复杂载荷条件下钻具接头台肩作用机理研究

为了解台肩对钻具接头螺纹牙承载的影响,基于φ139.7 mm贯眼扣钻具接头分别建立了无台肩、仅主台肩、仅副台肩和双台肩等4种结构钻具接头的有限元计算模型,分析比较了其在复杂载荷作用下的力学特性和抗扭性能。分析结果表明:主、副台肩对保证钻具接头连接稳定性有着至关重要的作用;预紧扭矩作用下主台肩的存在使钻具接头公扣产生拉伸的预紧效果,副台肩的存在使钻具接头公扣产生压缩的预紧效果,从而直接影响了钻具接头的承载特征和极限抗扭能力;在相同轴向拉力的条件下,仅副台肩钻具接头的极限抗扭能力比仅主台肩钻具接头高约12%,双台肩钻具接头的极限抗扭能力比仅主台肩钻具接头高约69%。研究结果为新型高性能钻具接头的研发及结构设计提供了理论依据。      

大位移井超高抗扭双台肩钻杆接头的设计

为解决大位移井钻杆接头剪切失效的突出问题,根据钻杆接头受扭时的变形协调关系,设计出一种高抗扭双台肩钻杆接头,其结构特征为:主、副台肩长,螺纹锥度小以及牙底圆角半径大。首先基于虚功原理、Von Mises屈服原则以及接触非线性理论,建立该钻杆接头的三维数值仿真模型;然后利用正交优化方法,对其关键结构参数进行正交优化,获得了该钻杆接头关键结构参数的最优组合为:锥度1︰16、螺距6.55 mm、导向面角度29°、承载面角度28°、牙高3.755 mm。进而采用Abaqus和Fe-safe对比计算了该钻杆接头与API钻杆接头的承载性能和疲劳性能。结果表明:①该钻杆接头与API钻杆接头相比,抗拉性能提高10.65%,抗扭性能提高62.5%,抗弯性能提高2.75%,抗压性能提高52%;②该钻杆接头比API钻杆接头的拉压疲劳寿命提高1.19倍,弯曲疲劳寿命提高1.74倍,扭转疲劳寿命提高550倍,复合疲劳寿命提高28.79%。结论认为,该钻杆接头在不降低抗拉能力、抗弯能力和抗压能力的前提下可以大幅提高抗扭能力,可更好地满足大位移井的钻井条件。     

适合特深井的双台肩钻杆接头副台肩间隙的确定

为了满足越来越苛刻的钻井工况的要求,全球各大钻具制造厂商不断开发出具有更优越性能的特殊螺纹钻杆接头,普遍增加了副台肩结构形成双台肩钻杆接头。但是面对超深井和特深井复杂工况,现有钻具接头的副台肩间隙是否满足要求至今未被关注。为此,通过建立具有不同副台肩间隙的双台肩钻杆接头三维弹塑性有限元模型,分析了副台肩间隙对接头应力分布特征和抗扭性能的影响,确定了适合特深井的双台肩钻杆接头合理副台肩间隙。研究结果表明:①不同轴向力(对应不同井深)工况条件下,副台肩间隙对双台肩钻杆接头主台肩、副台肩、螺纹牙的承载比例有着很大的影响;②大轴向力条件下主、副台肩的承载相对较小而螺纹牙的承载较大,减小副台肩间隙可有效降低螺纹牙承载比例;③所考察的NC50双台肩钻杆接头,当轴向力小于3 000 kN(井深小于9 000 m),建议副台肩间隙选择0.40 mm;④当轴向力大于3 000 kN(井深大于9 000 m),建议副台肩间隙选择0.20mm。结论认为,根据井深特点使用具有更合理副台肩间隙的双台肩钻杆接头,可以有效地提高接头的使用性能、降低接头失效风险。     

