（机械工程专业论文）改善钻铤螺纹工作特性的方法研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 改善钻铤螺纹工作特性的方法研究 机械工程 杨锦荣( 签名) 许爱荣( 签名) 马福保( 签名) 摘要 a p i 标准钻铤螺纹因具有上卸速度快、承载能力强、密封性高的优点，被各油田广 泛采用。随着深井、超深井、高压油气井、重腐蚀井、定向井等的开采，a p i 标准钻铤 螺纹在气密封性和可靠性方面都不能够满足开采环境条件恶劣的油气井的需求，由螺纹 连接失效引起的钻铤失效事故频繁发生，相应地对钻铤螺纹的技术要求越来越苛刻，迫 使人们去研究开发工作特性更加可靠的特殊螺纹钻铤。 本文从分析影响钻铤螺纹工作特性的主要因素入手，重点研究了钻铤螺纹设计结构 变化对螺纹工作性能的影响。以接触非线性有限元理论为基础，对钻铤连接螺纹进行细 致的理论分析。采用有限元a n s y s 软件，建立了常用a p i 钻铤螺纹的非线性有限元分析 力学模型，计算得出钻铤螺纹的应力场分布情况：在此基础上，对钻铤螺纹的结构参数 进行了改进设计，并对改进设计的双台肩钻铤螺纹与a p i 标准螺纹，在五种不同的载荷 工况下进行分析比较，结果表明双台肩钻铤螺纹可明显降低螺纹根部的应力集中水平， 螺纹的连接强度、密封性和可靠性得到了显著提高。通过有限元分析软件，对改进的双 台肩螺纹进行了双台肩螺纹内台肩间隙的最优设计。另外，本文针对现场钻铤使用中存 在的一些问题，总结了改善钻铤螺纹工作特性的其它技术措施，为今后现场应用提供理 论指导。 关键词：钻铤螺纹最优设计工作特性有限元法 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：s t u d yo ni m p r o v i n gt h es e r v i c ec h a r a c t e r i s t i c so fd r i l lc o l l a rt h r e a d s s p e c i a l i t y ： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ： y a n gj i n r o n g ( s i g n a t u r e i n s t r u c t o r ：x ua i r o n g ( s i g n a t u r e m af u b a o ( s i g n a t u r e a b s t r a c t a p is t a n d a r dt h r e a d sh a v e b e e nw i d e l yu s i n gi nm a n yo i lf i e l d so n l yb e c a u s eo ft h e i rf a s t m a k e - u po rb r e a ko u t ，s t r o n g e rc a r r y i n gc a p a c i t ya n db e t t e rs e a l e de f f e c t i v e w i t ht h e e x p l o r a t i o no fd e 印w e l l ，e x t r ad e e pw e l l ，h i g hp r e s s u r eo i la n dg a sw e l l ，s e r i o u sc o r r o s i v e s e r v i c ec o n d i t i o na n dd i r e c t i o n a lw e l l ，e t c ，t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t si sb e c o m i n gm o