复杂工况下41/2REG涡轮轴连接螺纹断裂分析

为预防和减少涡轮钻具的涡轮轴在解卡过程中连接螺纹发生断裂,需对其断裂原因进行分析。根据长庆油田A井所用涡轮钻具轴连接螺纹的结构,建立了带螺旋升角41/2REG锥形螺纹的三维力学模型,基于连接螺纹弹塑性本构关系和有限元控制方程,分析了涡轮轴连接螺纹在压扭、拉扭、弯扭复合载荷工况下的应力分布。研究发现:涡轮轴连接螺纹部位在扭矩一定的情况下,随着钻压增大,涡轮轴外螺纹所受应力呈增大的趋势,且螺纹牙的应力分布不均匀,整圈螺纹牙上的应力波动较大;当涡轮轴受到的拉力一定,随扭矩增大,外螺纹台肩部位第一牙处应力增幅较大,存在疲劳失效的风险;在扭矩为25kN·m条件下,当井眼曲率为10和20(°)/100m时,外螺纹的最大应力为700.0 MPa,涡轮轴螺纹连接部位比较安全,但当井眼曲率为30°/100m时,螺纹台肩内外螺纹牙最大应力为903.6 MPa,接近材料的屈服极限。研究结果表明,涡轮轴连接螺纹在弯扭载荷作用下易在外螺纹第一牙处出现应力集中现象,导致其失效,因此应避免在井眼曲率较大井段使用涡轮钻具。     

G105钢级钻杆外螺纹接头裂纹原因分析

某油田在定向钻井作业过程中有多根G105钢级钻杆外螺纹接头出现断裂和裂纹。对该井钻杆使用情况进行调查研究,并对1根螺纹牙底有裂纹的外螺纹接头进行失效分析。失效分析内容主要包括断口观察、钻杆接头材料化学成分分析、力学性能及金相组织分析,并通过有限元方法模拟分析API标准NC31接头受到复合载荷时的应力分布状态,比较NC31接头标准外径与增大外径时外螺纹接头螺纹牙受力情况。分析结果表明:接头螺纹牙底裂纹为疲劳裂纹,钻杆接头外螺纹大端第1~3牙为应力集中区域。由于在该定向井造斜点附近井眼全角变化率较大,存在较大的结构弯曲,使接头承受较大的交变复合载荷,最终在接头螺纹应力集中区萌生疲劳裂纹,导致失效。     

水平井井眼曲率对膨胀管通过性的影响研究

目前尚无学者针对井眼弯曲现象严重及井眼曲率大的水平井开展膨胀管的通过性影响研究。为此,基于膨胀管在水平井中的下入过程,在考虑膨胀管所受重力、浮力、摩阻、弯矩、剪力及流体作用力等的情况下,对膨胀管微元段进行了受力分析,建立了膨胀管下入载荷计算模型及井眼曲率影响下产生的附加轴力计算模型;在考虑膨胀管螺纹不同螺纹牙中径和轴向载荷等不同情况下,建立了膨胀管内、外螺纹连接强度条件。此外,运用所建立的模型分析了CA水平井井眼曲率对膨胀管通过性的影响。研究结果表明：将最小通过轴力和钩载进行对比可初步判断膨胀管的通过性;膨胀管内、外螺纹连接应力随曲率的增大而增大,且同一井斜角位置处相同曲率下的外螺纹连接应力均大于内螺纹连接应力;膨胀管可下入至CA水平井中的各井斜角位置处,但从井眼曲率和极限曲率的对比来看,膨胀管在下入过程中会受到破坏,分析结果与CA水平井的现场施工情况相符。所得结果可为大井眼曲率水平井下入膨胀管困难提供有效解决方案和理论依据。     

高压高产气井测试管柱螺纹安全分析

目前,测试管柱力学研究主要集中在测试管柱受到内压、外压、轴力、扭矩、弯矩和黏滞摩阻等多种载荷变化下的屈曲变形,对用于连接测试管柱的螺纹及测试管柱发生变形时螺纹应力分布和强度分析不足。为此,采用有限元软件建立了测试管柱螺纹的有限元分析模型,对测试管柱接头螺纹进行受力分析,研究管柱螺纹应力随纵向载荷变化和有、无上扣扭矩对管柱螺纹应力和强度的影响。研究结果表明：测试管柱螺纹两端扣牙处等效应力较大,其中后端最后一扣的等效应力最大,而中部的扣牙受力相对较小;随着纵向载荷的不断增大,管柱螺纹处的应力幅值不断增大,在不同纵向载荷作用下,管柱内螺纹和外螺纹相互作用力均出现两头大、中间小的形态;有上扣扭矩时,测试管柱扣牙处的应力比无上扣扭矩时大,并且有上扣扭矩会增加后端扣牙的咬合力。所得结果可为测试管柱的安全分析提供理论支持。     

