钻铤螺纹接触应力数值仿真分析研究

钻铤是钻柱的重要组成部分,在井眼内因承受各种载荷作用,钻进中经常出现钻铤螺纹失效现象,造成严重经济损失。本文采用有限元方法,建立钻挺连接螺纹分析模型,通过对拉应力和内外压差两种工况条件下,钻铤螺纹接触应力的模拟计算,分析得出了在拉应力和内外压差两种工况下钻铤螺纹应力分布规律,给出了钻铤螺纹应力分布特点,用以指导预防钻铤螺纹失效优化方案的制定。     

钻铤螺纹联接载荷分布规律与疲劳失效

钻铤螺纹联结失效是钻铤失效的主要因素，在整个钻具失效事故中占很大比例。疲劳是导致螺纹联接失效的主要原因。文中从螺纹载荷分布入手，运用有限元软件分析螺纹疲劳失效机理，最后提出预防螺纹先期疲劳失效的措施。     

钻铤螺纹应力分析及结构优化

在钻井过程中，经常发生下部钻具组合断裂失效事故，其主要失效部位是在钻铤薄弱部位——螺纹连接处，由于螺纹类型复杂，过渡部位易发生应力集中，造成钻具疲劳断裂破坏。针对钻铤断裂事故，建立了常规钻铤螺纹连接部位3种螺纹类型的有限元模型，并采用线弹性有限元方法分析了不同模型在不同钻压条件下的应力分布情况，同时对使用API标准应力减轻槽的钻铤螺纹连接部位进行了结构优化设计。在设计中以螺纹连接处两个过渡圆角半径R1、R2为设计变量，分析了在一定条件下不同尺寸的R1、R2所对应的螺纹连接处应力分布情况。对比分析可知，在满足钻铤强度条件下，改进的螺纹应力减轻槽可有效降低螺纹连接处的应力集中水平，从理论上说明该方法是可行的。     

从钻铤事故谈钻铤螺纹的选型与加工

两起事故钻铤的断口均属钻铤连接螺纹处弯曲强度比不足引发的疲劳折断。通过对钻铤连接螺纹区域的工作应力定性分析，导出了内、外螺纹上各自的危险截面，提出了对钻铤平衡连接的理解。认为随意改变钻铤螺纹的规格和类型，不随钻铤外径磨损及时根据弯曲强度比减小钻铤螺纹的规格，是现场两种常见的因弯曲强度比不足导致钻铤早期疲劳失效的原因。经对数字型（NC）螺纹和正规型（REG）、贯眼型（FH）、内平型（IF）螺纹各自的应力集中系数Kf的比较，建议使用NC螺纹以降低应力集中，提高钻铤连接螺纹的疲劳寿命。还对影响Kf值的螺纹表面形状精度、粗糙度、表面组织进行了讨论，提出了提高螺纹表面质量的相应措施，以延长钻铤使用寿命。     

气体钻井API钻铤螺纹多轴疲劳寿命研究

据现场钻具失效统计,气体钻井在大钻压作用下,常发生钻铤螺纹疲劳断裂失效。因此,引入多轴疲劳强度理论到气体钻井钻铤疲劳寿命研究,借助Pro/E软件建立API钻铤螺纹三维实体模型,并在气体钻井钻铤螺纹模型计算结果的基础上分析了API钻铤螺纹的应力分布规律,根据多轴疲劳寿命理论预测得到气体钻井钻铤螺纹的疲劳寿命值约为2×105次。研究结果为气体钻井API钻铤螺纹快速失效机理研究提供了参考。     

钻铤内螺纹接头开裂失效分析

通过宏观分析、力学性能测试、化学成分分析、金相组织和微观断口分析,对某井发生的钻铤内螺纹接头开裂失效原因进行分析。结果表明,钻铤规格和螺纹型号匹配不当降低了钻铤的服役能力,在服役过程中交变应力载荷作用下,应力集中最为严重的最后旋合螺纹根部萌生疲劳裂纹并扩展,最终致使钻铤接头开裂失效。     

钻铤螺纹有限元分析及优化改进

钻铤螺纹破坏的主要原因是钻铤所受的交变载荷大,产生了较大的应力集中。用ANSYS软件建立了钻铤螺纹连接有限元分析模型,对钻铤螺纹接触处进行应力分析。分析表明,钻铤螺纹第1个螺纹处所受应力最大,最大应力达到331MPa,失效部位主要集中在前3个螺纹处。据此提出了3种螺纹结构改进优化方案,分别是适当增大螺纹齿顶和齿根处的倒角半径;在外螺纹管台肩处加工圆角;将螺纹连接的前4个螺纹切削1mm,降低其高度。经过比较分析,第3种方案降低应力最为明显,而且使得螺纹整体应力均匀化,抗疲劳性能最佳,螺纹最大Von Mises应力为286MPa。     

新型石油钻铤联接螺纹减应力区的研究

石油钻铤联接螺纹失效是钻具失效的主要形式。钻铤联接螺纹疲劳失效是由于交变弯曲应力引起的,这些交变应力集中在联接螺纹消失处附近。减少联接螺纹弯曲应力可以延长钻具联接螺纹的疲劳寿命。文章提出并研究了一种新的钻铤联接螺纹减应力区,它是通过在钻铤本体上设置减应力区,来解决钻铤联接螺纹疲劳失效问题。与以前减应力区不同的是,新的减应力区轮廓线为连续的光滑的二次曲线、圆弧线、抛物线和椭圆线。这可以避免在减应力区出现应力集中和出现“细脖子”现象。并且这些曲线在机械加工上是可行的。用有限元法优化了减应力区的几何形状,分析了减应力区的开口位置、开口深度和开口宽度等几何参数对应力释放效果的影响。并对减应力区的强度进行了分析。     

