（材料加工工程专业论文）油井管接口螺纹力学行为和磁化过程研究.pdf

摘要 油井管是石油钻采工业中必不可少的重要物资，其质量安全关系着整个采油作业的 顺利进行，无论是新产品出厂及使用前还是旧产品的修复过程中都需要进行无损检测。 接口螺纹部位是油井管最薄弱的环节，油井管表面损伤、滑脱、断裂裂纹往往发生在该 处。选取p 1 1 0 油管接头为研究对象，在弹塑性力学的基础上对处于机紧状态下相互啮 合的内外螺纹各扣牙的力学行为进行分析，通过建立数学模型的解析法和有限元分析的 数值模拟方法，对该接头内外螺纹各扣牙表面的受力情况及力学分布规律进行研究，分 析表明各螺纹牙上受力分布很不均匀，两端的几个扣牙受力最大，危险首先发生在该扣 牙处，因此，对油井管的检测重点应在接口两端数牙。选择磁化方式及参数，采用有限 元分析方法对p 1 1 0 油管接口螺纹区域的磁场分布进行模拟，在接口顶端加1 0n u i l 厚的 垫块同时线圈长度往油管内部延长1 5n m 后，得到了竖直方向的沿螺纹各扣牙表面均 匀分布的电磁场，以检测螺纹表面的横向裂纹；同时对油管接口部位中心导体法磁化过 程进行模拟，得到了以导体为中心，沿螺纹牙走向分布的环形磁场，以检测螺纹表面的 纵向裂纹。此外，为研究缺陷的尺寸参数对漏磁场的影响，以磁偶极子理论为依据，建 立了螺纹表面裂纹以及近表面孔洞型缺陷的磁荷模型，分析了缺陷各尺寸参数对漏磁场 的影响，得出在裂纹深宽比比较大的情况下，裂纹深度越大或裂纹宽度越大，漏磁场信 号均越大，缺陷越容易检出，而且，缺陷的检出存在一定的范围；对于孔洞型缺陷，缺 陷尺寸越大，距离表面位置越近，漏磁信号越明显，缺陷越容易检出，缺陷的检出同样 存在一定的检测范围。由于油井管螺纹表面大多为沿螺纹牙走向分布的横向裂纹，采用 有限元分析法重点对螺纹表面根部横向裂纹的漏磁场分布进行了模拟，分别建立了不同 位置、不同尺寸参数的裂纹，对缺陷周围的漏磁场进行模拟，得出在模拟过程中施加的 磁化电流作用下，只能检测裂纹中心距离螺纹根部0 4 5n u n 之内的裂纹。裂纹大小、形 状均对漏磁信号有重要的影响，裂纹越大越容易检出，在距离螺纹牙底0 4 5n u n 处的裂 纹，当深度为o 6m m 时，宽度小于0 6l i u i l 的就可能造成漏检。此外，裂纹深宽比或者 宽深比在1 2 和1 1 时，漏磁信号最明显，这种形状的裂纹最容易被检出。 关键词：油井管，螺纹，力学行为，缺陷，无损检测，漏磁场 s t u d yo nm e c h a n i c a lb e h a v i o ra n dm a g n e t i z a t i o np r o c e s so fo i l w e l it u b i n gj o i n tt h r e a d y i l oi b n g r o n g ( m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o l e i a b s t r a c t o i lw e l lt l j b ei sm ea b s o l u t e l yn e c e s s a d ，m a t e r i a li nt 1 1 ep e n - 0 l e u m “l l i n gi n d u s 缸y ，a n d m ew h o l ep r o d u c t i o nw o r kd e p e r l d so n “sq u a j i t ys a f e t ) r s on o n d e s 协l c t i v et e s t i n gs h o u l db e i r n p l e m e m e do nn e wp r o d u c t sb e f o r eb e i n gu s e da i l do l do n e sd 谢r 培r e p a i r i n gp r o c e s s o i l 、e l lt u b i n gt h r e a di s t i l ew e a k e s tl i l l l 【，s u r f a c e 询u d rs p o n d y l o l i s t h e s i sa 1 1 df h c t i 鹏c r a c k u s u a l l yo c c u rf i r s t l y p1 10t u b i n gj o i l l ti ss e l e c t e d 嬲t 1 1 es t u d yo b j e c ta n dm e c h a l l i c a lb e h a v i o r o fm e s l l i n gt 1 1 r e a du n d e rm ec o n l p a c ts t a t u si s 删y z e db a s e do np l a