双台肩钻具接头性能校验方法研究与应用

双台肩钻具的抗扭强度比API钻具高,其应用越来越广泛,但由于对双台肩接头的性能无全面的校验方法,导致双台肩钻具在应用过程中经常发生故障。为此,通过总结现场经验、分析双台肩钻具生产厂家及标准的要求、根据双台肩钻具接头的受力,建立了双台肩钻具接头性能校验方法。该校验方法通过计算双台肩钻具接头的钳长、接头内外径匹配程度、上扣扭矩、螺纹抗剪切强度、台肩提升能力和抗压强度等性能参数对其进行校验。中国石油的一些钻井项目,在应用双台肩钻具时,利用该校验方法对双台肩钻具接头的性能进行了校验,发现双台肩钻具接头性能达到要求后未再发生双台肩钻具故障。这表明,利用建立的双台肩钻具接头校验方法对接头性能进行校验,可以保证双台肩钻具接头的性能达到要求,保障钻具安全。      

Ф101mm非标钻具及工具在苏里格气田的应用

鉴于API标准S135钢级Ф88.9和Ф101 mm钻杆均不能适应以深井、大位移井为主的苏里格气田的施工要求,推广应用了非标钻具进行施工。推广措施包括非标螺纹钻具设计和配套工具的改进。钻杆接头选用双台肩非API标准螺纹ST39,锥度为1∶12。将吊卡台肩上部开口直径改为127 mm,高度不变。方钻杆采用107.95 mm非标四方钻杆。现场应用结果表明,研制的Ф101mm非标钻具及配套工具管体和接头的抗拉、抗扭强度较API标准螺纹更加合理,更加符合长水平段水平井钻井施工要求。     

双台肩高抗扭特殊螺纹接头开发

针对四川盆地海相地层提出的旋转下套管的技术要求,研究开发了一种新型双台肩高抗扭特殊螺纹接头.该接头克服了普通特殊螺纹接头扭矩台肩厚度增加带来严重应力集中的技术难题,改善了扭矩台肩处的受力,在提高台肩抗扭能力的同时也保证了台肩处应力在材料屈服极限以内.与此同时,利用有限元法优化了锥面/锥面密封结构,使密封更有效.有限元分...     

双台肩技术在小尺寸钻铤上的应用研究

对塔里木油田φ120.65mm(43/4英寸)钻铤断裂频繁的米兰1井和哈6井进行了分析,认为在超深井小井眼钻进中提高钻铤螺纹抗扭强度是预防钻铤失效的关键.对φ120.65mm(43/4英寸)钻铤NC35螺纹加工LE螺纹、应力槽、双台肩后进行了实物抗扭性能试验,证实双台肩钻铤具有很好的抗扭性能.有限元计算表明,双台肩螺纹具有较低应力水平.根据现场使用效果分析,双台肩技术的使用有效地降低了钻铤断裂失效数,值得在小尺寸钻具上推广应用.     

双台肩钻具螺纹应力与密封性能影响因素分析

钻具连接螺纹接头强度和密封性能会对钻具的正常工作产生直接影响.为了保证油气开采顺利进行,有必要对钻具螺纹接头进行强度和密封性能分析.为此,以双台肩超高抗扭钻具连接螺纹为研究对象,考虑螺纹不对称性、螺旋升角以及主副台肩接触和螺纹齿面接触等因素,建立了包含进刀槽和退刀槽的钻具螺纹接头三维有限元模型.采用有限元分析方法开展了...     

基于ANSYS的套管特殊螺纹接头密封结构设计

分析了API套管螺纹接头的泄漏机理以及特殊螺纹接头的密封机理,在API套管螺纹接头的结构基础上进行了一定改进,提出了一种新型的双台肩、三锥度套管特殊螺纹接头的密封结构形式,并利用ANSYS软件对设计的密封结构在上扣和拉伸两种工况下进行了分析研究,得出了不同工况下螺纹接头各扣牙的受力曲线。分析结果表明,该特殊螺纹接头结构合理,各扣牙受力分布较为均匀,可延长套管接头的使用寿命。关键词:螺纹接头;泄漏机理;密封机理;受力分析     