钻具连接螺纹疲劳寿命分析与优化设计

建立了钻具连接螺纹的三维空间有限元模型,分析了钻具螺纹在轴向动载荷、弯矩和扭矩作用下的疲劳寿命,并对连接螺纹进行了优化设计。结果表明,钻铤NC螺纹的寿命明显高于钻杆NC螺纹,而钻杆NC螺纹的寿命要高于其他连接螺纹。轴向力对钻具螺纹疲劳影响小,扭矩和弯矩对钻具螺纹疲劳影响较大。对钻具螺纹进行螺纹参数和连接参数的优选,可以延长螺纹的疲劳寿命并降低其应力。其中钻铤螺纹疲劳寿命延长了44.1%,钻杆螺纹疲劳寿命延长了12%。钻铤螺纹等效应力最大降低了40.36%,钻杆螺纹等效应力最大降低了15.06%。对于新型连接螺纹的设计,可以从螺纹锥度、牙底圆角半径、减应力槽直径和第1扣削顶高度入手。     

钻铤连接螺纹断裂失效分析及结构优化

针对钻铤断裂事故,建立了2种普通API钻铤螺纹连接部位的有限元模型,并用有限元方法分析了不同模型在不同钻压条件下的应力分布情况,同时对API标准应力减轻槽的钻铤公头螺纹连接部位进行了结构优化。以公头螺纹连接处2个过渡圆角半径R1、R2为设计变量,分析了在一定条件下不同尺寸的R1、R2所对应的螺纹连接处应力的分布情况,改进的螺纹应力减轻槽可有效降低螺纹连接处的应力集中水平,并成功解决了库尔德地区钻铤螺纹断裂失效事故。     

公螺纹应力减轻槽效果分析

在钻井过程中,钻具疲劳失效事故频繁发生,其失效部位主要集中在螺纹接头处,如何减轻集中在接头处的应力,国内外有关学者提出了在螺纹部位加工应力减轻槽以降低公扣最末完全扣和母扣根部的应力集中,该方法经现场应用后,效果显著。以?177.8mm钻铤公螺纹接头作为研究对象,用有限元方法对加工有不同应力减轻槽的钻铤公螺纹接头进行了分析计算,得出了4种不同公螺纹结构在相同的边界条件和载荷作用下最末完全扣处的应力集中情况。计算结果表明,带有应力减轻槽的公螺纹具有较小的应力集中,特别是API标准应力减轻槽的应力集中最小,因此抗疲劳性能最佳,建议采用这种应力减轻槽结构。     

有限元法在钻铤螺纹结构优化中的应用

在空气钻井中,经常发生由钻铤螺纹断裂引起的下部钻具组合失效事故。在现场资料分析基础上,运用UG软件建立了钻铤螺纹联接模型,然后通过有限元软件分析了钻铤螺纹应力分布,得出了钻铤螺纹在不同工况、结构条件下的等效应力分布情况,并对钻铤螺纹结构优化设计过程进行了相应说明。通过算例分析,得出了应力减轻槽的过渡圆角R1=8 mm,R2=15 mm为最优值。     

钻铤螺纹联接处载荷分布规律研究

根据弹性力学理论，通过对钻铤接头螺纹的受力分析，分别建立了上扣扭矩、轴向外载和内外水压力作用下的螺纹载荷计算模型。依据此模型，详细分析了钻铤螺纹的载荷分布规律，提出了改进钻铤接头受力状态，减少应力集中的主要措施。     

NC50型钻铤公螺纹疲劳寿命计算分析

以NC50型钻铤公螺纹作为研究对象,用有限元方法对加工有不同应力减轻槽的钻铤公螺纹接头进行了分析计算。根据有限元分析结果,将应力应变值代入Morrow应变周期方程,得到4种公螺纹接头的相对疲劳寿命,计算结果表明,带API标准应力减轻槽的公螺纹抗疲劳性能最佳,建议采用这种应力减轻槽结构。     

钻铤螺纹失效分析及解决措施

在钻井过程中，钻铤螺纹承受的载荷非常复杂，常发生失效事故。通过对钻铤螺纹失效问题的深入分析，找出了钻铤螺纹失效的主要原因，提出了采用双台肩螺纹接头、数字型螺纹和使用成型梳齿刀具加工螺纹等3种解决措施。重点对双台肩螺纹接头进行了分析计算，证明了采用双台肩螺纹接头解决钻铤螺纹失效事故的有效性。     

川渝地区某超深井钻铤外螺纹断裂失效分析

某Φ279.4 mm钢制钻铤在川渝地区某超深井服役过程中紧扣时,在距钻铤外螺纹端面2～4 cm处发生断裂。通过对断口进行宏观形貌观察及断口和台阶面特征、金相组织、硬度分析,并结合钻铤材料的力学性能试验,对失效钻铤外螺纹断裂原因进行试验分析。结果表明:钻铤螺纹齿牙之间附着大量沉积物,台肩处大量大尺寸磨损坑,多处裂纹源在齿根底部形成,集中在最末完全扣前3～5扣处,在拉伸应力以及扭矩交变载荷的共同作用下,裂纹缓慢扩展,形成初始断口,当钻铤断裂截面处不足以承载交变载荷以及扭矩作用时,发生断裂。