特殊螺纹接头非线性振动特性与密封性能研究

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在生产或者压裂过程中,因井口装置和井底封隔器的约束及井筒中流体变化的作用,当开关井、压裂液注入和产气时,特殊螺纹接头处会发生轴向振动,这种轴向振动会使接头密封面处发生相互运动或者有相互运动的趋势,从而产生能量耗散,这种由摩擦引起的能量耗散可能会引起接头密封性能降低。因此需要对接头处能量耗散特性进行研究。本文建立了锥面对锥面与球面对锥面两种密封形式的剪切层模型,计算得到了模型的微滑响应。分别从黏着-滑移转换,载荷位移曲线与周期能耗等方面阐述了不同界面特性下接头密封面处微滑及能量耗散的影响。建立了特殊螺纹接头有限元模型,考虑非线性因素,分别研究了不同内压、不同轴向循环载荷、不同锥度与球面半径对接头密封面处能量耗散的影响。建立了整段管柱的接头连接模型,考虑非线性因素下基于预应力下的模态分析,提取接头处模态振型并通过位移场施加在接头处,分析了不同模态振型下接头密封面处能量耗散和模态阻尼,为接头振动特性研究提供参考,最后设计了接头振动特性实验台。结果表明,当锥面对锥面接头在锥度一定时,接头密封面处能量耗散值随着内压与轴向循环载荷的增加而增加,接触压力随内压与轴向循环载荷的增加而降低。当锥度由1/16增加至1/12时,接头密封面处能量耗散随锥度的增加而增加,接触压力随着锥度的增加而减小;当球面对锥面接头在球面半径一定时,接头密封面处能量耗散值随着内压与轴向循环载荷的增加而增加,接触压力随内压与轴向循环载荷的增加而降低。当球面半径由10mm增加至20mm时,接头密封面处能量耗散随球面半径的增加而增加,接触压力随着球面半径的增加而减小。在不同模态振型下接头密封面处能量耗散曲线呈现直线状,此时在接触边缘发生微滑而中心处于黏着状态。本文研究得到了不同密封形式与不同模态振型下接头密封面处能量耗散特性,为进一步分析接头能量耗散提供参考。
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