冲击载荷作用下套管螺纹连接的有限元分析

套管振荡器在振动固井过程中,会对套管产生周期性冲击,可能会引起套管损坏,而螺纹连接是套管柱中最薄弱的环节,有必要进一步对冲击载荷作用下的套管螺纹连接应力场进行研究。以API?139.7 mm×7.72 mm N80钢级的圆螺纹套管的螺纹连接部分为研究对象,分析了套管螺纹连接部分的应力强度和在冲击载荷作用下螺纹连接部分的应力分布规律。研究结果表明:在上扣扭矩、轴向拉伸和内压等复合载荷作用下套管内、外螺纹接触应力均出现两头高中间低的分布状态;随着上扣扭矩的增加、轴向拉应力的加大和内压的增高,套管螺纹连接部分整体Von Mises应力均呈现升高的趋势;螺纹牙承载侧的接触压应力要普遍高于导向侧;套管振荡器对套管的周期性冲击不会造成破坏。所得结论可为有冲击载荷作用的振动固井技术提供理论支持。     

基于三维有限元模型的钻具连接螺纹上扣扭矩影响分析

建立了钻具连接螺纹的轴对称和三维空间有限元模型,分析了钻具螺纹在给定上扣扭矩作用下外螺纹和内螺纹的应力变化。在相同上扣扭矩作用下,空间模型较轴对称模型螺纹第1扣根部应力增大了20%左右。分析出由于空间螺旋效应对钻具螺纹应力的影响,为钻具连接螺纹的失效分析和轴对称分析的研究方法提供了理论依据。     

拉弯复合载荷作用下的API短圆套管螺纹力学行为

套管下入水平井弯曲段时,套管螺纹是否已发生屈服对于随后的钻进和油气井生产有至关重要的影响,而目前国内外对于井眼曲率（弯矩）对套管螺纹连接强度和密封性能影响的研究极少。笔者基于虚功原理、接触非线性理论及vonMises屈服准则,建立了API短圆套管螺纹连接的三维计算模型,研究了拉弯复合载荷下连接螺纹的应力分布规律,指出井眼曲率（弯矩）对套管的连接强度和密封性能影响极大,并通过大量计算绘制了给定井眼曲率时的最大许用套管悬重图,综合考虑连接强度和密封能力推荐了API短圆套管螺纹标准所列锥度、螺距、螺纹长度、牙高参数系列中的最优值。     

中短半径水平井弯曲井段套管受力分析

套管柱在高井眼曲率的水平井弯曲井段将产生较大弯曲应力和较大的径向变形，有可能导致强度破坏和变形失稳。为了研究套管在弯曲载荷作用下的应力分布及变形情况，采用三维实体单元，运用有限元方法建立了中短半径水平井弯曲井段套管的计算模型，分析了三种不同外径尺寸的套管在一定围压和不同弯曲载荷作用下的最大径向变形量和最大等效应力值，并分析其随井眼曲率的变化规律。计算表明，井眼曲率增大，弯曲井段套管的径向变形和应力也随之增大；同一井眼曲率下，外径较大的套管，径向变形和应力也较大。通过研究，对高井眼曲率下中短半径水平井弯曲井段套管柱强度设计提供了理论依据。     

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。     

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。     

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。     

φ244.5 mm套管偏梯形螺纹接头有限元分析

根据φ244.5mm（95/8英寸）套管偏梯形螺纹接头的实际工作情况,建立了预紧力、轴力、内外压力、弯矩和扭矩等载荷工况的力学模型,并依据力学模型建立了该接头的有限元网格模型.采用弹塑性接触问题的有限元分析方法分析了上扣、下套管、旋转套管3种典型工况下该接头的接触压力分布、应力分布和应变分布,可以揭示螺纹接头接触区和牙齿的弹塑性行为,对工程应用有重要的指导作用.研究表明：偏梯形螺纹接头的前3个牙齿和最后3个牙齿的应力和接触压力都很大,螺纹连接在这些部位后很容易发生粘扣.     

