应力释放槽对钻杆接头力学性能的影响

钻杆接头是钻柱最薄弱的环节,在钻进过程中极易失效。采用有限元分析方法对钻杆接头的应力特征进行了分析,结果表明,密封面处接触压力分布不均和啮合大端第一螺纹牙处应力集中是影响钻杆接头力学性能的主要因素。在公扣、母扣台肩转角处开应力释放槽可以有效改善钻杆接头的应力分布,降低应力峰值,使von Mises应力和接触压力分布更加均匀,有利于提高钻杆接头的承载能力和密封性能。此外,仅在公扣台肩转角处或母扣台肩转角处开应力释放槽也可有效改善接头的应力分布,但效果与公扣、母扣台肩转角处均开应力释放槽相比稍差。      

一种新型钻杆螺纹设计及应力分析

针对应力集中导致石油钻杆螺纹产生疲劳裂纹,进而发生断裂失效事故的问题,在API接头的基础上,研究开发了一种新型钻杆螺纹接头。该新型螺纹结构主要改进之处是内螺纹锥度保持1∶6不变,外螺纹锥度变为1∶6.23。有限元分析结果表明,这种螺纹形式显著改善了接头受力情况,使得螺纹应力分布更加均匀,并降低了主台肩过渡圆角处的应力集中。对样品的上扣试验结果表明,采用新型螺纹后,外螺纹接头主台肩底部的过渡圆角处应力集中情况也得到明显改善,接头整体受力分布和不同区域应力差更趋平缓,降低了螺纹前几牙及主台肩过渡圆角处的应力集中情况,可大大延长接头使用寿命。     

长北气田水平井双密封台肩钻杆接头失效分析及预防措施

为了解决长北气田水平井双密封台肩钻杆从母扣壁厚端第2扣根部频繁断裂的问题,通过对钻杆接箍化学成分、力学性能、金相组织、钻杆磨损、断口微观和宏观形貌、钻杆腐蚀、弯曲正应力、扭转正应力、拉(压)正应力、钻柱纵振、横振和扭转振动等的分析,认为钻杆接箍钢材性能合格,而钻杆在严重磨损和氧腐蚀之后,由高井眼狗腿度、高泥浆摩阻、高沉砂等引起的弯曲正应力加强是引起钻杆母扣壁厚端第2扣最早出现裂纹的主要原因,由于早期裂纹出现引起钻杆接头沿断裂面的有效连接截面积不断减小,导致弯曲正应力、扭转剪应力、拉伸正应力和钻柱振动不断加强是引起裂纹进一步扩张而形成断裂的主要原因。从引起钻具失效原因出发,经过多年探索和现场实践,总结出通过增加油基钻井液柴油含量和p H值等方法能够降低钻杆磨损和减弱腐蚀,降低井眼狗腿度和打高黏度钻井液清扫井底能够降低钻杆所承受的各种应力,软扭矩系统与井底减震器和低固相钻井液配合能够降低钻柱的振动,这些方法的综合利用能够有效减少水平井钻杆失效的频次,值得推广。     

钻杆残余应力的磁声发射检测方法研究

阐述了MAE法应力检测机理及MAE检测系统的组成,并通过对磁声发射检测系统中磁化器磁化能力和磁化深度的试验,验证了采用50Hz交流调压器对钻杆进行磁化的可行性;详细分析了拉应力状态下钻杆材料的磁声发射信号特征,提出了采用信号强度相对变化幅度来反映应力改变情况,即通过试验拟合方程来评定应力水平的方法。     

钻杆应力-疲劳寿命曲线试验研究

钻杆的疲劳失效是引发钻井井下事故的主要原因,因此有必要对钻杆的应力-疲劳寿命曲线进行试验研究。采用旋转弯曲疲劳试验机,研究了常用的S135和G105钻杆的疲劳性能;采用疲劳寿命对数正态分布模型,得出了任意存活率对应的应力-疲劳寿命曲线;采用直接外推法和2m-1外推法将疲劳曲线延伸到长寿命区域,并将其外推结果与配对升降法试验结果进行了对比。升降法试验得出S135和G105钻杆的疲劳强度(存活率为99%,置信度为95%)分别为550.19 MPa和454.79 MPa;由直接外推存活率99%的曲线得到疲劳寿命为1.0×107时,S135和G105钻杆对应强度分别为510.23 MPa和402.01 MPa;由2m-1外推法外推存活率99%的曲线得到疲劳寿命为1.0×107时,S135和G105钻杆对应强度分别为532.95 MPa和428.98 MPa。试验表明,2种外推方法得到的疲劳强度均低于试验值,2m-1 外推法得到的疲劳强度值更接近升降法试验值,因此推荐使用2m-1外推法对概率-应力-疲劳寿命曲线进行外推来得到完整的疲劳寿命曲线。      