s t o e l a s t i c i t y m e c h a m c a j b e h a v i o ro f 廿1 ej o m tt l l r e a ds u r f a c e 趾dd i 嘶b u t i o nl a wa r er e s e a r c h e db ye s 切b l i s h 魄 m a t h e m a t i c a lm o d e la n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i tt u m st ob et h a tt h es 仃e s sd i s t r i b u t i o no f 鹏a dt e e t l li s 删t eu n e v e n ，a n ds 仃e s so nt 1 1 es e v e r a lm r e a dt e e t l lo ft 1 1 e 铆oe n d so fm e 劬i n gj o i n ti sq u i t el a 玛e 1 1 1 v a l i d a t i o no c c u r sm e r ef i r s t l y 1 1 1 e r e f o r en o n d e s 仃l i c t i v et e s t i n g s h o m db e i r n p l i e dm a l i i d yo nt l l e s e v e r a lt l l r e a dt e e t ho ft h e 似，0e n d s o ft i l e t u b i r 培 j o i n t s u i t a b l e m a g n e t i z a t i o nm o d ea n dp a r 锄e t e r s a r es e l e c t e da n dm a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o no fp1 10 劬i n gj o i n tm r e a di ss i m u l a t e db yu s i i 培f i i l i t ee l e m e n ta n 甜y s i s m e t l l o d v e n i c a le l e c 仃o m a g n e t i cf i e l du 1 1 i f o 肌l yd i s t 曲u t e da l o n ge a c ht h r e a dt o o t hs u r f a c ei s o b t a i n e db ya p p l y i n gac u s l l i o nb l o c k 埘m10m md e p t l la n dac o i l15 衄l o n g e r 让m b e f o r e t t a i l s v e r s ec r a c ko nt h em r e a ds u r f a c ec a nb ef o u n do u tb yu s i n gt 1 1 i sl ( i n do fm a g n e t i c f i e l d m e a n w t l i l e ，c e n t e rc o n d u c t o rm a g n e t i z a t i o np r o c e s si ss i m u l a t e da 1 1 d 锄u l a rm a 印e t i c f i e l da l o n g 她a ds u f f a c ei so b t a j n e d v e f t i c a lc r a c ko nm ct h r e a ds 曲c ec 锄b cf o m l do u tb y u s i l l gn l i s1 【i n do fm a 朗e t i cf i e l d i i la d d i t i o n ，i 1 1o r d e rt or e s e a r c hd e f e c ts i z ep 啪m e t e r se 腩c t o nl e a k a g em a 毋1 e t i cf i e l d ，c 珊c km a 印e t i cc h a 唱em o d e lo n l et h r e a ds u r 】e 趾dh 0 1 et y p e d e f e c tm a g n e t i cc h 鹕em o d e l d e rt h et l l r e a ds u r f a c ea r ee s t a b l i s h e db a s e do nm em a g n e t i c d i p o l et h e o d r e a c hd e f e