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。     

复杂载荷作用下套管特殊螺纹 接头密封性能有限元分析

为了探究一体化管柱套管特殊螺纹接头在复杂载荷作用下的密封性能,以徐深9-平4井完井管柱的某套管气密封螺纹为例,进行其受力变形的有限元分析。结果表明,轴向拉力及外压作用均会导致接头密封性能下降; 轴向压力与内压在一定程度上会提升接头的密封性能; 弯矩作用会导致接头应力分布产生不对称性,接头受拉侧最后一齿易产生应力集中。分析结果可为套管特殊螺纹接头的应用提供参考。     

石油钻杆公接头螺纹牙根部表面裂纹有限元计算

基于管螺纹连接的简化模型,采用三维有限元位移法,求解不同型号石油钻杆公接头螺纹牙根部具有不同形态的半椭圆表面裂纹在内压、弯曲、拉伸及扭转载荷下的应力强度因子。在大量有限元数值计算基础上,给出了包含接头螺纹结构参数及裂纹形态参数在内的应力强度因子的近似计算公式。     

新型气密封特殊螺纹接头抗旋转弯曲疲劳试验研究

套管接头在水平井下入过程中承受大量旋转-弯曲疲劳循环载荷,这种循环载荷会导致套管接头螺纹根部产生高应力,导致疲劳损伤和潜在的结构失效,从而对后续油井作业中的管柱接头密封和结构能力产生影响,因此需开展套管特殊螺纹抗旋转弯曲疲劳试验研究。基于API 5C5:2017及API TR 5SF标准,通过对某型特殊螺纹套管进行共振弯曲疲劳试验,评价该特殊螺纹接头在疲劳振动载荷下的密封性。结果显示,试验中加载频率越接近试样固有频率,振动越激烈,弯曲应力幅值越大;1#试样在内压60 MPa、弯曲度＞20°/30 m的加载条件下,累计加载循环次数54 192次后,试样完好,螺纹接头及管体未出现渗漏及破坏;2#试样在内压0.5 MPa、弯曲度＞20°/30 m的加载条件下,累计加载循环次数107 535次后,试样完好,螺纹接头及管体未出现渗漏及破坏。研究表明,该规格特殊螺纹接头在疲劳振动载荷下仍具有良好的密封性。该试验为共振弯曲疲劳试验方法和相应试验设备在特殊螺纹套管疲劳振动试验领域的深入应用提供了参考。     

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。     

HST特殊螺纹油套管力学与密封性能有限元分析

为研究HST特殊螺纹油套管接头在机紧工况和拉伸工况下的连接性能和密封性能,采用Abaqus有限元软件,改变管体与接箍密封面过盈量和管体受力,分析2种工况下接头扭矩台肩、密封面和螺纹牙应力及接触压力。通过分析得到机紧工况下管体密封面最大过盈量为0.09 mm,拉伸工况下接头连接性能和密封性能减弱。研究结果可为HST特殊螺纹油套管的实际应用提供理论指导。     

多轴交变载荷下套管长圆螺纹疲劳失效分析及寿命预测

在下套管以及压裂作业过程中,套管螺纹在多轴交变载荷作用下极易发生疲劳失效,影响施工进度。针对该问题,通过有限元方法,利用Abaqus软件建立套管长圆螺纹有限元模型,对上扣后套管螺纹在拉伸、压缩、内压力等多轴交变载荷作用下的应力、应变进行了分析,并基于Mises屈服准则的寿命评估法对套管螺纹在多轴交变载荷下的寿命进行计算。研究表明;在拉伸、压缩、内压力等多轴交变载荷作用下,套管螺纹上最大应力都出现在公扣大端5扣齿底处;在轴向拉伸、压缩交变载荷作用下螺纹疲劳寿命仅为1 298次,内压力为46、66、100 MPa时,螺纹疲劳寿命随内压力增加呈现递减趋势,分别为1 094、1 050、901次。该研究结果对致密油等非常规油田在压裂过程中套管螺纹失效分析具有参考意义。