【摘 要】
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膨胀套管技术可以减小开钻井眼直径,提高建井效率,降低钻井成本,也能进行复杂地层封堵和套管补贴,目前已被应用于石油钻采行业的建井、完井及修井等领域。而膨胀套管技术目前最大难点在于套管膨胀后螺纹接头的完整性与密封性。膨胀套管扩径过程中不均匀塑性变形所产生的附加应力以及套管在膨胀工具离开后所发生的弹性回复都会形成残余应力,残余应力的存在可能导致金属密封面脱离,因此对金属密封结构残余应力的研究具有深远意义
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膨胀套管技术可以减小开钻井眼直径,提高建井效率,降低钻井成本,也能进行复杂地层封堵和套管补贴,目前已被应用于石油钻采行业的建井、完井及修井等领域。而膨胀套管技术目前最大难点在于套管膨胀后螺纹接头的完整性与密封性。膨胀套管扩径过程中不均匀塑性变形所产生的附加应力以及套管在膨胀工具离开后所发生的弹性回复都会形成残余应力,残余应力的存在可能导致金属密封面脱离,因此对金属密封结构残余应力的研究具有深远意义。膨胀套管的扩径过程涉及几何、材料、接触三重非线性问题,本文借助ABAQUS有限元软件,通过数值模拟法和正交试验设计法,分析了残余应力在金属密封面上的大小分布和各因素对残余应力的影响,得到了残余应力的影响变化规律及残余应力与密封性能间的联系。通过本文研究得到的结论如下:（1）针对本文所研究的膨胀套管有限元模型,套管扩径后的金属密封结构处产生了较大的轴向残余应力,其中轴向残余拉应力可达337MPa,压应力可达420MPa;环向残余应力值次之;径向残余应力值不超过20MPa,远小于套管材料的屈服强度。（2）螺纹接头部位的残余应力分布与管体处不一致。管体膨胀后的环向残余应力和轴向残余应力在内壁处为拉应力,外壁为压应力。金属密封结构上的残余应力受结构特性及金属弹性回复等因素影响,环向残余应力在壁厚方向整体呈内层压应力,外层拉应力分布;轴向残余应力在内、外螺纹密封面上各呈内层拉应力,外层压应力分布。（3）在轴向上,外螺纹密封面的轴向残余应力与密封面过盈量和锥度呈正相关,与密封面宽度呈负相关;内螺纹密封面的轴向残余拉应力值与密封面过盈量、宽度及锥度的大小成反比,与摩擦系数成正比。在壁厚方向,环向残余压应力最大值不超过418MPa,环向残余拉应力峰值为140MPa。外螺纹密封面环向残余压应力随着密封面过盈量和宽度的增大而减小,内螺纹密封面环向残余拉应力峰值随着密封面过盈量和宽度的增大而增大;当密封面锥度和摩擦系数变化时,环向残余应力的变化趋势与前两因素相反。（4）金属密封结构的密封性能与内、外螺纹密封面间残余应力差值呈负相关。随着密封面过盈量、宽度和锥度的增加,密封性能越良好;摩擦系数呈相反趋势。当密封面宽度取最大值即10mm时,相较其他水平有较大密封性优势,密封面锥度变化下,各参数值的差异很小,分析结果与正交试验的极差分析与方差分析结论基本一致。
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