一种定量评估非API油套管接头密封性能的计算方法技术

本发明专利技术涉及一种定量评估非API油套管接头密封性能的计算方法。首先，利用Monte Carlo随机正态分布抽样公式结合密封表面粗糙度，模拟得到密封面轮廓曲线，依据不同样本容量和表面粗糙度下的轮廓曲线几何形貌特征统计数据，获得到模拟曲线几何共性特征，建立金属对金属密封的微观泄漏模型。然后结合泄漏气体特性，推导出含有密封面微观几何形貌特征的气泄漏率计算公式。最终，依据非API油套管接头主密封结构加工参数，获得主密封面总密封预紧压力，计算得到通过主密封结构的气体总泄漏率，由此获得非API油套管接头密封性能定量评估预测方法。本发明专利技术考虑了多个油套管接头密封加工参数以及泄漏气体特性对泄漏率的影响。

A Calculating Method for Quantitative Assessment of Sealing Performance of Non-API Oil Casing Joints

The invention relates to a calculation method for quantitatively evaluating the sealing performance of non-API tubing and casing joints. Firstly, using Monte Carlo random normal distribution sampling formula and the roughness of sealing surface, the contour curve of sealing surface is simulated. According to the statistical data of geometric features of contour curve under different sample size and surface roughness, the geometric common characteristics of simulation curve are obtained, and the micro-leakage model of metal-to-metal seal is established. Then, combined with the characteristics of leakage gas, the formula for calculating the gas leakage rate with the micro-geometrical features of the sealing surface is derived. Finally, according to the processing parameters of the main sealing structure of non-API tubing-casing joints, the total sealing pre-tightening pressure of the main sealing surface is obtained, and the total gas leakage rate through the main sealing structure is calculated, thus the quantitative evaluation and prediction method of the sealing performance of non-API tubing-casing joints is obtained. The invention considers the influence of sealing processing parameters of multiple tubing and casing joints and leakage gas characteristics on leakage rate.