r e c r i t i c a lo nd r i l lc o l l a r sb e c a u s em o r ea n dm o r et h r e a d so f t e nf a i l ，w h i c ha l s oc a u s e st h er e l a t e d d r i l lc o l l a r sa tt h es a m et i m e a 1 1t h es t a n d a r da p ic o n n e c t i o n so fd i l l lc o l l a r sc o u l dn o tm e e t t h er e q u e s t so fp r e s s u r es e a l i n g ，m a k e u ps t r e n g t ha n dr e l i a b i l i t yo nd r i l l i n gw e l lu n d e rs e r i o u s s e r v i c ec o n d i t i o n s s oi t si nu r g e n tn e c e s s a r yt or e s e a r c hf o rt h em o r er e l i a b l ea n ds p e c i a l t h r e a d sf o rd r i l lc o l l a r s n l i sp a p e rg i v e sad e t a i l e di n v e s t i g a t i o no nt h em a i nf a c t o r sd i r e c t l yi n f l u e n c i n gt h e s e r v i c ec h a r a c t e r i s t i c so fd r i l lc o l l a r s t h r e a d s ，a n df o c u so nt h ec h a n g eo ft h r e a d s d e s i g n s t r u c t u r ea f f e c t i n gd r i l lc o l l a rt h r e a d s s e r v i c ec h a r a c t e r i s t i c s o nt h eb a s i so ft o u c h i n g n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tt h e o r y , t h et h r e a d sh a v eb e e na n a l y z i n gt h e o r e t i c a l l y 刀砖m e c h a n i c a l m o d e l sa l ee s t a b l i s h e db yu s i n ga n s y ss o f t w a r eo ff i n i t ee l e m e n t , w h i c hi sf o rt h ea n a l y s i s o fn o n - l i n e a rf i n i t ee l e m e n t ，a n dt h e nw eo b t a i nt h ed i s t r i b u t i o no f k e ya r e ai nt h es t r e s sf i e l d a n ds t r a i nd i s p l a c e m e n tf i e l d b a s e do nt h ea b o v ec r i t e r i a , w e v em o d i f i e dt h ed e s i g n p a r a m