[發明專利]一種油井管特殊螺紋過盈量優化設計方法

在審

• 申請號: 202010879531.8
• 申請日: 2020-08-27
• 公開（公告）號: CN112131766A
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 王鵬;謝俊峰;吉楠;耿海龍;趙密鋒;王克林;羅金恒;韓禮紅
• 申請（專利權）人: 中國石油天然氣集團有限公司;中國石油天然氣集團公司管材研究所
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/27;G06F111/06;G06F111/10;G06F113/14;G06F119/14
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 李鵬威

本發明公開了一種油井管特殊螺紋過盈量優化設計方法，屬于油井管特殊螺紋接頭性能優化技術領域。以多個典型極限工況載荷點的密封面密封性定量要求構造優化目標函數，以錐度螺紋加工和或測量控制點頂徑為優化設計變量，以特殊螺紋上卸扣不發生粘扣要求以及螺紋接頭結構完整性要求確定優化設計變量的約束條件，運用有限元數值模擬建立密封面密封性目標函數和不同螺紋過盈量設計變量之間的聯系，通過數值模擬構造用于評估響應函數的試驗數據點，構建優化模型，采用基于靈敏度分析方法改進的非支配排序遺傳算法對優化設計模型進行多目標優化，求出Pareto最優解集合。通過本發明方法有針對性的精確優化了螺紋過盈量設計，兼顧設計的精度和效率。

技術領域

本發明屬于油井管特殊螺紋接頭性能優化技術領域，具體涉及一種油井管特殊螺紋過盈量優化設計方法。

背景技術

伴隨著高壓天然氣藏勘探開發的不斷發展，具備高壓氣體密封能力的油井管特殊螺紋接頭得到了愈加廣泛的應用。深井、超深井、高溫高壓等苛刻油氣井況中全井段生產套管和油管均大量采用特殊螺紋，特殊螺紋油井管在石油管材大類中具有體量大、價值高等特點。

對于通常采用的油井管氣密封特殊螺紋而言，金屬對金屬過盈接觸密封結構是產品設計與質量控制的關鍵。油井管接頭密封完整性的保證依賴于其密封面在各種復雜復合載荷工況下始終保持較高的嚙合接觸壓力和適宜的接觸寬度，業內普遍采用接觸壓力在接觸寬度上的積分來表征密封強度的大小。除了特殊螺紋接頭密封結構的設計水平直接影響接頭密封性能之外，其他主要影響因素還包括螺紋過盈量、螺紋錐度、外螺紋鼻端厚度等，這些關鍵參數的協同設計共同構成了特殊螺紋設計的關鍵技術，而其中螺紋過盈量對接頭密封性的間接影響最大。在保證螺紋順利上扣不發生粘扣和螺紋接頭整體結構完整性的前提下，適宜的螺紋過盈量為密封面合理接觸提供主要基礎。進一步的，過大的螺紋過盈量會顯著降低密封面的實際接觸壓力，從而直接導致接頭喪失氣體密封性；過小的螺紋過盈量會降低井下服役復合載荷條件下接頭連接的穩定性，從而間接導致接頭密封性大大降低。因此螺紋過盈量設計是油井管特殊螺紋接頭設計中的核心工作之一。

傳統的螺紋過盈量設計主要憑借經驗和類比，通過多次的油井管氣密封實物試驗驗證結合反復再設計確定方案，設計過程的盲目性和偶然性降低了設計質量、增加了設計成本。將優化設計方法應用于工程實際問題可顛覆性的改進傳統設計理念和過程。一種非支配排序遺傳算法(NSGA-II)，該方法的特點為：一種基于Pareto策略的多目標遺傳算法，一般來說,多目標優化問題并不存在一個最優解,存在優化目標之間沖突和無法比較的現象，所有可能的非劣解稱為Pareto解。運用該遺傳算法可以得到Pareto最優解集，它是由那些任一個目標函數值的提高都必然以犧牲其他目標函數值為代價的解組成的集合。該方法基于隨機生成的父代種群，以特定的虛擬適應度值表示，進行復制、雜交、變異等遺傳運算生成大量子代種群，將父代與子代種群合并，并利用精英策略保護優良種群，擴大優化空間并保護迭代過程中的優良解從而提高優化精度。該方法適宜求解不同實際服役典型復合載荷條件下綜合保證接頭密封的優化設計應用。具體算法中其虛擬適應度評估過程通過引入擁擠度比較算子，將評估個體均勻的擴展到整個Pareto域，但是僅通過非支配排序獲得并評估所有遺傳個體的Pareto排序值從而不斷接近最優解集前沿，而不能評估對不同級別個體周圍種群密度信息的靈敏度，從而有時會出現優化趨勢不同的個體仍然具有相同的繁殖后代機會，這樣就降低了優化效率。另外，對于解決所涉及的基于復雜工程案例構造的龐大多目標優化問題，尤其對于目標函數不能直接由設計變量解析得到的優化問題，該方法訴諸大量的遺傳運算及有限元輔助計算，從而使設計效率大大降低，不適應于特殊螺紋過盈量的優化設計。

發明內容

為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種油井管特殊螺紋過盈量優化設計方法，有針對性的精確優化了螺紋過盈量設計，設計的精度和效率兼顧。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種油井管特殊螺紋過盈量優化設計方法，包括以下步驟：