极端条件下气井油套管端力学行为及其螺纹密封机理研究

The metal to metal seal ability of premium connection available nowadays in the world could not fully satisfy the so called “the extreme conditions” gas wells not only in sealing but also for tensile strength. In view of the service environment of the complex work cases’ tubing and casing under the extreme conditions in gas well, studies the static and dynamic mechanical behavior of the completion string as well as the influence on the seal integrity of the wellbore; establishes the evaluation methods of the erosion and corrosion of the gas well tubing and casing connections under the extreme conditions, by the study of the behaviors of the mechanics, researches the sealing performance of the connection influencing on the tubing material corrosion under the different out pressure, inner pressure, tension and bending when acidizing for each interval. This project pursues innovative research in such aspects as dynamic working mechanics, stress wave propagation at seal contact surface and its damage mechanics on sealing faces, the calculation and concept of permissible contact stress in corrosion environments. The research project is a cross linking of multidiscipline, which will take in relative theories of elastoplastic contact mechanics, creep and relax, stress wave propagation ,fatigue damage of seal face contact and notch sensibility. The project will complete a suit of connection strength calculation, theories of thread working and sealing structure, which will push forward the advancement of connection mechanics, sealing ability and well bore integrity under the extreme conditions in gas wells. The achievements will be of scientific significant in well bore engineering.

世界现有的油套管特殊螺纹密封性能均不能可靠满足极端条件下“气井”密封性或强度要求。针对油套管在极端条件下气井复杂工况的服役环境，研究完井管柱静、动态力学行为及其对井筒密封完整性的影响，建立模拟极端条件下气井油套管端力学行为研究的力学数学模型，提出油管螺纹动态工作力学、螺纹密封面应力波传播及密封面动态损伤机理研究，以及压裂酸化、超高产对各井段不同外压、内压、拉伸、弯曲载荷下管端接头密封机理及其冲蚀、腐蚀机理研究。即本项目对气井油套“管端”开展基于弹塑性接触力学、松弛与蠕变、应力波传播、密封面接触疲劳损伤以及缺口敏感性的源头创新研究，最终形成一套极端条件下油套管端螺纹工作力学理论及其螺纹密封结构设计理论，研究成果对推动极端条件下气井油套管端力学的发展、气井井筒结构完整性、螺纹密封理论以及油气井工程学科的发展具有重大的科学意义。

世界现有的油套管特殊螺纹密封性能均不能可靠满足极端条件下“气井”密封性或强度要求。国内外有关油套管管端力学行为及其管端螺纹密封机理研究处于常规的或单一“极端条件”的研究，针对超深、超高温、超高产量以及超高腐蚀同时作用的“四超”气井油套管管端力学行为基础或机理研究的公开文献甚少。国外著名公司持续改进或推出管端新结构特殊螺纹扣，但是几乎不公布其依托或支撑的机理或设计理论。国内在该领域缺乏基础性研究，基于该背景提出了该基金项目的研究工作。.针对“极端条件”工况，主要研究内容为：气井油管柱工作力学行为研究；气井管端螺纹工作力学及其密封机理研究；气井管端螺纹弹塑性及滑动接触力学的基础理论研究；管端螺纹气密封结构优化设计理论研究；高抗拉、抗压强度管端螺纹结构设计理论研究以及防止螺纹腐蚀泄漏的密封结构及表面工程理论研究。在国内外公开发表学术论文50篇，其中SCI收录17篇。出版学术专著1部，获授权发明专利5件，软件著作权1件。培养硕士、博士毕业共19名，培养中青年骨干教师6名。.基于高温环境中的单轴拉伸蠕变试验，研究了油、套管的蠕变松弛力学行为，建立了高温环境下特殊螺纹扣主密封面接触应力松弛随时间变化计算模型；提出了为避免特殊螺纹主密封面的微振磨损机理；基于金属密封气体泄漏机理，建立了油套管特殊螺纹主密封面微观尺度下的气体泄漏理论模型，为揭示油套管特殊螺纹气密封失效机理、定量评价螺纹密封性能、优化密封结构设计奠定了理论基础；建立了特殊螺纹主密封面结构接触数值模型，提出了基于Bezier曲线理论的“极端”条件下气井油套管特殊螺纹主密封面密封结构设计方法。最终形成了一套极端条件下油套管端螺纹工作力学理论及其螺纹密封结构设计理论，该研究成果对推动极端条件下气井油套管端力学的发展、气井井筒结构完整性、螺纹密封理论以及油气井工程学科的发展具有重大的科学意义和应用前景。