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。     

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。      

基于密封性能要求的超深井钻柱极限提升力的确定

为了评估大轴向载荷作用下的钻杆接头密封性能,保证钻杆接头的使用性能,采用三维有限元方法建立了双台肩钻杆接头高精度有限元模型,研究了钻杆接头的密封机理,并分析了其在上扣扭矩和轴向拉力作用下的力学特性。研究结果表明,双台肩钻杆接头的密封以主台肩、副台肩为主,只有当上扣扭矩使主、副台肩上产生一个合理的接触压力后,才能保证接头的密封性能;轴向拉力的作用将降低主、副台肩上的接触压力,从而影响接头的密封性能;当轴向拉力超过2 500 kN时,主、副台肩将失去密封性能,从而增加接头发生应力腐蚀的风险。该研究结果对超深井钻杆接头使用性能的提高和钻柱极限提升力的确定具有一定的参考价值。     

新型钻具特殊螺纹优化设计

随着勘探开发向深部发展,对钻具接头的连接强度提出了更高的要求。根据钻具接头受载时螺纹牙的力学特征,设计出一种双台肩锯齿状螺纹牙新型特殊螺纹接头,该结构内表面平滑,降低压耗,螺纹锥度小。文章基于接头抗扭性能理论计算公式与螺纹牙变形原理,提出了一种新型钻具特殊螺纹结构,利用正交优化的方法优选结构参数,得到最优参数为锥度1∶16,螺距7.25 mm,牙高4.10 mm,承载角-3°,导向角45°。进而采用ABAQUS对比计算了普通接头、双台肩接头、新型钻具特殊螺纹接头在井下拉扭复合载荷下的承载性能。结果表明,相较于普通接头和双台肩接头,新型钻具特殊螺纹接头水眼增大10.3%,抗拉性能分别提升15.4%和10.9%,应力集中分别优化22.0%和16.6%,特殊螺纹接头的疲劳寿命分别提高11.2%和7.6%。     

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...     

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...     

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。     

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。     

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。     

油井管接头密封方法及机理综述

高温高压天然气井的管柱密封性至今无法完全保障。油井管最常用的四种密封方法是螺纹密封、台肩密封、弹性密封环密封和金属接触密封。大部分特殊螺纹接头采用金属接触密封,密封面接触压力决定了密封能力。正确的金属接触密封会显示出一种压力激发效应。将密封面设计在远离螺纹端部的位置,螺纹端部刚性增强了密封接触力。金属接触密封的泄漏概率为10^-2,泄漏速度取决于密封面的接触应力宽度、粗糙度、损伤程度、密封脂、涂层等。特殊螺纹接头在振动后,即使产生疲劳裂纹,也不发生泄漏。一些接头台肩刻槽后作密封性试验,结果发生泄漏。很多气井管柱扭矩台肩发生了腐蚀,证明金属接触密封存在泄漏通道,即扭矩台肩起密封作用。接触压应力设计法无法完全解决特殊螺纹接头的密封问题,发展全新的设计理论和制造技术,是保障特殊螺纹接头密封性的重要发展方向。     

钻具螺纹接头螺纹牙载荷计算方法的探讨

钻具螺纹接头各圈螺纹牙承受的载荷分布是不均匀的，这对螺纹接头的疲劳强度影响很大。用有限元分析方法虽能精确地计算许多条件下螺纹牙的受力状况，但要系统分析各种因素对螺纹牙承受载荷的影响就不太方便。鉴于此，用数学分析方法得到了在预紧扭矩和外加轴向载行作用时钻具螺纹接头的变形协调方程，并求出其近似解，即螺纹各圈间载荷分布函数，据此讨论了影响各圈螺纹牙载荷分布的因素。分析认为，减小内、外螺纹接头截面积倒数之和，或增大螺纹牙啮合时的变形柔度，可使各圈螺纹牙载荷分布趋于均匀。     

高强度钻铤螺纹的研制及应用

在分析钻铤螺纹失效部位及原因的基础上，研制了高强度钻铤螺纹，它与普通钻铤螺纹相比，只是在外螺纹小端增加了一段光平的锥体。当钻铤上扣到规定扭矩时形成第二台肩，第二台肩和第一台肩同时顶紧，螺纹最小截面积可增加４３％，增加了螺纹承载能力。现场使用表明，使用高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。     

顶驱中心管接头螺纹连接性能分析

顶驱中心管螺纹连接的可靠与否影响到钻井安全。采用有限元法对中心管在预紧和额定载荷2种工况下的应力应变特性进行了研究,得出中心管的等效应力分布及在各危险截面上定义的路径的应力分布曲线。结果表明,在2种载荷工况下,中心管各啮合螺纹仍然具有承受载荷的能力,但载荷分布的不均匀性对螺纹接头的连接性能有重要影响,部分螺牙的等效应力和接触压应力均较高,有可能导致粘扣或屈服破坏。     

超深水钻井船月池区域结构极限强度

针对钻井船月池区域结构,采取面板截面积等效平铺进腹板的加强筋简化方式,考虑非线性因素,在垂向弯矩、水平弯矩以及扭转工况下开展对月池区域结构的极限承载能力研究。根据极限状态下的破坏模式,针对月池舱段结构提出局部加强措施并进行对比分析。研究表明:钻井船月池区域结构易发生失效破坏的位置位于舱段2的部分悬空上甲板结构处;月池区域舱段在承受极限垂向弯矩载荷时,在中拱工况下较为危险;提升月池区域中部舱段在垂向弯矩载荷下的极限强度时,需同时对上甲板以及船底板结构进行局部加强。     

抽油机曲柄销失效分析及联接设计

分析了游梁式抽油机曲柄销所受载荷及失效形式。指出曲柄销失效的主要原因是曲柄销和锥套的过盈配合面之间出现了松压现象，这种松压现象是由曲柄销受灾变载荷作用所引起，且失效主要发生在曲柄销锥面中部台阶、螺纹根部及锥面小端三处，破坏形式则以弯曲疲劳破坏为主，螺纹根部的破坏具有扭转破坏的特征。提出了曲柄销与曲柄联接的设计准则及螺纹预紧力矩的计算公式。     

FPSO典型舱段极限强度

针对浮式生产储卸油装置（Floating Production Storage and Offloading,FPSO）主船体货舱区域结构采用Abaqus准静态分析法,考虑材料非线性因素和船舶工作海域实际海况,建立3档强框模型并对其在垂向弯矩和30°艏斜浪作用下的极限承载能力进行研究。采用整船波浪直接计算得到的弯矩幅值响应算子比值确定联合载荷中垂向与水平载荷加载关系。研究表明：在垂向载荷作用下结构抵抗中拱弯矩的能力更强;引入水平载荷后结构抵抗垂向外载荷能力降低且水平载荷对中垂极强弯矩的影响更大,极限弯矩发生时相应结构一般发生大面积的屈曲破坏;水平极限弯矩总是先于垂向极限弯矩出现;舭部结构的存在有效传导了中拱与水平弯矩联合载荷。