c ts i z ep a r a m 酏e re f f e c to nl e a k a g em a g n e t i cf i e l di s 锄a l y z e d ，a n di t t u m st ob em a t 、：h e nt h er a t i oo fd e p t l lt 0w i d t ho ft l l ec r a c ki sl a 唱e ，t h el e a k a g em a g n e t i c f i e l ds i g n a li n c r e a s e s 、v h e nt h ed 印t ho rt 1 1 e 埘d t ho ft h ec r a c ki n c r e a u s e s b u ta l s o ，t h e r ee x i s t s am g eo ft h ed e f e c td e t e c t i o n f o rt l o l et y p ed e f e c t ，t h e l e a k a g em a g n e t i cf i e l ds i g r l a l i n c r e a s e sw h e n 也es i z eo f t h ed e f e c ti sb i g g e ro ri ti sn e a r e rt ot l l et h r e a ds u r f 如e ，a n d 也e n ， “i se a s i e rt ob ef o u n d a n da l s o ，m e r ee x i s t sa r a n g eo f t l l ed e f e c td e t e c t i o n a sm o s to f t h e d e f e c t so nt 1 1 et l l l 嘲ds i l r ：f 砬ea r e 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，w h e nt l l e r a t i oo fd e p t i lt 0 谢d t l lo rw i d t ht od 印t ho ft l l ec r a c ki sl 2o r1 l ，t h el e a k a g em a g n e t i cf i e l d i sm u c hm o r eo b v i o u sa n di ti se a s i e rt of - m dm i sk i n do fc r a c k k e yw o r d s ：o i lw e ut u b i n g ，t l l r e a d ，m e c h a l l i c a lb e h a v i o r ，d e f e c t ，n o n d e s 饥l c t i v et e s t i n g ， l e a k a g em a 印e t i cf i e l d 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 拯整整日期：2 阳9 年争月j 爹日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：宣垦盘整 指导教师签名：琏挚扯 日期：如口g 年箩月j 爹日 日期：d 加q 吕年，月丑d 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 随着国家能源战略的顺利实施，石油化工行业作为能源战略的重要组成部分，确保 其安全、稳定的运行以及持续、健康的发展，成为当前乃至今后的重点。石油化工行业 源于油气的勘探、开发，油井管是油气勘探、开发的主要物资，是石油化工行业生产过 程中必不可少的重要资料。 油井管包括钻杆、方钻杆、钻铤及套管、油管等。服役时，油井管由专用螺纹连接 成数千米的管柱，包括钻柱、套管柱、油管柱。钻柱由方钻杆、钻杆、钻铤、转换接头 等组成，是钻井的重要工具和手段。套管柱下入井中建成井眼，用以防止地层流体流动 及地层挤毁井眼。油管柱下入套管柱内，构成井下油气层与地面的通道。在石油勘探开 发的钻井作业中必须使用钻杆和钻铤，固井必需套管，而采油必需油管。根据统计数据， 油井每钻进1 m ，约需油井管6 2 k g ，其中套管4 8 k g 、油管1 0 蚝、钻杆3 k 、钻铤0 5 k g 。 近年来，我国每年消耗油井管约1 3 0 万t 【。 油井管工况条件恶劣，例如油管柱和套管柱通常要承受几百甚至上千个大气压的内 压或外压、几百吨位的拉伸载荷，还有高温及严酷的腐蚀介质的作用。1 9 8 5 年以前，中 国每年仅钻柱断裂掉井事故即达1 0 0 0 起左右【2 1 。据国际钻井承包商协会( l c ) 统计， 每起钻柱断裂事故平均直接损失为1 0 6 万美元。