【技术实现步骤摘要】
一种定量评估非API油套管接头密封性能的计算方法
本专利技术涉及一种高压气井石油管材用非API接头油套管技术，具体涉及一种定量评估非API油套管接头密封性能的计算方法。
技术介绍
伴随着我国高压气田的大量开采，具有较高气密封性的非API油套管应用日趋广泛。然而，非API油套管相较于API油套管具有其独特的密封结构，因此，通用的API油套管评价标准不适用于非API油套管接头。该类标准中的接头密封性能评价方法是将“接头螺纹接触面”作为评价对象，从“零”泄漏角度出发，先计算“螺纹密封面接触压力”，然后通过对比“螺纹密封面接触压力”与“油套管内气体压力”大小来间接评测油套管接头的密封性能。而事实上，密封只是相对概念，绝对的“零”泄漏现象并不存在，故由此得出的评测结果准确度很低，不能真正反映预测油套管接头密封性能。目前，针对非API油套管接头密封性能的研究手段，主要是基于密封面接触压力数值模拟计算的定性分析。在计算方法中没有考虑油套管接头密封结构处的技术加工参数(如，密封面接触形式、接触面积、表面粗糙度、密封脂和表面处理技术，等)对密封效果的影响，因此也就无法揭示上述因素与密封性能之间的定量关系，使得非API油套管接头密封结构处的关键加工参数成为少数国外厂家专利。故将微观泄漏机理引入密封性能评估，结合宏观应力-应变规律，考虑多种密封影响因素，推导出一种定量评估非API油套管接头密封性能的计算方法，是十分必要和重要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于弥补现有技术的缺陷和不足，提供一种针对高压气井油套管材用非API油套管接头密封性能定量评估的方法，通过微观泄漏机理将表面粗糙度、泄漏介质特性等多种密封影响因素，引入金属对金属密封性能评估中，结合弹塑性力学和流体力学理论，推出含有密封表面微观几何形貌特征和主密封结构重要加工参数的泄漏率计算公式，建立一套适用于非API套管接头密封性能定量评估的方法，为我国自主研发具有高密封性能的套管接头提供理论设计参考依据。本专利技术涉及到的概念“API油套管”和“非API油套管”，出自《APIBUL5C3：关于套管、钻杆、钻杆和管线管的公式和计算的公报》和《ISOTR104002007：石油管特性公式和计算公报》本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术的一种定量评估非API油套管接头密封性能的计算方法，具体包括以下步骤：步骤一：建立含有预设表面粗糙度的金属对金属密封微观泄漏模型利用MonteCarlo随机正态分布抽样公式，结合密封表面粗糙度加工参数，模拟得到服从正态分布和预设表面粗糙度在0.1～1.6微米范围内的密封面轮廓模拟曲线。MonteCarlo随机正态分布抽样公式中用到的“样本均值”取密封面表面粗糙度值，“样本标准差”取轮廓曲线最大高度值的六分之一依据不同样本容量和表面粗糙度下，轮廓曲线的平均峰角、平均峰高和三角峰数目与样本容量比值的统计数据，分析得到密封面模拟轮廓曲线的几何共性特征：服从正态分布的轮廓模拟曲线其三角峰数目与样本容量的比值在任何表面粗糙下均为三分之一。根据密封面轮廓模拟曲线几何共性特征，将模拟轮廓曲线简化为由多个相同等腰三角峰连贯组成。等腰三角峰的数量取值为样本容量的三分之一，等腰三角峰顶角取值为密封轮廓曲线的平均峰角值，等腰三角峰高度取值为密封轮廓曲线的平均峰高值。结合密封面轮廓曲线几何形貌参数，建立具有几何共性特征的高硬度管体层压入低硬度软金属镀层的微观泄漏模型。本专利技术涉及到的“MonteCarlo随机正态分布抽样公式”，“样本容量”，“样本标准差”出自《蒙特卡罗方法理论和应用》。本专利技术涉及到的概念“表面粗糙度”，“轮廓曲线最大高度”，出自《摩擦学教程》。本专利技术涉及到的“表面粗糙度取值范围0.1～1.6微米”出自国标GB/T1031-1995《表面粗糙度参数及其数值》。本专利技术涉及到的“模拟轮廓曲线”，“平均峰角”，“平均峰高”，“密封面模拟轮廓曲线的几何共性特征”，“将模拟轮廓曲线简化为由多个相同等腰三角峰连贯组成”，“单个等腰三角峰底边长度的计算公式”，出自2015年发表的期刊文献《基于分形理论和随机抽样的机加工表面粗糙度轮廓曲线几何形貌共性表征》。步骤二：推导出基于微观泄漏模型的气体泄漏率计算公式将气体泄漏看作不可压缩稳定层流，并考虑泄漏气体压力、粘度等特性，推导出含有密封面微观几何形貌特征(平均峰角和平均峰高)的气泄漏率计算公式。本专利技术涉及到的概念“虑泄漏气体压力、粘度等特性”，“主密封面总密封预紧压力”，“金属对金属密封过盈产生的接触面压力”，“单个泄漏通道的泄漏率计算公式”，出自2014年发表的期刊文献《微观泄漏机理在非API套管接头密封性能评估中的应用》。步骤三：建立非API油套管接头密封性能定量评估计算方法非API油套管接头主密封结构(锥面对锥面)处的密封面总密封预紧压力为“金属对金属密封过盈产生的接触面压力”与“由油套管内气体在主密封面处产生的接触压力”的和值。依据非API油套管接头主密封结构加工参数，计算得到非API油套管接头主密封面总密封预紧压力。将计算得到非API油套管接头主密封面总密封预紧压力代入单个泄漏通道的泄漏率计算公式，则非API油套管接头主密封结构(锥面对锥面)处的总泄漏率为：密封面泄漏通道个数与单个通道泄漏率之积。由此，通过计算得到的非API油套管接头主密封结构(锥面对锥面)处的总泄漏率，即可依据该值对非API油套管接头密封性能进行定量评估。本专利技术涉及到的概念“非API油套管接头主密封结构(锥面对锥面)”，“主密封面总密封预紧压力”，“金属对金属密封过盈产生的接触面压力”，“由油套管内气体在主密封面处产生的接触压力”，“主密封结构加工参数，包括：金属对金属密封面配合过盈量，料弹性模量，油套管管体内径，油套管接箍外径”，出自2016年发表的期刊文献《非API套管接头完整性评估计算方法》。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术的一种定量评估非API油套管接头密封性能的计算方法，充分考虑了非API油套管接头主密封结构加工参数(接头内外径、壁厚，主密封面接触形式、接触面积、密封面表面粗糙度、密封介质粘性和管内泄漏气体压力，等)对气体泄漏的影响，提高了密封性能计算评估结果的可信度和通用性。2.本专利技术的一种定量评估非API油套管接头密封性能的计算方法，能够实现对不同加工精度的非API油套管接头密封性能进行快速、高精度的计算预测，通过利用MonteCarlo抽样公式模拟得到服从正态分布和预设表面粗糙度值的密封面轮廓曲线，分析得到不同样本容量和表面粗糙度下的模拟轮廓曲线几何共性特征，进而建立具有几何共性特征的密封面微观泄漏模型，解决了依据实验室表面轮廓测试数据带来的精度和操作误差，增强了计算方法的灵活性和效率。3.本专利技术的一种定量评估非API油套管接头密封性能的计算方法，不仅可以获得通过非API油套管接头主密封结构(锥面对锥面)处的气体总泄漏率，更重要的是通过气体泄露率这一具体数据，可以对非API油套管接头的密封性能进行直接而准确的定量评估，从而更为精确的指导气井开采过程中石油管柱的设计和应用。附图说明下面结合附图，对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。图1是本专利技术一种定量评估非API油套管接头密封性能的计算方法的流程图；图2是本专利技术不同预设表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种定量评估非API油套管接头密封性能的计算方法，其特征在于：所述分析方法具体包括如下步骤：步骤一：建立含有预设表面粗糙度的金属对金属密封面微观泄漏模型利用Monte Carlo随机正态分布抽样公式结合密封表面粗糙度加工参数，模拟得到服从正态分布和预设表面粗糙度值的密封面轮廓曲线；依据不同样本容量和表面粗糙度下，轮廓曲线的平均峰角、平均峰高和三角峰数目与样本容量比值的统计数据，分析得到密封面模拟轮廓曲线的几何共性特征；结合密封面轮廓曲线几何形貌参数，建立具有几何共性特征的高硬度管体层锥体压入低硬度软金属镀层平面的微观泄漏模型；步骤二：推导出基于微观泄漏模型的气体泄漏率计算公式将气体泄漏看作不可压缩稳定层流，并考虑泄漏气体压力、粘度等特性，推导出含有密封面微观几何形貌特征的气泄漏率计算公式；步骤三：建立非API油套管接头密封性能定量评估计算方法依据非API油套管接头主密封结构加工参数，计算得到非API油套管接头主密封面总密封预紧压力，将该值代入气体泄漏率计算公式，即可计算得到非API油套管接头主密封结构(锥面对锥面)处的总泄漏率，由此可依据总泄漏率对非API油套管接头密封性能进行定量评估。...

