李松梅， 李淑濤， 秦雙雙

（中海能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程公司，天津 塘沽300452）

1 引 言

目前海上注水井使用的注水管均為普通NU 油管，在高壓高流速的作用下，管體與接箍連接處形成較強(qiáng)的渦流，油管出現(xiàn)嚴(yán)重沖蝕和大面積結(jié)垢的現(xiàn)象,導(dǎo)致注水管的連續(xù)工作壽命較短，頻繁停機(jī)檢修，增加生產(chǎn)成本。針對(duì)這些問(wèn)題設(shè)計(jì)了特殊注水管，該注水管接箍采用內(nèi)凸臺(tái)的結(jié)構(gòu)和特殊的螺紋結(jié)構(gòu)形式，使得注水管與接箍連接起來(lái)后內(nèi)徑完全一致，可有效消除由于渦流而帶來(lái)的影響，延長(zhǎng)注水管的連續(xù)工作壽命，增加了注水量，提高了地層壓力，提高了原油的采收率，在很大程度上縮小了停機(jī)檢修的頻率，大大降低了生產(chǎn)成本。

2 結(jié)構(gòu)形式和螺紋形式的設(shè)計(jì)

2.1 普通注水管的有限元分析計(jì)算

根據(jù)對(duì)普通注水管結(jié)垢、沖蝕的分析，出現(xiàn)該問(wèn)題的原因是由于注水管在接箍連接處存有間隙，液體在高壓高流速下在此處產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流，從而導(dǎo)致在該局部區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重的沖蝕結(jié)垢現(xiàn)象。通過(guò)ANSYS 軟件對(duì)注水管管內(nèi)的液體流速、壓力、結(jié)構(gòu)過(guò)程以及沖蝕進(jìn)行有限元分析計(jì)算，其結(jié)果證實(shí)了我們分析的原因的正確性，并模擬出了普通注水管的結(jié)垢過(guò)程。

如圖1、如圖2，通過(guò)對(duì)流速、流層的分析，可見(jiàn)在接箍中間縫隙位置，存在較強(qiáng)的渦流，正是渦流的存在導(dǎo)致了大面積結(jié)垢的發(fā)生。

圖1 流速分析圖

圖2 流層分析圖

通過(guò)壓力計(jì)算結(jié)果可以看出在接箍中間縫隙處的壓力較高，從而導(dǎo)致出現(xiàn)沖蝕現(xiàn)象。

通過(guò)分析軟件對(duì)其結(jié)垢過(guò)程進(jìn)行模擬，如圖3、圖4。

圖3

圖4

對(duì)沖蝕現(xiàn)象我們用ANSYS 軟件進(jìn)行了計(jì)算，并得出計(jì)算結(jié)論。根據(jù)以上螺紋裝配和加水壓的計(jì)算結(jié)果，鋼管容易出現(xiàn)沖蝕的部位有2 個(gè)，一是管頭，二是鋼管與螺紋套入口的接觸部位的內(nèi)側(cè)。沖蝕機(jī)理和過(guò)程可以解釋為：因?yàn)樵诮庸恐虚g有間隙，因此造成局部應(yīng)力過(guò)高，在有腐蝕的環(huán)境下，如果管頭和鋼管高應(yīng)力部位發(fā)生腐蝕，就會(huì)出現(xiàn)局部材料失效或脫落，局部材料的失效和脫落引起鋼管內(nèi)部應(yīng)力的重新分配，導(dǎo)致鋼管的部分區(qū)域的應(yīng)力超標(biāo)，局部的超標(biāo)應(yīng)力逐漸發(fā)展導(dǎo)致了較大區(qū)域的材料失效與脫落。

2.2 新型連接方式注水管的設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，我們?cè)O(shè)計(jì)了新型連接方式注水管，其結(jié)構(gòu)形式如圖5。

在新型連接方式注水管中，由于接箍形式的改變，消除了接箍中間的縫隙，消除了因縫隙而帶來(lái)的渦流，從而解決了結(jié)垢和沖蝕帶來(lái)的影響與不利。

通過(guò)用ANSYS 有限元分析軟件對(duì)新型連接方式注水管進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果如圖6、圖7。

圖5 新型連接方式注水管結(jié)構(gòu)示意圖

圖6

圖7

由計(jì)算結(jié)果可知，在新型連接方式注水管內(nèi)，其液體的流速與壓力均是均勻分布，這就說(shuō)明徹底地消除了渦流帶來(lái)的影響。

新型注水管材料仍選用N80，其力學(xué)性能完全滿足生產(chǎn)需要。

3 新型連接方式注水管的的加工

3.1 圖紙的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，我們繪制了設(shè)計(jì)圖紙，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)圖紙如圖8、圖9。

3.2 新型連接方式注水管的加工及上扣實(shí)驗(yàn)

在螺紋的加工過(guò)程中，如何去確定合適的緊密距、上扣扭矩，以及合適的緊密距數(shù)值為多少成為了一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)，為此我們根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，加工了數(shù)十個(gè)不同的緊密距的螺紋，通過(guò)上扣實(shí)驗(yàn)，反復(fù)地?cái)Q接，最終確定了緊密距以及上扣扭矩。

圖8 新型連接方式注水管接箍

圖9 新型連接方式注水管公頭

4 質(zhì)量的保證

我公司已經(jīng)從事多年加工各種API 標(biāo)準(zhǔn)鉆桿螺紋和油、套管螺紋的工作，并且通過(guò)了API 認(rèn)證，我們還自行設(shè)計(jì)了擁有獨(dú)立產(chǎn)權(quán)的BHT 特殊螺紋。公司檢驗(yàn)設(shè)備精良、齊全，檢驗(yàn)員均通過(guò)了API 一級(jí)檢驗(yàn)員考試，檢驗(yàn)認(rèn)真細(xì)膩，經(jīng)驗(yàn)豐富?？梢哉f(shuō)我們?cè)诼菁y加工方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。為了保證加工精度和質(zhì)量，我們?cè)诩庸r(shí)采用先進(jìn)的數(shù)控車床，以提高加工精度，在加工過(guò)程中增加階段檢驗(yàn)的程序，嚴(yán)格地控制每道工序。

5 結(jié) 論

新型連接方式注水管的設(shè)計(jì)研發(fā)，完全解決了普通注水管因存在渦流而帶來(lái)的大面積的結(jié)垢現(xiàn)象，從而解決了實(shí)際生產(chǎn)中生產(chǎn)效率較低、頻繁修井作業(yè)以及生產(chǎn)成本高的問(wèn)題，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

［1］ 孫訓(xùn)方，等.材料力學(xué)［M］.北京高等教育出版社，1994.

［2］ 許志倩，等.非API 標(biāo)準(zhǔn)Big Omega 特殊螺紋接頭連接性能數(shù)值分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（6）：34-39.