中国西部油田一口油井的成本约几千万 元甚至上亿元人民币，而钻柱或套管柱损坏有时会导致油井报废。另外，套管的寿命直 接决定油井的寿命，油井的寿命又决定了油田的寿命。因此油井管的质量、性能对石油 工业的发展意义重大。 为了提高油井管的质量，保证油井采油工作的安全运行，无论在新油管出厂及应用 前还是在旧油管的修复过程中，都需要对油井管进行无损检测。接口螺纹区域是最薄弱 的环节，更应该在该部位进行重点检查。而目前油田上对油井管的检测还大部分只是局 限于管体，限于螺纹几何形状的复杂性，对接口螺纹区域的检测相对比较困难，系统研 究螺纹区域的检测的也不是很多。因此，保证油井安全、顺利地工作，降低事故的发生 和油田经济损失，对油井管接口螺纹区域进行重点检测势在必行。 第一章前言 1 1 油井管概述 油井管可以分为钻具用管和套管、油管，它们在油井钻采中的作用扼要介绍如下。 ( 1 ) 钻具 钻柱是从地面到井底带动钻头钻进的核心钻孔工具，也是地面通向井底的一条通 路。它的主要作用：一是传递扭矩；二是上部钻具承受钻柱本身一部分重量，下部钻具 给钻头造成破碎井底岩石的压力；三是输送洗井液，即钻井泥浆通过地面的高压泥浆泵 打入水龙头，进入钻柱内孔流入井底，冲刷岩屑，冷却钻头并携带岩屑经过钻柱外表面 与井壁的环形空间返回到地面，使井深不断加深直到钻到目的层。 ( 2 ) 套管 套管是支撑油、气井井壁的钢管。为缩短套管的下井时间，套管都采用螺纹连接。 钻一口井，按不同钻井深度和地质情况，一般都要用好几层套管，所以套管的消耗量占 全部油井管的7 0 以上。套管按使用情况分为：导管、表层套管、技术套管及油层套管。 常用规格有7 6 2 ，5 0 8 ，3 3 9 7 ，2 7 3 ，2 4 4 5 ，2 1 9 1 ，1 9 3 7 ，1 7 7 8 ，1 6 8 3 ，1 3 9 7 ， 1 2 7 ，1 1 4 3l l l i n 等。其常用钢级为j 5 5 、k 5 5 、n 8 0 、l 8 0 、c 9 0 、t 9 5 、p 1 1 0 、q 1 2 5 等。 ( 3 ) 油管 油气井打好后，用油管为油、气提供一条通路。当井下压力不够时，通过油管往井 里注水；在稠油热采过程中要用隔热油管向井下输入蒸汽；油井到了后期或为了提高油 气井的产量，需要对地层输入酸化和压裂的介质或固化物，这也是经过油管输送到底层。 油管分平式和加厚式。油管的规格有4 9 3 ，6 0 3 ，7 3 0 3 ，8 8 9 ，1 0 1 6 ，1 1 4 3m m 等。其下井深度基本上与油层套管相同，力学性能和密封性能也与油层套管相同，常用 钢级为j 5 5 、n 8 0 、c 9 0 和p 1 1 0 等。 油管是石油钻采过程中的一种专用材料，每年需求量很大。据统计，近年我国每年 消耗油井管约1 3 0 万吨【2 】，约占石油工业用钢总量的4 0 【3 】。根据我国的具体情况，油 井每钻进lm 需消耗5 5 6 2k ，其中油管1 4 5 1 6 5 蚝，占2 3 4 0 2 6 6 1 【4 】。可见 油管的使用量在工业用钢中也占有相当的比例。 1 2 常用油井管无损检测方法 油井管的质量对保证油田正常的采油作业起着至关重要的作用。随着工业应用的需 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 要，国内外对油井管的无损检测都进行了深入的研究，新的检测原理与方法不断出现， 常用的几种检测方法有：观察法、磁粉检测、涡流检测、超声波检测和漏磁检测。 ( 1 ) 人眼观察法 这种方法是油井管无损检测的最原始的方法，一般与水压实验结合起来使用。此种 方法主要检查油井管外壁腐蚀、大的孔洞与裂缝、油井管的弯曲以及接口螺纹的粘扣等 比较明显的缺陷。可靠性差，不能检查内部缺陷，而且人为因素影响很大，不利于生产 自动化的实现。 ( 2 ) 磁粉检测 被磁化的铁磁材料表面或近表面存在缺陷或组织状态发生变化时，该处的磁导率发 生变化，在材料表面空间形成漏磁场。如果在此表面上施加微细的铁磁性粉末( 磁粉) ， 漏磁场便可吸附磁粉形成磁痕，从而显示出缺陷的存在和形状，这便是磁粉检测【5 】。 严格来讲，磁粉检测是漏磁检测的一种，由于其使用广泛，习惯上常予以单列。根 据磁化试件方法的不同可以分为永久磁铁法、直流电法、交流电法等；根据磁粉的施加 可以分为干粉法和湿粉法及荧光磁粉法；根据试件在磁化的同时施加磁粉检测还是切断 电源后利用剩磁进行检测又可分为连续法和剩磁法【6 。7 】。磁粉检测法用于铁磁性材料的 检测，用来检测表面和近表面缺陷，可探测深度一般在1 2r i i l ，磁化场的方向应与缺 陷的主平面相交，夹角应在4 5 0 9 0 0 之间，有时还需要从不同方向进行多次磁化。另外， 这种方法不能确定缺陷的深度，宽而浅的缺陷也难以检出，美国空军的两项独立研究表 明【8 】：磁粉探伤的裂纹检出率仅为4 7 。 