基于有限元法的单根钻杆动力学仿真模拟分析

为进一步明确钻进中的钻杆柱工作状态，以直井段中单根钻杆为研究对象，基于有限元法建立钻杆的动力学模型，以实际设计参数为依据，确定边界条件，综合考虑静、动载荷的耦合作用，对钻杆受迫振动发展过程进行仿真模拟分析，在一定程度上反映井下钻杆工作状态，并为钻杆柱的随钻控制研究提供理论基础。分析结果表明，现役钻杆接头台阶及螺纹处普遍存在应力集中，设计时应予以改进；钻杆受迫振动的发展过程中，钻压及转速是重要的振动激励参数，较浅井段钻杆振动参与形式以横振为主，随着钻进的深入，其他振动形式频繁的交替激发并参与，应通过调整钻进参数、避免工作于固有频率而激发模态振动。     

振动采气管柱应力强度分析

为了给采气管柱疲劳寿命分析和完整性分析提供依据,考虑管柱自重及内、外压沿深度的线性变化,用有限元软件分析振动采气管柱的应力强度。将采气管柱看作是内空的细长杆,用有限元法对管柱进行离散化处理,再用拉格朗日方程得到采气管柱动力学微分方程。采用二维轴对称模型进行建模,采用4节点平面单元Plane42进行分析。分析结果表明,采用ANSYS中轴对称单元Plane42建立采气管柱有限元模型,进行振动采气管柱的应力强度分析是一种有效的方法;井口管柱应力最大,是应力危险点;振动载荷作用下,管柱内壁所受应力大于外壁所受应力。     

新型双台肩钻杆接头研究与应用

随着钻井技术的进步,要求钻杆接头可传递更大的扭矩以适应各种复杂的工作环境,因此对其抗扭性能研究变得尤为重要。为此,设计了一种新型双台肩钻杆接头。与一般的双台肩钻杆接头相比,新型钻杆接头增加了外螺纹接头和内螺纹接头圆柱孔部分的长度,使得钻杆接头可以保证钻杆在井下传递更大的扭矩而不发生失效。利用有限元软件建立了API标准接头和新型双台肩钻杆接头的有限元分析模型。由有限元计算结果可知,新型双台肩钻杆接头的抗扭能力明显高于API标准接头,可传递更大的扭矩。油田中应用也表明新型双台肩钻杆接头的性能优于API标准接头。     

钻杆探伤技术的应用与分析

钻杆腐蚀疲劳是钻杆损坏的主要原因,而探伤检测技术是预防和减少钻具质量事故的有效方法,但仅采用单一的探伤方法只能检测钻杆的某一部位.因此,通过实践,总结出采用复合探伤方法检测钻杆的疲劳损坏,即采用纵波直接接触法检测钻杆加厚过渡带,满磁检测钻杆本体,最后用超声波测厚复检,并对探伤结果进行分析和应用,形成了一套有效的钻具疲劳损坏检测方法.     

钻柱横向非线性振动分析

以往的钻柱横向振动研究大都忽略了非线性因素, 为此应用摄动法分析了钻柱横向非线性振动, 推导出钻柱横向非线性振动的频率和主振动的一次摄动解公式。分析公式表明, 钻柱横向线性振动仅是钻柱横向非线性振动的一种特殊情况; 非线性因素提高了钻柱横向振动的频率, 改变了主振动的性态, 使其不再成为简谐运动; 非线性因素对频率的影响程度随着振幅、轴向压力和钻柱长度的增大而增加。对于受较大轴向压力作用长钻柱的横向振动, 应当考虑非线性因素的影响。     

