利用计算机进行钻杆接头内螺纹设计

利用计算机进行钻杆接头内螺纹设计周体秋张建龙（地矿部石油钻井研究所，２５３００５山东德州东风路）在石油机械设计中，用手工进行图纸的绘制和修改，存在着速度慢、精度低、修改难、收藏不方便等缺点。为此利用计算机辅助机械设计制图系统，进行钻杆接头内螺纹程序设...     

钻杆内螺纹接头纵裂与刺穿失效分析

针对某油田一批进口钻杆连续发生１７根钻杆内螺纹接头纵向开裂和刺穿事故，对断口进行Ｘ射线能谱、电镜和金相分析，并采样进行机械性能试验分析，认为材料不是导致接头断裂的主要原因。对断口裂纹源和内螺纹接头综合分析，认为接头连接后，在内螺纹尾部形成的凹槽区钻井液流动比较困难，使凹槽区螺纹缝隙内的氢离子浓度增加而容易产生缝隙腐蚀，腐蚀反应产生的氢沿内、外螺纹连接后的螺旋空间进入螺纹连接之间的表面，继而进入材料中，诱导材料的氢脆敏感性，最后导致材料的氢脆开裂。钻杆在使用过程中，过扭矩使螺纹连接的切向拉应力大幅度增加也促进了接头的氢脆开裂。     

钻杆接头用的螺纹脂试验

本文阐述API RP 7A1(1992年11月第1版)推荐的试验螺纹脂摩擦性能时所采用的计算方法、试验设备、数据采集、参考螺纹脂校准方法,并对未来工作提出建议。     

钻杆接头和转换接头材料及热处理工艺的研究

针对国产石油钻杆接头和转换接头质量不高、现场断裂失效事故频繁这一问题,进行了失效分析及国内外接头解剖分析,开展了接头材料及热处理工艺研究,推荐能够确保接头质量的用钢系列及相应的热处理工艺。生产应用表明,经济效益较好。     

偏心钻杆接头的设计

介绍一种适应于钻斜井和定向井的偏心钻杆接头，它可在钻柱旋转过程中产生凸轮效应，同时，对偏心钻杆接头的安装方式提出了初步建议。     

对接接头疲劳强度的概率断裂力学研究

利用边界元方法，对对接焊接接头进行了详细的参数应力分析，给出了“未开裂面”应力分布表达式：导出了对接接头应力强度因子的权函数，应用Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ方法模拟材料性能、几何尺寸等方面的分散性，给出了对接接头疲劳强度的概率断裂力学研究方法。数值模拟与疲劳试验基本一致。     

钻杆接头和转换接头的断裂失效分析

钻杆接头和转换接头失效的形式主要有过量变形、断裂和表面损伤三类。其中断裂失效表现为过载断裂、低应力脆断、应力腐蚀、氢脆断、疲劳和腐蚀疲劳断裂。它们产生的原因和破坏发生的特点都不一。文内以5个例证分别进行分析,并提出预防的措施。     

钻杆内螺纹接头磨损失效分析

从分析5英寸进口钻杆内螺纹接头的磨损情况中指出,接头外壁的磨损属于磨料磨损,螺纹部分的磨损属于粘着磨损。通过试验进一步揭示了造成接头磨损失效的主要原因,从而提出了防止接头早期失效、提高使用寿命的若干建议。     

Mannesman公司推荐的钻杆接头承载计算方法

介绍联邦德国曼内斯曼公司经过室内和矿场验证后推荐的一整套钻杆与接头在组合受力时承载能力的计算方法、图表和图表的使用方法。该套计算式主要考虑到钻杆和接头受内压、交变应力和拉力时所能承受扭矩的情况,得出钻杆接头的最小紧扣扭矩、最大紧扣扭矩和推荐紧扣扭矩,以及钻杆本体的承载能力。     

深井钻柱疲劳强度计算与分析

钻柱疲劳失效的机理分析表明,钻柱在振动和进动工况下,受到拉、压、弯、扭等组合交变应力作用,发生疲劳破坏是其失效的主要形式。通过钻柱受力分析,给出钻柱轴向应力、弯曲应力、扭转应力、径向和周向应力,以及附加剪应力的计算公式。根据疲劳强度理论,建立了钻柱在不对称循环应力状态下的疲劳强度条件。结合实际算例分析,找出钻柱危险点处疲劳安全系数随井深、转盘转速和钻压的变化规律,有助于钻井参数的调整。     

材料性能对钻杆腐蚀疲劳寿命影响的试验研究

API SPEC5D标准规定的材料性能指标不能反映钻杆抵抗疲劳及腐蚀疲劳的性能。对4个厂家的S135钢级钻杆的材料进行了腐蚀疲劳寿命试验、拉伸性能试验及成分分析。试验结果表明,虽然4种钻杆的化学成分及材料性能都符合标准要求,且材料的拉伸强度基本相同,但腐蚀疲劳寿命相差很大。腐蚀疲劳断口观察及断裂机理分析表明,腐蚀疲劳裂纹扩展机理是阳极溶解与氢致开裂共存,氢致开裂加快了疲劳裂纹扩展。材料低倍组织酸洗检验、显微组织分析表明,4种钻杆的金属组织特别是低倍组织有明显差别。低倍组织反映了成分偏析程度、夹杂物含量及分布等。成分偏析及夹杂物导致材料的阳极溶解、特别是氢致开裂速度加快,所以是腐蚀疲劳寿命减少的主要原因。油田数据验证,钻杆材料的低倍组织酸洗检验可作为间接评定钻杆材料腐蚀疲劳性能的方法。     