e t e r so ft h et h r e a d sa n dc o m p a r e dt h ed s t ( d o u b l es h o u l d e rt h r e a d ) d r i l lc o l l a r st h r e a d s t ot h es t a n d a r da p it h r e a d su n d e rt h ef i v ed i f f e r e n tt e s tl o a d s 1 1 1 er e s u l t sa r es h o w i n gt h a tt h e d s t ( d o u b l es h o u l d e rt h r e a d ) o fd r i l lc o l l a ri si m p r o v i n go b v i o u s l yt h ed i s t r i b u t i o no ft h r e a d f o r ma n dd e c r e a s i n gt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nl e v e la tt h er o o to ft h r e a d a sam a t t e ro ff a c t , t h e p r e s s u r es e a l i n g ，s t r e n g t ha n dr e l i a b i l i t yo ft h r e a d s m a k e u ph a v eb e e ni n c r e a s e dg r e a t l y a n d t h r o u g hu s i n gt h es o f t w a r eo ff i n i t ee l e m e n t , w e v eo p t i m i z e dt h ec l e a r a n c ed e s i g no ft h e i n t e r n a ls e a l e ds h o u l d e ro fu p d a t e dd s t ( d o u b l es h o u l d e rt h r e a d ) b e s i d e st h ei m p r o v e m e n to ft h r e a dd e s i g no fd r i l lc o l l a r , t h ep a p e rh a sa l s os u m m a r i z e d t h eo t h e rp r e v e n t i v ea c t i o n sf o rt h et h r e a df a i l u r eo ns o m eo fp r o b l e m so fd r i l lc o l l a ru s e di n f i e l d ，a n dp r o v i d e dt h e o r e t i c a lg u i d ef o rt h ef u t u r e k e yw o r d s ：d r i l lc o l l a r t h r e a d s o p t i m i z ed e s i g n s e r v i c ec h a r a c t e r i s t i c s f i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：叠鲤塞 日期： ! 星丝：竺 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的意义 随着人类社会的发展和进步，人们对石油的需求量日益增大，其消耗量显著增加， 石油已经成为当今世界发展最重要的能源之一，各国对石油的控制和争夺也日益激烈。 