钻柱在钻井液反馈影响下的横向振动

在假设钻柱为无扶正器的均质等截面弹性管，且两端为铰支的情况下，既考虑钻柱内钻井液流速和轴向力对钻柱振动的影响，又考虑振动的钻柱对钻井液的反馈影响，建立了钻井液在钻柱内流动时钻柱横向振动微分方程，推导出钻井液波动压力计算式，并给出了钻柱横向振动固有频率方程。定性分析时取频率方程前两阶进行近似计算，讨论了钻井液滚动压力对钻柱固有频率的影响。     

钻柱内钻井液流动对钻柱横向振动的影响

在假设无扶正器钻柱为均质等截面弹性管,两端为铰支的条件下,研究了钻柱内钻井液流动对钻柱横向振动的影响。钻柱内的钻井液增加了钻柱横向振动的惯性质量。在一般情况下,钻井液流动对钻柱的横向振动频率影响很小,既不会诱发钻柱振动,也不会使钻柱失稳。     

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。     

DDZ5—18—350牛头钻杆吊卡断裂分析

对ＤＤＺ５－１８－３５０牛头钻杆吊卡三维应力场进行分析后，采用有限元位移法，求解危险截面处不同深度和形态表面角裂纹的应力强度因子，给出了应力强度因子沿裂纹前沿的变化规律。根据有限元数值，拟合出关于角裂纹特征参数的无量纲应力强度因子表达式，为预测带裂纹的牛头钻杆吊卡的承载能力、剩余寿命、确定探伤周期和制定判废标准等提供了必要的断裂分析参数。     

S-135钻杆应力腐蚀与纵向开裂失效分析

为了分析S－135钻杆在起钻过程中突然断裂的真正原因，对断件进行失效分析，首无排除了材料化学成分、金相组织、机械性能等因素引起断裂，从断口宏观分析中发现钻杆断裂存在纵向裂纹和横向裂纹，断口微观检测分析确定横向断裂是韧性断裂，先产生纵向脆性开裂而后才被拉断，纵向断口的形貌特征为沿晶开裂花样，并有许多二次裂纹，是应力腐蚀断口花样。因此，判断钻杆是由于应力腐蚀造成断裂，引发早期失效。     

基于ANSYS5.4的钻杆通过转向器力学分析

阐述了固体力学的有限元理论,分析了钻杆通过水平径向井转向器过程中的受力情况,并根据钻杆的受力特点和计算机硬件条件,对基于ANSYS54的钻杆有限元分析模型作了适当的简化,探求了一种钻杆通过转向器力学分析的近似而省时的计算方法。分析认为,钻杆在从一种轨迹曲线段到另一种曲线段的变形处,应力较大,均达到较强的塑变状态,而在同一轨迹曲线段的中间部位应力相对较小。     

钻杆接头螺纹粘扣原因分析

某油田先后出现多起钻杆接头螺纹粘扣事故,且都为新钻杆,给油田造成了较大的经济损失。为了避免此类事故的再次发生,结合现场调查,通过对钻杆粘扣的接头螺纹形貌进行宏观观察,及对接头材料的力学性能、化学成分、金相组织进行了全面的试验分析。结果表明,该次螺纹大面积粘扣与接头材质无关,而是井队在接立柱过程中,立柱中心轴线与入井钻杆轴线同心度偏差较大,在螺纹旋合时引起偏斜对扣,造成接头螺纹碰伤,以及高速引扣,引起公母螺纹牙齿相互干涉,造成螺纹面的挤压磨损,塑性变形,最终导致大面积的接头粘扣。最后根据失效原因,提出了相对应的改进措施和建议。     

普光气田气体钻井钻具失效原因分析及预防措施

气体钻井技术虽然大幅度提高了普光气田上部陆相地层钻井速度，但屡次出现钻具失效事故，不仅影响钻井速度，而且威胁井下安全。分析了钻具失效规律，并通过宏观分析判断钻杆为疲劳和腐蚀疲劳断裂，钻铤为疲劳断裂。从气体钻井自身因素、钻柱运动（包括公转和纵向共振）、钻具腐蚀、钻井方式、钻铤弯曲强度比不足等方面分析钻具失效原因，提出使用空气锤钻井技术、加强钻具探伤、优化钻具组合和钻井参数、缓解钻具腐蚀、加强钻柱振动监测等预防措施。指出应加强气体钻井钻具失效的微观机理、钻柱运动与动力学、岩屑对钻具的冲蚀磨损、钻具腐蚀、消除钻柱公转等方面的研究以预防钻具失效。