由于磁粉检测法试件表面的洁净度要求较高，所以不太适合对使用过的油井管进行 检测，一般用于新油井管出厂时的检测。当采用普通磁粉检测时，由于油井管表面的氧 化层与磁粉颜色相近，不便于观察，容易造成误检或漏检，多主要采用荧光磁粉法来检 测。在油井管表面包覆一层荧光物质，当荧光磁粉受到漏磁场作用沉积在缺陷上时，在 紫外线灯光的照射下，荧光磁粉表面的荧光物质激发出黄绿色的荧光，从而显示出缺陷 的形状和位置。 ( 3 ) 涡流检测 涡流检测是利用电磁感应现象，当载有交变电流的检测线圈靠近导电试件时，由于 电磁感应，试件内会感生出涡流。涡流的大小、相位以及流动形式会受到试件的导电性、 形状的影响，涡流产生的反作用磁场又使检测线圈的阻抗发生变化，通过检测线圈阻抗 第一章前言 的变化便可以判断出被检测油井管管材的性能或状态，以实现对油井管缺陷的检测。常 用的涡流检测方法有点探头式和穿过式【9 1 。 涡流检测的主要优点是检测速度快，检测灵敏度高，线圈与试件可以不直接接触、 检测探头可实现零磨损，无需耦合剂等。主要缺点是只限用于导电材料，对于形状 复杂的试件难作检查，由于趋肤效应的存在，只能检测薄试件或厚试件的表面、近表面 部位，无法有效的检测出油井管内壁缺陷。 ( 4 ) 超声波检测 超声波检测一般是指使超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究， 对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并 进而对其特定应用性能进行评价的技术1 2 】。 此种方法作用于材料的超声强度足够低，最大作用应力远低于弹性极限，可用于金 属、非金属、复合材料制作的无损评价。同时对确定内部缺陷的大小、位置、取向、埋 藏深度、性质等参量上与其他无损检测方法相比具有综合优势，而且只需从一侧接近试 件，设备轻便对人体及环境无害，可作现场检测，所用参数设置及有关波形均可存储以 备以后调用。但此方法为使超声波能以常用的压电换能器为声源进入试件，一般需要耦 合剂，而且对试件形状的复杂性仍有一定限制1 2 。1 3 】。 ( 5 ) 漏磁检测 漏磁检测法是对被检测材料施加外磁场磁化，当材料中没有缺陷时，磁力线绝大部 分通过被检测材料，此时磁力线分布均匀；当材料内部有缺陷时，磁力线发生弯曲，一 部分磁力线漏出材料表面形成漏磁场，用磁性敏感元件检测被磁化材料表面的漏磁场以 判断缺陷的存在。漏磁检测法适用于各种铁磁材料，可以对裂纹、腐蚀等缺陷进行检测， 并可以准确地判别出缺陷的位置。 此种方法对铁磁材料表面、近表面、内部裂纹以及锈蚀等均有比较满意的检测效果， 探头装置结果简单、易于实现、成本低且操作简单，而且不受被测材料表面污染状态的 影响，进行检测时对被测材料表面清洁度要求不高，能够实现较高的检测速度，可实现 全自动化检测。因此，在众多的油井管检测方法中，漏磁检测方法使用最为广泛【1 4 之2 1 。 1 3国内外油井管接口螺纹无损检测技术 为保证油井管在工作时的高性能，必须对其外形尺寸、机械性能、内外表面状态及 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 螺纹连接的性能进行严格的检查。否则，一点点小缺陷也将给油井管的使用带来危险， 甚至造成严重事故。近年来一些国家成立了专门的机构，从事石油专用管材无损探伤设 备、技术的研究，并制定了若干检测标准来规范油管类构件缺陷的检测，如a p i 标准委 员会的a p is p e c5 c t 套管和油管规范等。 对螺纹连接部位的无损探伤方面，漏磁检测是目前检测铁磁性材料最可靠、检测效 率最高的检测方法。但是，常规的漏磁检测方法有很多局限性，如端部效应、扫描速度、 磁化强度、磁化方式等因素对检测的影响，使得采用该方法检测某些特殊部件有很大困 难。油井管螺纹曲面交贯线较多，螺纹本身表面不平整，检测区域小，一般的检测方法 很难对其缺陷进行全面的检测，丁劲峰，康宜华等【2 3 】提出了一种专门检测工件端部的局 部漏磁检测方法，并介绍了一种油管螺纹漏磁检测传感器，可对油管螺纹部分经常出现 的断扣、丝扣磨损、根部裂纹、粘扣以及油管螺纹区域锥度的变化等缺陷进行准确、快 速的检测；戴光，吴磊等( 2 4 j 提出对油管螺纹缺陷和应力集中分布程度采用磁记忆检测技 术；此外，采用荧光磁粉的方法也可以检测油管根部缺陷及螺纹部分缺陷。 由于磁力探伤只能对浅表层检测，不能发现深部缺陷，刘锦生等【2 5 】提出采用超声波 检测方法，选用直探头，由螺纹侧端面来检测螺纹部分横向缺陷。在超声波探伤方法检 测螺纹方面，不少研究者分别从探伤方法、探头设计等方面进行了很深入的研究。周迪 生【2 6 】提出用小角度纵波探头对齿根裂纹进行检测，灵敏度高、波形分辨清楚；陈金国等 【2 7 1 提出用小角度直探头超声波探伤方法检测螺纹疲劳裂纹；彭应秋等人【2 8 】还研制了接触 式线聚焦双斜探头，对管状螺纹连接部分进行探伤。 