从目前石油开采的现状来看，地表浅层的矿产资源都已经探明或正在开采，今后石油钻 探无疑将向更深、更复杂地层和区域拓展，钻进施工难度相应增大，对钻具质量也将提 出更高的要求。 钻铤是钻具组合的重要组成部分，位于钻柱的最下部，其主要特点是壁厚大， 重量远大于其他钻具。钻井过程中，钻铤的主要作用是给钻头施加足够的钻压，以 破碎井底岩石，实现钻进，同时减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头平稳工作。 由于钻铤工作时所受载荷复杂并被钻井液腐蚀，历年来钻铤失效事故频繁发生，严重地 影响了钻井工程的正常运行，并对石油工业造成了巨大的经济损失。 在国外，1 9 9 2 年s p e d r i l l i n ge n g i n e e d n g 刊登文章，介绍了自1 9 8 7 年至1 9 8 8 年西 非海上5 口直井的钻井情况，这5 口井深度在2 5 9 0 一- , 3 9 6 0 m 之间，钻井过程中共计发生 6 6 次断裂事故，平均每口井1 3 2 次，平均每次经济损失为2 万美元n 1 。国内各油气田每 年至少发生钻具失效事故5 0 0 起，1 9 9 9 年 - - 2 0 0 3 年5 月，中原油田在陕北富县探区钻井 发生钻具失效9 8 次心1 ：在2 0 0 3 年3 月2 6 日 - - 2 0 0 3 年5 月1 4 日短短的4 9 天里，川东钻 探公司在紫水坝、双家坝、七里峡、五百梯、西河口5 个构造上钻探的5 口井共发生钻 具失效事故3 8 次口1 。长庆石油勘探局在天然气钻井过程中，据不完全统计，2 0 0 1 年3 4 月在靖边打井的1 0 个井队中共发生钻柱失效事故3 5 次，涉及钻铤3 9 根：2 0 0 2 年2 i1 月在靖边打井的2 5 个井队中共发生钻柱失效事故1 4 4 次，涉及钻铤1 5 7 根；2 0 0 3 年 2 5 月在靖边打井的2 4 个井队中共发生钻柱失效事故7 6 次，涉及钻铤8 2 根。 各种资料显示，钻铤失效事故占钻具失效事故总数的半数左右，其中在螺纹联接部 位发生失效的事故频数大致可以占到9 5 以上，失效类型及其分布规律为：螺纹断裂 3 5 5 ，螺纹刺漏5 2 5 ，螺纹磨损2 2 2 ，螺纹密封面损伤2 2 2 ，螺纹脱扣2 2 2 等h 1 。由于钻铤本体刚性大，其螺纹联接部位相对比较薄弱，加之其截面形状的变化， 造成螺纹的局部应力较高，应力集中严重，往往是受力最危险的部位。因此，降低钻铤 螺纹联接部位的应力集中，是改善钻铤螺纹工作特性的关键问题所在。 本文研究的主要目的是针对钻铤的工作特点，找出影响钻铤螺纹工作特性的主要因 素，提出相应的改善措施，并通过对螺纹结构的改进设计，有效改善钻铤螺纹工作特性， 提高钻铤使用寿命，减少和预防井下钻具失效，提高钻井速度，进而提高钻进效率，最 大限度地减少钻井成本，提高钻探效益。 1 2 国内外研究现状 1 9 6 4 年，在美国石油学会钻井和服务设备委员会会议上，为改进钻杆接头和钻铤螺 纹连接的性能，对旋转台肩式连接采用了新型数字型螺纹系列。1 9 6 8 年，该委员会决定 西安石油大学硕士学位论文 在此新系列1 3 种尺寸的接头螺纹中，选出1 1 种作为正式标准接头螺纹。a p i 标准钻具接 头螺纹，即数字型接头螺纹是一种带台肩的锥管螺纹，与之前的螺纹比较其优点是上卸 速度快，承受载荷大，台肩面承受的密封压力高，而且易于加工。所以，多年来这种a p i 标准钻具螺纹在石油钻井钻具连接中得到广泛使用疆1 。 a p i 钻具数字螺纹采用v 形螺纹，具有1 6 5 1 m m 平螺纹牙顶和0 9 6 5 m m 圆形螺纹牙 底。它以v - o 0 3 8 r 来表示，其螺距为6 3 5 m m ，锥度有l ：4 和l ：6 两种嘲。