高抗扭强度钻铤螺纹设计及有限元分析

研制的高抗扭强度钻铤螺纹与API标准钻铤螺纹相比,只是在外螺纹小端增加了一段光滑的圆柱面。该结构可在达到上扣扭矩时,使螺纹内、外台肩同时顶紧,形成2道密封面,不仅增加了螺纹的受力截面积,而且提高了钻铤螺纹连接强度和抗扭强度,大大降低了密封面发生刺漏的几率。有限元分析和现场使用表明,使用高抗扭强度钻铤螺纹是延长钻铤寿命、减少井下事故的一种有效措施。     

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。     

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。     

非API规格偏梯形螺纹接头套管连接强度计算

通过对塔里木油田250.83 mm套管使用情况调研,发现目前使用的250.83 mm套管采用API 244.48 mm偏梯形螺纹接头,其连接强度远低于管体。设计了与250.83 mm套管管体匹配的250.83 mm非API规格偏梯形螺纹套管接头。通过力学计算和有限元分析,证实250.83 mm管体配250.83 mm非API规格偏梯形螺纹接头套管比现有250.83 mm管体配API 244.48 mm标准偏梯形螺纹接头的套管连接强度大幅度提高。通过对API标准套管接头连接强度公式进行分析,得出了既可满足API套管连接强度计算,又可满足非API标准套管接头连接强度计算的公式。     

非API尺寸套管偏梯形螺纹接头设计

基于油田现场工况设计了φ206.38 mm×15.8 mmC110非API尺寸套管管体及非API偏梯形螺纹接头.对套管管体强度、螺纹接头连接强度和密封性能进行了计算分析.根据力学模型并利用有限元仿真分析方法,对螺纹接头在上扣、内压及拉伸条件下的受力进行了分析.最后对设计的螺纹接头的连接强度和密封性能进行了实物验证.结果...     

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。     

钻铤螺纹应力分散槽结构改进

介绍了API Spec 7标准、SY/T 5144标准、GB/T 22512.2标准中关于钻铤螺纹应力分散槽结构方面的发展历史。指出原有结构使公、母螺纹啮合的完整扣数目减少,降低其承载能力,并使弯曲强度比增加。提出了螺纹应力分散槽结构的改进方法,减少了应力集中,提高了钻铤螺纹的使用寿命。     

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。     

一种非API规格套管高性能特殊螺纹接头的设计开发

针对高温高压超深井的复杂井况需求,研制开发了一种非API规格套管高性能特殊螺纹接头,规格为Φ200.03 mm×10.92 mm,钢级为110ksi。介绍了特殊螺纹接头的结构特点,采用有限元方法计算分析了接头的应力分布、密封强度和密封接触压力,并依据API RP 5C5:2017 CAL IV对接头进行了全尺寸实物评价试验验证和复合力气密封试验。理论分析和试验结果表明,该接头的抗粘扣性能、密封完整性、接头结构合理性均达到了产品设计要求,能够满足高温高压深井对螺纹接头结构和密封性能的要求。     

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。     

非API规格偏梯形套管螺纹的开发

为了满足特殊井况结构螺纹接头的需要,提出了非API规格套管设计方法,在原有API偏梯形螺纹齿形和参数的基础上,重新设计计算了中径、完整螺纹长度、管端至消失点总长度、接箍镗孔直径、管端至三角形标志长度和全顶螺纹长度等6项参数,对设计的非API规格偏梯形螺纹套管进行了有限元分析,并进行了拉伸试验和静水压试验。结果表明,设计的非API规格偏梯形螺纹套管性能满足相关标准要求,其抗拉伸及抗内压性能达到管体100％,抗压缩性能达到管体40%。     

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。     

长北气田优质油井管螺纹类型及其应用

为满足套管、油管和井下工具螺纹的密封性和强度要求,长北气田油井管采用非API螺纹接头,主要为VAM—TOP螺纹和FOX螺纹。介绍了特殊螺纹的类型和优点,分析了这2种特殊螺纹的特点和密封设计。这2种特殊螺纹在长北气田应用了20余口井,总体效果良好,但是最近应用的2口并油管出现了密封失效问题,根据扭矩图进行了密封失效分析,失效原因为螺纹上扣不符合规范导致密封失效。     