近几年来，研究者又提出了一些新的螺纹检测方法。刘庆民等【2 9 】引用计算机横向断 层扫描技术( c t 技术) ，并与图像处理技术相结合，探讨了内螺纹的图像检测方法，在 一个系统中实现对工件内部缺陷的检测和几何参数的测量；亓和平【3 0 j 还提出运用交变电 磁检测技术对螺纹进行检测，该方法具有非接触、不需标定、检测速度快和适应性好等 优点，在石油石化工业有良好的应用前景。 1 4 主要研究工作及目标 油井管作为油气勘探、开发的主要物资，成为石油化工行业生产过程中必不可少的 重要组成部分。随着石油工业的发展，采油条件越来越恶劣，使得油管的服役条件变得 更加苛刻和复杂。粘扣、泄露、滑脱和断裂失效时有发生，给国民经济带来了巨大的经 第章前言 济损失。油管间的联接普遍采用l ：1 6 锥度的圆螺纹。圆螺纹油管自2 0 世纪问世以来， 在油气田得到了广泛的使用，特别是1 9 2 5 年正式纳入a p i 标准【3 1 1 以后，圆螺纹油管倍 受人们的关注，而且有关提高圆螺纹服役性能如抗滑脱、抗泄漏、抗粘扣等的研究从未 终止过【3 2 3 8 1 。 无损检测技术是研究在不损伤被检材料或工件的情况下，测量其物理性能和几何特 性，检测其宏观裂纹、夹杂等缺陷，评定化学成分、内部组织结构、力学性能的变化， 进而对其适用性进行评价的技术。漏磁检测是电磁类的无损检测技术，是检测钢铁工件 的首选方法。由于油井管绝大多数采用导磁性能良好的高碳钢制成，且磁性检测成本低， 易于实现，所以该检测方法是目前被公认的最为常用的油井管检测方法。 由于油井管螺纹曲面交贯线较多，螺纹本身表面不平整，检测区域小，很难对其缺 陷进行全面的检查。因此，在对油井管螺纹连接区域进行检测时，其磁化方式以及磁场 分布规律的研究对全面检查螺纹表面及近表面缺陷具有重要的指导意义。然而，国内外 在这方面的研究还很少，在螺纹区域进行较理想的磁力检测还有大量的工作要做。 本论文的主要研究工作为： ( 1 ) 油井管接口螺纹机紧状态力学行为分析 在弹塑性力学的基础上，结合油井管工作的具体情况，通过建立数学模型的解析法 和有限元分析的数值模拟两种方法对油井管在机紧状态下的力学行为进行分析，研究螺 纹区域各扣牙的受力状态，找出分布规律和危险区域，为在油井管接口螺纹部位进行无 损检测提供重点研究区域。 ( 2 ) 油井管接口螺纹区域的磁化过程 根据麦克斯韦电磁理论，结合接口螺纹区域各扣牙几何形状的特殊性以及螺纹区域 常见的缺陷形式，选择直流线圈磁化和中心导体法两种磁化方式对油井管接口部位磁 化，利用a n s y s 软件对磁化过程进行模拟，得到沿各扣牙表面均匀分布的纵向和环向 电磁场，为螺纹区域缺陷的漏磁场分布规律研究提供基础。 ( 3 ) 接口螺纹区域缺陷漏磁场数学模型的建立 以磁偶极子理论为基础，采用建立数学模型的解析法，建立油井管接口螺纹区域表 面裂纹及近表面孔洞型缺陷的磁荷模型，分析了缺陷周围的漏磁场分布规律，同时改变 缺陷的各尺寸、位置参数，以研究这些参数对螺纹表面缺陷周围漏磁场分布规律的影响， 为在接口螺纹区域进行漏磁检测提供理论依据。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 4 ) 螺纹表面不同位置、大小缺陷的漏磁场分布规律研究 在麦克斯韦电磁理论的基础上，采用有限元分析的方法，分析了螺纹区域最常见的 横向裂纹缺陷周围的漏磁场分布规律。通过改变裂纹的位置、尺寸参数，研究各参数对 漏磁信号的影响，同时研究还表明，漏磁检测对螺纹表面横向裂纹的检测存在一定的检 出范围，裂纹的深宽比或宽深比对漏磁信号也有一定的影响作用。 7 第二章油井管接口螺纹机紧状态的力学行为 第二章油井管接口螺纹机紧状态的力学行为 油井管服役时，由专用螺纹连接成数千米的管柱，包括钻柱、套管柱、油管柱。钻 柱由方钻杆、钻杆、钻铤、转换接头等组成，是钻井的重要工具和手段。套管柱下入井 中建成井眼，用以防止地层流体流动及地层挤毁井眼。油管柱下入套管柱内，构成井下 油气层与地面的通道。 套管柱在建井、完井和油气生产过程中都要承受载荷和环境的作用。在载荷方面， 套管柱要承受轴向载荷及外挤力、内压力3 种外载。在某些情况下，还要承受弯、扭载 荷的作用。在环境方面，套管柱要承受油、气及地下水中腐蚀介质( 如h 2 s 、c 0 2 、c 1 、 【o 】及h 2 0 等) 的侵蚀和温度的影响。采用射孔方法完井的生产套管柱，需承受射孔弹的 大能量高温瞬时冲击载荷。抽油机井中使用的油管柱所受载荷随着上、下冲程发生变化， 下冲程高于上冲程，两者之差大体上相当于液柱作用力以及液柱与油管间摩擦力之和。 这样，油管柱实际上主要承受轴向拉拉交变载荷。此外，根据油井情况不同，油管柱 还承受不同程度的弯曲应力。 由于地质和油层构造情况复杂，条件不同，原油生成的状态差异较大：有的油质稀 释清澈如水，挥发性较强；有的浑浊稠粘呈褐色如泥浆，流动性差：有的自身压力较高 达上百个大气压，自喷能力较强。