a p i 外螺 纹锥度偏差为正，内螺纹锥度偏差为负，所以上紧后螺纹啮合的前半部分较紧，而后半 部分较松。螺纹牙上载荷分布不均匀，影响钻具的抗疲劳能力和使用寿命；而且在复合 载荷作用下，内外螺纹与密封台肩面极易发生刺漏，不适合深井钻井、高压喷射钻井的 需要。 今后的发展方向是深井钻井、高压喷射钻井，不仅承受扭矩大，而且要求在复合载 荷下有足够的密封压力，这些都对钻铤螺纹的使用和设计提出新的难题。对此，各国的 科研工作者进行了大量的研究工作并取得了丰硕的科研成果，大致可分为如下几个方面： a 螺纹强度理论分析 钻具连接螺纹受力的理论分析能够给出螺纹轴向力分布的宏观结果，但是无法处理 螺纹连接处各种复杂载荷工况和边界条件。如螺纹处的应力场、牙根处的应力集中点等 复杂问题，理论分析得不到满意的结果。实验研究方面，美国、日本、法国以及我国的 相关研究单位，在制定螺纹标准时，对螺纹连接进行过许多拉伸疲劳试验、扭转疲劳试 验、弯曲疲劳试验、应力腐蚀及氢脆试验，但是螺纹牙间的载荷分布、螺纹牙接触面上 的压力分布以及螺纹牙根部应力集中点和应力集中峰值的确定等这些问题，通过直接的 实验很难达到目的。因此，应用数值计算方法研究螺纹力学，引起了学术界包括石油行 业专家们的广泛注意，国内外许多学者应用一种普遍应用于工程问题中的数值方法一 有限单元法研究螺纹力学。 g e w i s o n 采用一般轴对称有限元法分析了钻杆接头的内加厚端和内外加厚段的 疲劳破坏问题；y t s u k a n o 等用接触问题有限单元法分析了钻铤螺纹连接靠近台肩部位 的疲劳问题，提出了降低螺纹牙高度以减少应力集中的方法来延长使用寿命；西安管材 研究所采用虚拟载荷法研究了螺纹台肩、最末完全扣齿根的应力强度因子口】。 闫铁、范森等人根据弹性力学理论，通过对钻铤螺纹的受力分析，建立了在上扣扭 矩、轴向外载荷和内外水压力作用下的螺纹载荷计算模型。详细分析了钻铤螺纹的载荷 分布规律，提出了改善钻铤螺纹受力状态，减少应力集中的主要措施徊1 。张焱等人进一 步详细分析了螺纹载荷分布规律，指出了螺纹锥度、不同润滑脂所产生的摩擦系数、螺 纹牙的弹性系数对螺纹连接的载荷分布规律的影响关系，给出了改善接头受力状态、减 小应力集中的主要措施。并且通过建立一种简单的力学模型得到了螺纹连接的极限轴向 外载9 1 。 李润方，林腾蛟，唐倩等人采用弹塑性接触有限元混合法对石油钻杆连接螺纹进行 2 第一章绪论 精确的应力应变分析，求得螺纹在连接状态下由预紧力、轴向力以及内压所引起的位移 场和应力场，分析其密封性及承载能力，为选择石油钻杆接头类型及牙型设计提供了重 要依据n 町。 李庆光、聂荣国等对钻杆和加重钻杆、光钻铤、带扶正器的下部钻具组合、转换接 头、震击器等钻具失效机理进行分析，阐明了深井、超深井钻柱失效的主要特征，剖析 其失效的实质及内在的力学原因，指出造成钻具失效的主要原因是连接螺纹的应力集中。 并着重分析了连接螺纹交变弯曲应力与钻具失效的相关性。在此基础上，提出了科学的、 可行的预防钻具失效的方法和措施n 。 b 螺纹结构参数改进 多年来，不少学者研究了钻铤螺纹的联接强度，对钻铤螺纹提出多种改进方案。为 了减少螺纹消失端的应力集中，美国石油学会提出a p i 标准应力减轻槽结构，在外螺纹 公扣最末完全扣和台阶之间加工一个槽，将内螺纹底部加工成圆柱形光滑表面，从而降 低危险截面上的应力集中，起到了很好的效果1 。应力减轻槽结构的尺寸在a p is p e c7 - 2 中有详尽的规定。y a s u s h lt s u k a n o 研究的l e t 型应力减轻槽，提出将外螺纹的最末4 牙螺 纹牙顶截去一定的高度n 明。jes m i t h 和fjc a r l i n 设计的s s t 型应力减轻槽，则是在每牙 扣螺纹根部加工一定深度的圆弧槽n 3 1 。这3 种应力减轻槽都能够降低危险截面的应力集 中，并重新分配螺纹结构的应力分布，从而延长接头的疲劳寿命。 