【技术特征摘要】
1.一种定量评估非API油套管接头密封性能的计算方法，其特征在于：所述分析方法具体包括如下步骤：步骤一：建立含有预设表面粗糙度的金属对金属密封面微观泄漏模型利用MonteCarlo随机正态分布抽样公式结合密封表面粗糙度加工参数，模拟得到服从正态分布和预设表面粗糙度值的密封面轮廓曲线；依据不同样本容量和表面粗糙度下，轮廓曲线的平均峰角、平均峰高和三角峰数目与样本容量比值的统计数据，分析得到密封面模拟轮廓曲线的几何共性特征；结合密封面轮廓曲线几何形貌参数，建立具有几何共性特征的高硬度管体层锥体压入低硬度软金属镀层平面的微观泄漏模型；步骤二：推导出基于微观泄漏模型的气体泄漏率计算公式将气体泄漏看作不可压缩稳定层流，并考虑泄漏气体压力、粘度等特性，推导出含有密封面微观几何形貌特征的气泄漏率计算公式；步骤三：建立非API油套管接头密封性能定量评估计算方法依据非API油套管接头主密封结构加工参数，计算得到非API油套管接头主密封面总密封预紧压力，将该值代入气体泄漏率计算公式，即可计算得到非API油套管接头主密封结构(锥面对锥面)处的总泄漏率，由此可依据总泄漏率对非API油套管接头密封性能进行定量评估。2.根据权利要求1所述的一种定量评估非API油套管接头密封性能的计算方法，其特征在于，步骤一中所述的MonteCarlo随机正态分布抽样公式中用到的“样本均值”取密封面表面粗糙度值，取值范围为0.1～1.6微米；“样本标准差”取轮廓曲线最大高度值的六分之一；所述的密封面模拟轮廓曲线的几何共性特征是：服从正态分布的轮廓模拟曲线其三角峰数目与样本容量的比值在任何表面粗糙下均为三分之一；所述的密封面微观泄漏模型是：依据密封面轮廓模拟曲线几何共性特征，将模拟轮廓曲线简化为由多个相同等腰三角峰连贯组成，等腰三角峰的数量取值为样本容量的...

【专利技术属性】
技术研发人员：许志倩，闫怡飞，闫相祯，曹爱请，盖永革，秦冬黎，沈蓉，郑晓云，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37