海流涡激效应对钻井隔水导管疲劳强度的影响

钻井隔水导管是从海上钻井平台下到海底浅层的套管,在海上钻完井过程中起着非常重要的作用。在深水海域,由于隔水导管泥线以上长度的增加,海流对钻井隔水导管疲劳强度影响作用加剧,从而影响隔水导管的使用寿命。开展海流涡激效应对钻井隔水导管疲劳强度影响研究,能够为钻井隔水导管尺寸和材料选择提供科学依据。文中对隔水导管进行了力学分析,将隔水导管受力模型简化为下部固定,上部简支的梁模型来分析。利用流体阻尼及流体涡激力理论模型,计算海流作用下涡激效应对于隔水导管疲劳强度的影响。结合南海某海域的海况资料,对海上钻井隔水导管的疲劳强度和使用寿命进行了分析和校核,给出了该海域合理的隔水导管尺寸。通过研究得出:随着水深的增加,海流对隔水导管的涡激效应会逐渐加强,对隔水导管疲劳强度影响加剧。     

渗碳淬火齿轮接触疲劳强度可靠性试验

采用成组试验法对４０副１６ＮＣＤ１３钢（法国材料）渗碳淬火齿轮的接触疲劳强度进行了试验，在４个应力水平上获得了达到失效判据的寿命样本。利用数理统计方法对疲劳寿命进行了分布检验，拟合出置信度为９５％的反映齿轮可靠度Ｒ、齿面接触疲劳强度Ｓ和寿命Ｎ的Ｒ—Ｓ—Ｎ曲线，并求得置信及为９５％、可靠度为９９％的齿面接触疲劳极限应力值。     

用表面感应加热淬火和喷丸提高抽油杆疲劳强度的研究

对生产Ｄ级抽油杆用３５ＣｒＭｏ钢经表面感应加热淬火和喷丸，可提高抽油杆的疲劳强度。试验结果表明，用国产３５ＣｒＭｏ钢，经适当的表面感应加热淬火和喷丸，可以生产出疲劳极限达到或超过美国ＥＬ级的超高强度抽油杆。为进一步提高超高强度抽油杆的疲劳极限，除保证有合理的表面感应加热淬火和喷丸工艺外，必须保证试样心部材料有足够的强度。     

X60管线钢疲劳特性的研究

利用2、4和14mm的X60钢紧凑拉伸试样进行同样应力水平、固定应力比（R＝0．1）的疲劳裂纹扩展试验，揭示出高韧性管道钢的疲劳裂纹扩展存在显著的厚度效应。由于应力水平低，相应的离面应力也低，不足以导致分层开裂，因此，裂纹端部的三维应力约束随厚度增加而增大。4mm试样的疲劳裂纹速率远高于2mm试样，但厚度再增大，裂纹扩展速率不再有显著变化。进一步对表面裂纹试样进行疲劳裂纹扩展试验，并用勾线法纪录裂纹扩展情况，利用穿透裂纹的da/dN-ΔK曲线预测表面裂纹扩展，用2mm厚试样的数据控制裂纹表面长度的扩展，用14mm厚试样的数据控制裂纹底部沿厚度方面的扩展，得到了与表面裂纹扩展实验吻合很好的预测结果。     

钻杆接头抗扭强度及材料韧性指标研究——系列专题之八

近年来由于深井、定向井等逐年增多,钻杆内螺纹接头纵裂破坏成为常发事故。钻杆接头的各种纵向开裂属于低应力脆性断裂。当接头横向材料韧性不足时,任何表面损伤及缺陷如摩擦热裂纹等,都可作为裂纹源向纵深扩展。应用失效评估图技术估算表明,横向材料V型缺口夏比试样室温冲击功大于100J时,将显著减少钻杆内螺纹接头纵裂破坏,失效案例统计数据验证了这一结果。     

S135钻杆钢扭转疲劳寿命及断裂特征

针对钻杆在循环应力下的疲劳问题,通过室内试验测定了S135钻杆钢的扭转疲劳寿命,得到了扭转疲劳的Δ-τN曲线,应用统计分析方法得到扭转疲劳寿命公式,并采用扫描电镜(SEM)对疲劳断口进行了观察和分析。结果表明,扭转疲劳裂纹形成于光滑试样表面,且疲劳源的大小随切应力幅值的增加而增加;在疲劳源与疲劳裂纹扩展处的微观形貌特征为典型纯滑移型断裂,在裂纹扩展处涟波状花样区域的大小随切应力幅值的增加而增大。     

钻杆接头多轴疲劳寿命

在实际钻井过程中,钻杆接头以螺纹连接处的疲劳破坏为主,导致钻井成本显著增加。现有对钻杆接头的研究主要集中于钻杆接头的静力学特性分析,少有涉及钻杆接头的疲劳破坏的研究。基于虚功原理、Von Mises屈服准则及接触非线性理论,考虑螺纹升角的影响,建立了钻杆接头的三维有限元计算模型,分析了钻杆接头的上扣特性及其在复合载荷作用下的力学特性。基于材料S-N曲线,综合考虑尺寸系数、应力集中系数、表面加工系数及表面强化系数的影响,确定了钻杆接头的弯曲疲劳S-N曲线理论模型,通过对比验证建立了满足工程要求的钻杆接头疲劳有限元计算模型。运用多轴疲劳算法,计算了钻杆接头在复合交变载荷下的疲劳寿命,分析了残余应力和表面质量对疲劳寿命的影响。研究结果表明,在上扣扭矩或复合载荷作用下,钻杆接头最大Mises应力均出现在公扣第1有效啮合螺纹牙根处;弯曲井段API钻杆接头的疲劳寿命较小,建议开发适合超深井、水平井、大位移井及大斜度井的专用钻杆接头;残余应力与表面质量对钻杆接头的疲劳寿命影响较大,在钻杆接头螺纹根部引入可控的残余压应力和改善表面质量可以大幅提高其疲劳寿命。