石晓兵、施太和等研究了一种新的钻铤联接螺纹减应力区，它是通过在钻铤本体上 设置减应力区，来解决钻铤联接螺纹疲劳失效问题。与以前减应力区不同的是，新的减 应力区轮廓线为连续的光滑的二次曲线、圆弧线、抛物线和椭圆线。这可以避免在减应 力区出现应力集中和“细脖子现象。用有限元法优化了减应力区的几何形状，分析了 减应力区的开口位置、开口宽度和开口深度等几何参数对应力释放效果的影响，并对减 应力区的强度进行了分析n 4 】。 朱荣东、陈平、夏宏泉等针对钻井技术进步带来的井下钻铤的服役条件更加苛刻、 失效更加严重的问题，深入分析了钻铤螺纹的失效问题，找出引起钻铤螺纹失效的主要 原因和失效的关键部位，利用大型三维实体建模软件p r o e 和有限元分析软件a n s y s ， 分别对a p i 标准钻铤螺纹和带应力分散槽螺纹进行实体建模和强度分析，得出了钻铤螺 纹在不同工况、不同结构条件下的等效应力分布情况，并对z t - n c 5 6 8 0 型钻铤螺纹应力 分散槽进行了最优化研究，找出了过渡圆角的最优值，并指出应力的变化与过渡圆角变 化不是线性对应关系，在改进钻铤螺纹应力分散槽结构时，不能单纯以增大结构过渡圆 角为手段，从而为改进钻铤螺纹应力分散槽结构提供了科学依据射。 n k k 公司、g r a n tp r i d e c o 公司先后研究出双台肩工具接头和高抗扭双台肩钻杆螺纹 接头，并在美国申请的专利，而国内尚处于研究和试制阶段n 6 1 7 1 。 3 西安石油大学硕士学位论文 1 3 本文主要研究内容 ( 1 ) 通过查阅文献和现场调研收集资料，对影响钻铤螺纹工作特性的主要因素进行 分析； ( 2 ) 在研究a p i 钻铤螺纹工作性能的基础上，提出新的钻铤螺纹改进方案； ( 3 ) 采用有限元方法，对a p i 钻铤螺纹和双台肩钻铤螺纹在不同载荷工况下进行 应力计算和对比分析； ( 4 ) 通过有限元分析，对双台肩钻铤螺纹进行优化设计研究： ( 5 ) 给出改善钻铤螺纹工作特性提高钻铤使用寿命的方法和途径。 1 4 创新点 ( 1 ) a p i 标准螺纹和双台肩钻铤螺纹力学性能的有限元对比分析。 ( 2 ) 双台肩钻铤螺纹结构的有限元优化设计。 1 5 小结 本章阐明了选题的意义是改善钻铤螺纹工作特性，提高钻铤使用寿命，减少和预防 井下钻具失效，介绍了国内外专家学者在这方面进行的大量研究工作和取得的丰硕科研 成果，在此基础上提出了本课题的主要研究内容和知识创新点。 4 第二章钻铤螺纹工作特性的主要影响因素 第二章钻铤螺纹工作特性的主要影响因素 在正常的旋转钻井过程中，钻铤承受着钻井液产生的内压和环空钻井液的外压，同 时承受由于钻铤自重产生的轴向拉伸载荷或钻压产生的压缩载荷，承受弯矩、扭矩等多 种载荷以及钻井液和地层介质的腐蚀作用引。由此可见，钻铤的工作环境非常恶劣，影 响钻铤螺纹工作特性的因素众多。研究影响钻铤螺纹工作特性的因素，首先要对钻铤螺 纹的失效形式进行研究。 2 1 钻铤螺纹的失效形式 在钻铤螺纹失效中，由于失效种类繁多，大体分为螺纹扣失效、滑脱、疲劳破坏、 屈曲四种形式。对钻铤螺纹失效形式的研究表明：在这些失效类型中，螺纹扣失效所占比 例最大，达8 0 以上。由此，可得出下面结论：改善钻铤螺纹工作特性的关键在于预防螺 纹扣失效。当然，对其它形式的失效方式也有必要进行详细的研究，这样才能更全面、 更合理地改善连接螺纹的应力状态和提出合理的预防措施n 刚。 2 1 1 螺纹扣失效 a 刺扣 所谓刺扣，是指高压泥浆将钻铤接头螺纹刺坏的一种破坏形式。根据部位不同，刺 扣可分为沿螺纹母线方向刺扣和沿螺旋方向刺扣两种形式。沿母线方向刺扣是由于台肩 面密封不严，从台肩的缝隙中刺出，螺纹和台肩都被破坏；发生沿螺旋方向刺扣时，台 肩面完好无损，而螺纹根部沿着螺旋方向被高压泥浆刺出一条泥浆通道，引起密封失效。 