为三步：前处理、求解计算和后处理，如图1所示。

图1 ABAQUS操作流程

1.2 材料特性

攀成钢研发的CST-ZT直连型套管接头，套管钢级Q140，规格为139.70 mm×7.72 mm，Q140钢级材料机械性能和相关性能数据如表1所示[4]。

表1 Q140钢级材料性能各项参数

1.3 模型假设

采用二维轴对称模型来模拟螺纹的受力，在有限元建模时作如下假设。

1)材料为各向同性。

2)使用二维轴对称模型。二维轴对称模型解的有效性和合理性得到了工程界的普遍接受[2]，因此忽略较小的螺旋升角造成的影响。

3)螺纹面、密封面等接触面的摩擦系数设定为0.02[5]。

1.4 网格划分

对模型进行建模和网格划分，单元类型采用CAX8I，对螺纹啮合面、密封面及台肩处进行了局部网格加密，图2、图3为有限元模型网格划分示意图。

图2 有限元模型网格划分

2 有限元模拟

2.1 上扣拧紧工况螺纹牙承载面接触应力模拟

图4是上扣拧紧时，无轴向载荷，台肩过盈量为0.02 mm的工况下的螺纹Mises应力云图。螺纹牙承载面的平均接触应力如图5所示，从图中可以看出，在台肩处施加过盈接触后，螺纹最后几扣螺纹牙承担了大部分的轴向预紧力。

图4 台肩过盈产生的Mises应力云图

图5 上扣拧紧后台肩过盈产生的螺纹牙承载面平均接触应力

2.2 轴向受拉下螺纹牙状态分析

图6是对套管接头分别施加轴向受拉载荷700 kN、1 100 kN和1 600 kN下的Mises应力云图。从图中可以看出在施加轴向载荷后，螺纹牙齿根处产生了应力集中，而第一牙和最后一牙的牙根处的应力集中最为严重，因此在施加轴向受拉载荷下，螺纹的第一或最后一个螺纹牙承受了大部分的轴向载荷，失效将会在这里最先开始。

图6 轴向拉力700 kN、1 100 kN和1 600 kN时接头Mises应力云图

图7、图8是各螺纹牙齿面接触压力和Von Mises应力随螺纹牙编号的变化曲线。从图中可以看出，在施加轴向受拉载荷的作用下，啮合螺纹面的接触压力和螺纹牙承载的轴向载荷都呈现两边高中间低的马鞍形，其中第一和最后两个螺纹牙承担了大部分的轴向载荷。随着载荷的增加，大部分增加的载荷都由第一螺纹牙承担，其余的螺纹牙承担的载荷增幅并不大。