有的低压常温下流动性差需要靠抽油机吸提取；也有 的原油中含大量c 0 2 、c l 。或h 2 s 等腐蚀性特强的介质。原油往往由油、气和水共存，勘 采过程中有时尚需作井下技术处理，利用管柱注高压水、注蒸汽、注酸压裂或井下加热 等。 近年来，随着我国油气田勘探开发的不断发展，油井管的服役条件更加苛刻，油田 油井管失效事故日趋增多。因此，系统分析油井管的受力状态，找出薄弱环节，并针对 具体情况采取合理的预防措施，同时针对危险部位，在新油井管服役前及旧油井管修复 中重点进行质量检测，以保证油田采用作业的安全进行。 2 1p 1 1 0 油管主要参数 本章中选取上海宝钢股份有限公司2 0 0 0 年1 1 月生产的p 1 1 0 加厚油管( 用户代号 8 0 0 2 2 4 ) 。油管按美国石油学会a p is p e c5 c t - 1 9 9 8 标准生产，螺纹按a p is p e c5 b 1 9 9 2 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 - 2p 1 1 0 油管材料性能表 i a b l e 2 - 2m a t e r i a lp e r r 咖a n c eo fp 1 l ot u b i n g 表2 - 3p 1 1 0 油管尺寸规格表 i a b l e 2 3d i m e n s i o ns p e c i n c a t i o no fp 1 1 0t u b j n g 2 2 油管本体受力分析 对于处于工作环境下的油管，其本体要受到外部工作环境对它的外部压力、内部石 油对它所产生的内部压力以及由于自身的管重所造成的轴向力，以下是对各力的具体计 算。 2 2 1油管所受外部压力的计算 油管所受的外部作用力主要来自管外的施工介质、地层中的油、气、水压力及地层 侧压力。 施工介质的最大密度：r m 双= 2 0 4 咖m 3 9 第二章油井管接口螺纹机紧状态的力学行为 施工介质的最小密度：r m i i l = 1 0 7g c m 3 水泥面与井口的距离：h = 0m 所以油管所受外部压力： p = 9 8 0 6 6 5 ( i k i n + r m 腻( z h ) ) = 9 8 0 6 6 5 ( 1 0 7 1 03 + 2 0 4 1 03 4 1 5 0 0 2 ) = 8 3 0 3 4 1 0 7 p a = 8 3 0 3 4m p a 2 2 2 油管所受内部压力的计算 油管所受内部压力 肛0 8 7 5 陪 式中：p i 管体内屈服压力，l ( p a ； y p 规定的最小屈服强度，k p a ； t 公称壁厚，c m ： d 公称外径，c m 。 其中，系数o 8 7 5 为考虑了最小壁厚。 将油管各种参数带入上式可得油管的内部压力： 盯内= 尸i = o 8 7 5 兰! 二篁学= 9 6 8 8 ( m p a ) 2 2 3 油管管体自重产生的轴向力的计算 轴向的作用力主要包括油管自身的重力，扭矩产生的外部作用力，和吊起油管时油 管所受的的轴向拉力。其中吊起油管时油管所受的的轴向拉力是为维护油管的平衡，其 大小根据其他应力的大小而定。所以以下主要计算由于管体自身的重力所产生的轴向 力。 由重力产生的轴向应力是上面最大，所以油管产生的轴向拉应力最大点是油管最上 面的点。 已知管数：4 6 4 9 ( 8 5 3 9 7 5 ) = 4 7 6 5 4 5 ( 个) 管重：g = 管数管名义重量= 4 4 2 6 8 5 0 6 8 5 ( 蚝) 取最大值g = 5 0 6 8 0 5 k g 所以由于油管自身的重力所产生的轴向应力： 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 盯重2 两矿而2 丙蔽面蕊矿石而 = 3 0 3 5 2 8 4 8 5p a = 3 0 4m p a 根据a p ir p5 c i 标准规定，a p i8 牙圆螺纹接头最大轴向拉力为9 6 0l ，即5 7 4 9 0 m p a 。由上面的计算可以看出，无论是外部工作环境对其产生的外压，内部石油对其产 生的内压，还是由于自身管重所产生的轴向应力都远远小于a p i 标准中所规定的应力 值。 因此，油管在上卸扣和工作过程中，主要受轴向外加载荷和扭矩的作用，在以下计 算中可将重力和内外压力忽略不计。 2 3 油管接口螺纹机紧状态的受力分析 对油井管接头螺纹进行应力分析时，接头的变形往往会超出弹性变形范围，必须同 时考虑弹性变形和塑性变形。由于油管接头受力后变形较大，局部区域往往超过了材料 的屈服极限，必须同时考虑材料非线性和几何非线性问题f 3 9 】。因此圆螺纹接头的应力分 析是一个综合材料非线性和边界条件非线性的弹塑性接触问题。