b 粘扣和胀扣 所谓粘扣，是内外螺纹的齿面在啮合过程中，两个摩擦界面上由于局部接触应力过 大，超过材料的弹性极限而发生屈服变形后，在螺纹表面发生撕裂、辗轧、犁划、冷焊、 嵌入等现象，发生这种破坏后，内外螺纹粘接成为一体，无法卸开。当上紧扭矩过高或 井下产生过高扭矩时，将产生较高的轴向压力，强制外螺纹进入内螺纹，形成内螺纹的 胀扣失效。 c 螺纹和台肩表面擦伤 螺纹和台肩表面留有伤痕或未清洗干净，润滑油中含有杂质，容易造成螺纹或台肩 擦伤。当发生刺扣时，尤其是沿母线方向刺扣时，螺纹和台肩面都被擦伤或刺坏。 2 1 2 滑脱 a 滑扣 当螺纹锥度较大时，上紧圈数未达到适当位置而扭矩就已达到推荐值。此时在承受 轴向拉力作用下，易发生脱扣，当螺纹间隙充填物不合理时也有这种可能性。钻柱扭转 振动过程中，当旋转件中的某一部位( 如扶正器、本体与井壁接触) 瞬时制动，其下继续 转动的惯性会引起松扣，造成滑扣失效。 5 西安石油大学硕士学位论文 b 倒扣 由于上紧扭矩不足，导致螺纹不能承担施加的轴向载荷和井下扭矩，从而造成倒扣 失效，可能造成部分钻柱掉入井内，甚至还会造成井眼报废。 2 1 3 密封失效 钻柱的扭转振动造成钻柱旋转速度时快时慢，当钻柱突然加速旋转时，扭矩可能突 然增加，因钻柱与井壁、外螺纹与内螺纹间的交互作用使得在接头处产生很高的热量， 从而螺纹脂从螺纹间隙流出，可能造成密封失效。 2 1 4 疲劳破坏 螺纹的疲劳破坏大致有疲劳断裂和螺纹牙的剪切失效两种形式。由于井眼弯曲或钻 铤承受的动载弯矩作用下都使其承受交变弯曲应力，极易引起疲劳破坏。但是由于钻铤 本体比螺纹的刚性大，所以应力集中在螺纹上，因此大部分钻铤的断裂均发生在内外螺 纹上。最大弯曲应力发生在钻铤内螺纹和外螺纹的最后一道螺纹附近，同时螺纹起着切 口的作用，所以断裂也从钻铤内外螺纹的最后一道螺纹根部发生。 2 1 5 屈曲 由于钻柱细长，在垂直或接近垂直的井眼内，井底部分的钻柱要受到压缩载荷，当 压缩载荷高于临界屈曲载荷时，就会引起钻柱或接头屈曲变形。 2 2 主要影响因素 钻铤在井下承受非常复杂的载荷，而且他们几乎都属于随机动载荷；同时钻铤所处 的环境也非常恶劣，钻井泥浆中含有许多化学成分，随着井眼的加深，井下温度也在不 断的变化；在井队，操作者对钻铤上扣扭矩有不同的认识和不同的操作方法；对钻铤的 管理和维修方法，各个油田有不同的规章制度啪1 。因此，影响钻铤螺纹工作特性的因素 是多方面的。 2 2 1 上扣扭矩 钻铤螺纹本身没有密封作用，完全靠内、外螺纹台肩面密封。如果上扣扭矩不足， 在内、外螺纹接头相互接触的台肩处没有足够的负荷，就不能产生足够的弹性压缩变形。 钻铤在工作中因受压、振动或发生弯曲后，容易导致台肩分离，外螺纹失去台肩的有效 支撑，致使在外螺纹根部与内螺纹啮合的第一扣附近出现应力集中区，同时也由于螺纹 的切口效应，在此容易产生疲劳破坏；另一方面，台肩分离后，钻铤螺纹的密封受到破 坏，高压泥浆就会从缝隙中流出，刺坏台肩和螺纹。造成上扣扭矩不足的原因有以下几 点： ( 1 ) 对于9 i n ( 2 2 8 6 m m ) 以上的大钻铤，由于受到动力大钳能力的限制，扭矩无法控 制，所以达不到a p i 推荐的标准紧扣扭矩。 ( 2 ) 上扣扭矩与钻铤螺纹类型有关，而a p i 推荐的标准扭矩是对标准扣型而言的。 6 第二章钻铤螺纹工作特性的主要影响因素 如果使用的钻铤螺纹不标准，即使按a p i 推荐的标准扭矩上扣，也不能产生足够的台肩 负荷。 ( 3 ) 上扣扭矩与摩擦系数有关，而摩擦系数是由内、外螺纹接头的表面粗糙度和使用 的钻具螺纹脂种类决定的。由于加工方法不同，技术操作水平的差异，内、外螺纹表面 粗糙度会在很大范围内变化。如果所使用的螺纹脂也不符合标准要求，则达到合适的台 肩负荷所需要的上扣扭矩将与a p i 推荐值有很大的差别。 