Bei der Auswahl der Verrohrung für Öl- und Gasbohrungen besteht ein wichtiger technischer Grundsatz darin, dass hochfeste Verrohrungen mit speziellen Gewindeverbindungen kombiniert werden müssen und keine gewöhnlichen API-Gewinde verwendet werden dürfen. Dieses Prinzip basiert auf klaren materiellen und mechanischen Gründen.
1. Einschränkungen der Eigenschaften hochfester Materialien
Der Hauptvorteil hochfester Gehäuse (wie P110, Q125) ist ihre hohe Streckgrenze, die es ihr ermöglicht, den enormen Spannungen in tiefen Bohrlöchern standzuhalten. Allerdings weisen solche Materialien zwei inhärente Eigenschaften auf:
- Das Material weist eine relativ geringe Zähigkeit auf
Festigkeit und Zähigkeit von Materialien stehen oft im Widerspruch zueinander. Wenn hochfester Stahl seine Streckgrenze erhöht, nimmt seine Bruchzähigkeit ab. Dies bedeutet, dass die Toleranz des Materials gegenüber Defekten und Spannungskonzentrationen verringert wird.
- Die Tendenz zur Kaltverfestigung ist erheblich
Hochfester Stahl härtet schneller aus, wenn er Spannungen und Verformungen ausgesetzt wird. Sobald ein lokaler Bereich plastisch verformt wird, ist er sehr anfällig für die Bildung von Mikrorissen.
2. Strukturelle Mängel gewöhnlicher Fäden
Das Design von API-Standardthreads (wie LTC, BTC) weist mehrere Schlüsselprobleme auf:
- Die Spannungsverteilung ist ungleichmäßig
Bei der Herstellung einer Schraubverbindung konzentriert sich die Belastung hauptsächlich auf die 2-3 Gewindegänge, die der Schulter am nächsten liegen. Die Finite-Elemente-Analyse zeigt, dass die Spannung an diesen Stellen das 3- bis 5-fache des Durchschnittswerts erreichen kann.
- An der Wurzel des Gewindes liegt eine Spannungskonzentration vor
Der kleine Radius des Bogens an der Unterseite der Gewindezähne bildet einen natürlichen Spannungskonzentrationspunkt. Unter Zugbelastung ist die tatsächliche Spannung an diesen Stellen deutlich höher als die berechnete Durchschnittsspannung.
3. Das Problem der Nichtübereinstimmung zwischen den beiden
Wenn hochfeste Materialien auf gewöhnliche Fäden treffen, treten drei Problemebenen auf:
- Materialeigentumskonflikte
Hochfeste Materialien reagieren sehr empfindlich auf lokale Spannungserhöhungen, und gewöhnliche Fäden erzeugen in lokalen Bereichen präzise sehr hohe Spannungsspitzen. Diese Kombination von „empfindlichen Materialien“ mit „Spannungskonzentrationsstrukturen“ ist äußerst anfällig für frühzeitiges Versagen.
- Plastische Verformung ist unkontrollierbar
Unter Einwirkung von Vorspannung und Betriebslast kommt es im Gewindekontaktbereich zu einer plastischen Verformung. Aufgrund des Fehlens einer Drehmomentschulter sind der Grad und die Position der plastischen Verformung bei gewöhnlichen Gewinden schwer zu kontrollieren, was leicht zu Folgendem führen kann:
Die Dichtungsoberfläche ist beschädigt
Die Fadenform wird zerkleinert
Verlust der Spannkraft
- Gefahr der Rissausbreitung
Materialien mit hoher -Festigkeit weisen einen geringeren Widerstand gegen die Ausbreitung von Rissen auf. Sobald ein Riss an der Wurzel des Gewindes entsteht, breitet er sich schnell aus, und die Konstruktion gewöhnlicher Gewinde kann eine solche Ausbreitung nicht unterdrücken.
4. Lösung für Spezialgewinde
- Verbessern Sie das Gewindezahnprofil
Verwenden Sie ein trapezförmiges oder hakenförmiges Zahndesign, um die Auflagefläche zu vergrößern und die Lastverteilung gleichmäßiger zu gestalten.
- Richten Sie die Metall-auf--Dichtung ein
Richten Sie eine unabhängige Dichtungsstruktur außerhalb der Gewinde ein, um zu vermeiden, dass Sie sich für die Dichtungsfunktion auf den Gewindeeingriff verlassen müssen.
- Drehmomentschulter erhöhen
Stellen Sie präzise Drehmomentkontrollpunkte bereit, um den Bereich der plastischen Verformung im Gewindebereich zu begrenzen.
- Stressverteilung optimieren
Optimieren Sie Gewindeparameter durch Finite-Elemente-Analyse, um lokale Spannungsspitzen zu reduzieren.
5. Auswahlvorschläge
Basierend auf der obigen Analyse müssen spezielle Threads in den folgenden Situationen verwendet werden:
- Alle Gehäuse aus Stahl der Güteklasse P110 und höher
- Öl- und Gasquellen mit einer Tiefe von mehr als 3000 Metern
- Brunnen mit korrosiven Medien (H₂S, CO₂)
- Hochdruck-Gasbrunnen, die eine langfristige-Abdichtung erfordern
- Bereiche mit komplexen Stressbedingungen
6. Fazit
Verwenden Sie superstarke Karkassen mit normalem Gewinde? Großes Problem. Die Festigkeit des Stoffes und die Leichtigkeit, mit der er bricht, vertragen sich nicht gut mit Standardfäden, die Spannungen konzentrieren und sich leicht verziehen. Effektfäden beheben dieses Problem, indem sie die Form ändern, sodass das starke Material sicher verwendet werden kann.
Es geht nicht nur darum, Geld zu sparen; Es ist das, was aufgrund der Funktionsweise von Dingen und Formen passieren muss. Du hast das vermasselt? Sie zahlen mehr, um es betriebsbereit zu halten, aber es ist wichtig für die Sicherheit. Halten Sie sich beim Bau echter Dinge an diese Regel.