API圆螺纹接头连接强度的影响因素研究

API圆螺纹接头经常发生滑脱失效事故,严重影响了这种接头油套管的应用。为此,利用有限元法研究了API圆螺纹接头发生滑脱失效的过程与机理,同时分析了螺纹参数和上扣扭矩对接头连接强度的影响。通过对17个圆螺纹套管接头试样进行全尺寸试验,对有限元模拟结果进行了验证。试验和计算结果表明,圆螺纹油套管滑脱失效最先发生在啮合大端的第1、第2牙螺纹上,螺纹参数尤其是不匹配的锥度对接头滑脱失效影响很大,同时上扣扭矩也有显著影响。建议将上扣扭矩在API扭矩的基础上再提高(15~20)%,这样有利于接头连接强度的提高。     

如何合理选择钻铤扣型

我国各油田使用的钻铤,有一些是符合API标准的,但在选择扣型时未执行有关规定,这是造成钻铤丝扣损坏严重,修扣量大和事故多的主要原因。本文介绍了API Spec7标准的有关规定。     

高抗扭双台肩钻铤在长庆天然气钻井的配套与应用

为了减少钻井施工中钻铤的早期失效,长庆管具公司研发、推广了具有自主知识产权的双台肩螺纹钻具;根据钻具在井下的受力状况和钻铤的弯曲比数据,通过给钻铤增加一个受力台阶减小了钻铤的弯曲应力,同时也降低了钻具在井下自动上扣对钻具螺纹造成的损伤;2008年长庆钻井在陕北气田靖中东、靖南区块、苏里格的7个钻井队推广了双台阶螺纹结构的钻铤,全年共钻井20口,进尺54539m,未发生一次钻具失效。从使用的效果证明,双台肩螺纹结构钻铤对降低钻铤的失效效果显著,有极高的推广价值。     

随钻声波仪器刻槽钻铤结构分析

随钻声波仪器通常需要在发射器和接收器之间安装一根刻有规律排列的凹槽的钻铤来阻隔钻铤波,以提高仪器的测量精度,但凹槽会降低钻铤的机械强度,因此在设计时有必要对刻槽钻铤进行有限元分析与校核。本文利用Solid Works及其有限元分析模块,分析了刻环形槽钻铤在受拉力作用或受压、扭、弯共同作用时,环形槽参数对钻铤强度的影响。计算结果显示,环形槽区域应力较大,环形槽根部会出现应力集中;环形槽越深,刻槽区域钻铤截面积越小,钻铤机械强度越差;环形槽根部增加导圆角会减少应力集中。研究结果表明,为了提高刻环形槽钻铤的机械强度,应该减小环形槽的深度,增大刻槽区域钻铤截面积,并根据声学特性,优化环形槽根部倒圆角半径、环形槽宽度、间隔以及数量等等。上述研究成果为随钻声波仪器的设计提供了依据。     

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文章针对目前普遍存在的API圆螺纹套管易于发生滑脱失效的现象，分析了这种套管在拉伸载荷作用下滑脱失效的特点，并通过弹塑性有限元方法研究了各牙螺纹的受力。在此基础上，系统地研究了上扣扭矩对这种套管连接强度的影响，并利用全尺寸试验验证了有限元计算结果的可靠性。研究结果表明，上扣扭矩对圆螺纹套管的连接强度有较大影响，在API推荐扭矩的基础上，适当增大上扣扭矩，将上扣扭矩从API最佳值提高到最佳值的1.5倍，可明显提高圆螺纹套管的连接强度。     

一种新型钻铤接头应力减轻结构的效果分析

石油钻铤失效事故大多发生在外螺纹接头靠近台肩处的最末啮合扣位置,而疲劳断裂与断裂处的应力水平有很大关系,应力水平越高,越容易发生疲劳断裂。因此,如何减小钻铤接头的局部应力集中、改善应力分布,一直是研究的热点问题。在API应力减轻结构的基础上,设计了一种新型应力减轻结构,并进行了实际应用。在考虑摩擦因数的前提下,利用有限元方法,对该新型结构进行了详细分析,对比了API接头、API应力减轻结构和该新型结构的效果,分析了3种结构在台肩面、螺纹牙上的应力分布以及台肩面上的接触力分布。结果表明,该新型结构可以有效地减小钻铤接头局部应力峰值,改善接头的应力分布,从而为改进钻铤接头设计、提高钻铤寿命提供了参考。     

钻铤粘螺纹原因分析及试验研究

对钻铤粘螺纹事故进行了调查研究，并进行了宏观形貌和材质分析；对新钻铤材质和螺纹参数进行了检验，并采用不同旋螺纹扭矩对新钻铤试样进行了上卸螺纹试验。通过试验分析，认为钻铤材质和螺纹加工质量合格，钻铤粘螺纹与钻铤材质和加工质量无关，其主要原因是井队操作不当所致。