无接箍式双台肩油管接头结构设计与分析

为满足油田对特殊油管作业管柱的要求,通过有限元分析以及结构优化,设计出一种新型无接箍式双台肩油管特殊螺纹接头。新型无接箍式双台肩油管接头螺纹采用两级圆柱螺纹,齿顶、齿底平行于管体轴线,齿形为优化的偏梯形螺纹;密封结构采用两级密封,主密封为锥面对锥面的金属密封,次密封为斜面台阶密封;扭矩台阶采用两级直角台阶,抗压缩性能良好。有限元分析结果和实物试验验证表明,此接头抗粘扣性能良好,具有较优异的连接强度及抗内压性能,适合对接头外径有限制且对油管接头性能要求较高的油井使用。     

101.6mm煤层气钻井专用钻杆研制与应用

针对煤层气钻井井眼小、曲率大、煤层松散的特点,提出煤层气钻井专用钻杆的设计思路。通过减小接头外径、采用接头与管体等径设计,增大了井眼环空间隙,提升了煤层钻井颗粒的携带能力,提高了井壁稳定性;通过1∶16的锥度设计、非对称牙型角设计、减小螺纹牙高、增大螺纹牙根圆角半径、在双台肩结构基础上增加公接头大端长度,降低了螺纹应力集中,研制出101.6mm高抗扭、高抗疲劳的煤层气钻井专用钻杆。在郑试1平-5H井使用效果良好,在定向造斜和水平钻井过程中均表现优良的使用性能。     

基于正交试验的气密特殊螺纹油管接头密封性能研究

开发深海油气需要钻探大量超深井、大位移井,井下油管需要承受水下复合载荷的综合作用,这对气密特殊螺纹油管接头的密封性能提出挑战。以?99.25 mm×6.45 mm气密油管特殊螺纹接头为研究对象,以密封面最大接触压力为考核指标,依据ISO 13679标准A系试验载荷包络线对正交优化试验结果进行密封性能分析。分析结果表明：密封面最大接触压力影响因素敏感性由大至小的顺序为：密封面角度>扭矩台肩角度>螺纹承载面角度>螺纹锥度>螺纹螺距;气密特殊螺纹油管接头参数最优组合为密封面角度10°、扭矩台肩角度-12°、螺纹承载面角度12°、螺纹锥度1∶18、螺纹螺距4.8 mm;优组后油管接头在ISO 13679标准A系试验载荷下各加载点密封性能良好。所得结果对气密特殊螺纹油管结构的进一步优化设计具有指导意义。     

大直径套铣管连接处结构设计及强度分析

针对现有套铣管螺纹连接结构不能满足雄安新区油井工况需求的问题,设计了一种能够满足大直径大扭矩的套铣管专用螺纹(HSTX特殊螺纹)。该特殊螺纹牙型结构采用单台肩螺纹连接方式,其中螺纹采用每英寸3牙的粗牙设计,螺纹锥度为1∶12,螺纹承载面角为3°,导向面角为30°;通过平滑设计,使倒角与轴线成60°,减小了应力集中,大大增强了接头抗疲劳性能。建立了HSTX特殊螺纹有限元模型,详细地分析了拉伸、压缩、扭转以及极限工况下套铣管螺纹受力情况。研究结果表明:随拉伸载荷增加,HSTX特殊螺纹最大接触应力出现在第2扣承载面处,存在疲劳失效风险,在拉伸载荷达到9 000 kN时,套铣管连接处螺纹开始出现塑性贯通失效;当压缩载荷达到5 000 kN时,螺纹接头依然未失效,且该螺纹的最大抗扭强度为223.6kN·m。HSTX特殊螺纹接头连接强度和抗扭强度均可以满足雄安新区套铣作业要求。     

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。     

双台肩钻杆接头三维力学分析

建立了双台肩钻杆接头的三维有限元模型,利用显式动力学有限元方法分析了双台肩钻杆接头在上扣扭矩、轴向拉力和弯矩作用下的力学特性。相比二维轴对称模型,三维有限元模型可以考虑螺纹的螺旋升角,有效地模拟螺纹接头的上扣特性。计算结果表明,上扣扭矩的作用使得接头在螺纹牙、主台肩、副台肩处产生一定的预紧力,从而实现公扣、母扣间的过盈配合;轴向拉力使得螺纹牙上的接触压力上升而主台肩、副台肩上的接触压力下降,这一方面加重了螺纹牙的负担,另一方面也影响了接头的密封性能;在弯矩的作用下,钻杆接头的应力分布呈现出明显的非对称特性。此外,在上扣扭矩和轴向拉力作用下,各螺纹牙的承载很不均匀,两端的几牙螺纹承担了大部分的载荷,而中间段螺纹牙仅承担了小部分载荷。     