弹性区采用h o o k ( 虎克) 定律，塑性区采用p r a i l d t l r e u s s ( 普朗特一劳斯) 增量理论和m i s e s ( 米赛斯) 屈服准 则。如果虽然发生了塑性变形但变形较小，即在小变形弹塑性变形的情况下，仍可以采 用工程应力和工程应变作为应力度量和应变度量，这时弹性力学中的平衡方程和几何方 程仍然成立，只是物理方程变为非线性的了，即为材料非线性问题。由于这种方法忽略 了微元体的变形，并认为位移与应变呈线性关系，只适合分析油管的上扣等变形较小的 过程。如果塑性变形较大，则必须考虑由于大位移和大转动对单元形状及有限元结果的 影响，平衡方程必须相对于变形过的几何位置写出，应力一应变曲线也必须是真实应力 ( 柯西应力) 一对数应变曲线。 2 3 1 弹塑性力学屈服条件及研究所做的假定 固体材料在受力以后要产生变形，从变形开始到破坏一般要经历两个阶段，即弹性 变形阶段和塑性变形阶段。根据材料特性不同，有的弹性阶段较明显，而塑性阶段很不 明显，如脆性材料往往弹性阶段以后紧跟着就破坏。有的则弹性阶段很不明显，变形一 开始就伴随着塑性变形，弹塑性变形总是耦合产生。如混凝土材料。不过大部分固体材 第二章油井管接l j 螺纹机紧状态的力学行为 料都呈现出明显的弹性变形阶段和塑性变形阶段。由材料力学知道，弹性变形是物体卸 载以后，能完全消失的那种变形，而塑性变形是卸载后不能消失而残留下来的那部分变 形【4 0 】。 弹塑性力学是固体力学的一个分支学科，是研究可变形固体受到外载荷、温度变化 及边界约束变动等作用时，弹塑性变形和应力状态的科学。弹性力学和塑性力学分别讨 论固体材料中的理想弹性体及固体材料弹性变形阶段和塑性变形阶段的力学问题。可变 形固体的弹性阶段与塑性阶段是整个变形过程中不同的两个阶段，弹塑性力学是研究这 两个密切相连阶段的力学问题的科学。可知塑性力学问题要比弹性力学问题复杂得多， 但为了更好地了解固体材料在外力作用下的性质，塑性理论的研究是十分必要的。对于 工程结构的设计来说，如不进行弹塑性分析，则有可能导致浪费或不安全，乃至出现以 弹性设计代替塑性设计的错误。鉴于问题的复杂性，通常在理论分析中要采用简化措施， 使在反映了具体问题的主要特征的前提下，将问题理想化。 塑性范围内的应力应变与弹性范围的区别主要在于：应力与应变之间的关系是非 线性的，其比例系数不仅与材料有关，还与塑性变形大小有关；由于塑性变形的出现， 应力与应变之间不再存在一一对应的关系，它与加载历史有关；变形体中可分为弹性 区和塑性区，在弹性区中，加载与卸载都服从广义的虎克定律，但在塑性区中，加载过 程服从塑性规律，而卸载过程则服从弹性虎克定律，即材料的弹性性质不受塑性变形的 影响删。 弹塑性力学中常用的屈服条件有： ( 1 ) 最大剪应力条件 特雷斯卡( h t r e s c a ) 根据自己的实验结果，认为最大剪应力达到某一数值时，材 料就发生屈服即1 。即f 咄= 去仃；，q 为材料的屈服强度。 二 ( 2 ) 畸变能条件 米泽斯( r v o nm i s e s ) 提出，与物体中一点的应力状态对应的畸变能达到某一数 值时，该点便屈服【矧。七表征材料屈服特征的参数，即七= 专盯。 3 以上两种屈服条件各有优缺点，最大剪应力条件在某些情况下较畸变能条件简便， 但畸变能条件比最大剪应力条件更接近实验结果。 为使所研究的问题简便可行，必须引进下列一些假定【4 1 】： 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 假定固体材料是连续介质。即这种介质无空隙地分布于物体所占的整个空间。 根据连续性假定，表征物体变形和内力分布的量，可以用坐标的连续函数来表示，进行 数学分析。 ( 2 ) 物体为均匀的各向同性体。即认为物体内各点介质的力学特性相同，且各点 的各方向性质也相同。表征这些特性的物理参数在整个物体内不变。 ( 3 ) 物体的变形属于小变形。即认为物体在外力作用下所产生的变形，与其本身 几何尺寸相比很小，可以不考虑因变形而引起的尺寸的变化，可以用变形前的几何尺寸 来代替变形后的尺寸【4 2 1 。此外，物体的变形和各点的位移公式中二阶微量可以略去不计， 从而使得几何变形线性化。 ( 4 ) 物体原来是处于一种无应力的自然状态。即在外力作用以前，物体内各点应 力均为零。 2 3 2 接口螺纹各扣牙受力状态的数值计算 ( 1 ) 上扣扭矩与轴向力的关系 f f c o s 口 “：8 ( a ) 矩形嘬纹受力示意图( b ) 螺l 湎上受力示翩 图2 1 矩形螺纹的轴向力f b 与切向力f f 的关系图 f i 9 2 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e na x i a lf o r c ea n dt 柚g e n t i a lf o k eo fr e c t a n g u l a rt h 弛a d 如图2