川渝东部地区钻具失效原因分析及预防措施探讨

通过对川渝东部地区钻具失效的统计分析,总结钻具失效的原因和影响因素,提出加强对钻具本身质量的控制、优化钻具螺纹结构设计、推广应用双台肩螺纹钻杆并加大钻铤双台肩螺纹的研究;合理选择钻压、转速等钻井参数,与地层、井眼轨迹等相匹配;在增、降斜及扭方位时,控制好井眼轨迹,优化钻井工艺措施,避免井眼轨迹突变;合理选择排量,抓好钻井液固控工作;优化钻具和井筒结构的匹配;定期对钻具的探伤检测和抓好钻具库内管理等等避免钻具失效的相应预防措施,对川渝东部地区科学使用钻具具有指导意义。     

非API钻具在小井眼水平井中的应用

苏里格小井眼水平井钻井中使用ф88.9 mm钻具出现"两小一高"(排量小、扭矩小、压耗高)的问题,使得螺杆在水平段钻进中动力不足,影响了提速提效。通过API REG 7G计算了钻杆管体的抗扭强度,通过有限元软件分析了接头尺寸与抗扭性能的关系,并根据特殊钻井工艺参数对API钻具接头扣型的要求,提出使用双台肩接头,解决了苏里格水平井钻井中无法在ф177.8 mm技术套管内使用ф101.6 mm钻具的技术难题,实现了钻井过程中的大排量、高螺杆输出扭矩、低循环压耗,满足了苏里格小井眼水平井钻井的需要。     

Φ149.3 mm钻杆高强度接头数值分析

大位移井、深水井和超深井钻井中Φ149.3 mm钻杆旋转台肩接头不能满足API标准高抗扭矩的要求，限制了Φ149.3 mm钻杆性能的发挥。为了充分发挥Φ149.3 mm钻杆的性能，基于有限单元法理论，根据钻杆接头轴对称的特点，将三维问题简化为二维问题，设计了一种新型Φ149.3 mm钻杆双台肩接头，使用ANSYS软件模拟近似分析接头螺纹在各种情况下的强度，再与Φ139.7 mm接头对比，验证其高抗扭矩的性能。通过ANSYS模拟计算，证明了Φ149.3 mm钻杆双台肩接头的高抗扭性能，能够满足现场的应用。     

隔水导管螺纹接头连接性能研究

基于非线性有限元分析方法,以隔水导管螺纹接头为研究对象,对承载工况下不同标准齿形螺纹接头的抗拉能力进行分析,并采用改变螺纹锥度和改变螺纹螺距的方法对螺纹进行了优化。算例表明:隔水导管螺纹接头在拉伸载荷作用下,各螺纹牙应力分布不均匀,每个螺纹牙根部应力最大,且第1个螺纹牙根部存在严重的应力集中现象。通过改变螺纹的锥度和螺距,能够使隔水导管螺纹接头应力分布更加均匀,提高隔水导管螺纹接头的连接质量。     

气体钻井用Φ139.7 mm钻杆DS55螺纹接头断裂原因分析

在采用气体钻井技术施工过程中,所使用的Φ139.7 mmDS55双台肩大水眼钻杆发生了外螺纹断裂事故。该钻杆是为深井、超深井降低钻井循环压耗进行水力优化开发的钻杆,钻杆接头外径为184 mm,内径为101.6 mm。在钻井液环境下具有良好的降压耗作用。对断裂外螺纹的断口形貌进行了宏观和微观分析,对该外螺纹接头材料的力学性能和金相组织进行了试验分析。结果表明,钻杆外螺纹接头材料符合API SPEC 5DP标准要求。对钻杆接头结构及承载力分析,水力优化的大水眼钻杆螺纹的抗拉和抗扭强度低于5FH规格的API接头。由于该外螺纹接头在气体钻井中承受了较大的交变载荷,因而发生了疲劳断裂。