2 2 2 钻具螺纹脂 钻具螺纹脂主要有两方面的作用：一是在螺纹和台肩之间形成一层致密的油膜，以避 免金属的直接接触，防止粘扣；二是当内、外螺纹接头上紧后，螺纹脂中的金属颗粒受 到压力变形，就会在两台肩之间形成一环状“金属圈”，它除了防止台肩粘外，还能起密 封作用。因此，对螺纹脂中的金属细粉添加剂有很多的要求，特别是在能够使钻柱产生 剧烈振动的复杂地层更是如此。如果使用的螺纹脂不合适，金属添加剂也不符合标准， 那么在极高的扭矩和压力作用下，油膜将消失或破裂，导致刺扣、粘扣现象。此外，如 果螺纹脂保管不妥善，沙子或泥土混入其中，均会污染螺纹脂，造成钻铤螺纹的擦伤和 密封不严。如果螺纹脂涂抹不均匀，台肩处出现了空白，那么在形成的“金属圈”上就 会有间隙和凹口。这样就会使高压钻井泥浆漏失，刺坏台肩和螺纹，冲走螺纹脂及其中 的金属填充剂。当继续钻进时，会发生粘扣现象。 2 2 3 钻柱振动 钻柱的扭转振动造成钻柱旋转速度时快时慢，当钻柱突然加速旋转时，扭矩可能突 然增加，一方面因钻柱与井壁的交互作用、外螺纹和内螺纹的交互作用，使得在接头处 产生很高的热量，螺纹脂从螺纹间隙流出，可能造成密封失效，同时高压流体沿着螺纹 间隙从管内流出，引起刺扣；另一方面，由于接头处传递的扭矩不是恒定的，它不断变 化，有时会改变方向，再加上纵向振动和横向振动的作用，使台肩负荷发生变化。在剧 烈的振动条件下，钻铤接头便发生松动。接头松动后，高压泥浆会由螺纹的母线方向从 台肩处刺出，刺坏台肩和螺纹。钻柱的振动同样也是引起螺旋刺的主要原因。钻柱的剧 烈振动使钻柱台肩负荷发生变化，同时也使弹性压缩量发生变化。我们知道，钻铤螺纹 本身没有密封作用，牙顶和牙底之间有一定的间隙，钻进时，高压泥浆就会充填其中。 当台肩处的弹性压缩量变化时，接头两螺纹间的间隙也随着变化。间隙变化时，其中的 泥浆受到冲击，压力很快上升，产生的瞬时高压可以达原高压泥浆的数倍，甚至数十倍， 这种高压泥浆从间隙中冲出，以“水击的形式冲蚀螺纹齿根。间隙变大时，高压泥浆 又会挤入螺纹之间，如此往复，螺纹很快就会被冲坏。 剧烈的振动是引起粘扣的主要原因。剧烈的振动使台肩面产生极大的正压力和剪应 力，破坏螺纹油膜，使其失去作用，导致金属表面的直接接触。在极大的交互应力作用 下，接触的表面会产生轻微的相互运动，并伴有能量放出。在高温高压作用下，两表面 7 西安石油大学硕士学位论文 的金属原子就有可能相互渗透，从而粘接在一起，即发生所谓的粘扣破坏。在较高的轴 向力下，强制外螺纹进入内螺纹，很容易引起内螺纹胀开或粘扣而造成联接失效。上扣 扭矩过高或井下产生过高的扭矩时，也会造成胀扣或粘扣。 2 2 4 使用维护 目前在我国各油田，钻铤的使用、维修、储存、运输和检验工作没有有机地联系在 一起，缺乏一个科学的管理系统。在油田作业现场，如果操作不仔细，对钻铤不加保护， 那么钻铤在上下钻台、上卸扣和上架时，就会同坡道和管子架等金属相碰撞，留下伤痕； 在运输过程中不戴护丝帽，台肩和螺纹会因撞击而产生创伤。在个别油田的维修单位， 由于条件所限，钻铤未加清洗而长期露天堆放，风吹雨淋，很容易使钻铤表面保护膜失 去作用，使钻铤与空气直接接触，发生腐蚀。钻铤接头带有伤痕后，容易使螺纹或台肩 擦伤，造成过度磨损；受伤的表面在很高的压力作用下，容易发生粘扣破坏；由于台肩 有伤痕，作为钻铤接头唯一的密封处得不到密封，高泵压下会产生刺扣破坏。此外，留 有伤痕也使疲劳强度下降，易产生应力集中，导致过早疲劳破坏。 2 2 5 修理制造 目前国内油田所使用的钻铤损伤后基本上是自行修复。由于钻铤的薄弱环节在螺纹 处，当螺纹损坏后，钻铤仍可恢复使用，所以可将钻铤两端已损坏的联接部位加以切削 处理。为了使钻铤螺纹有较高的疲劳强度，其内、外螺纹应该具有一个相匹配的抗弯强 度，也应该使用标准的扣型，否则可能在内、外螺纹的根部出现过早的疲劳破坏。有的 油田在修扣时不重视扣型，使得修复螺纹不符合a p i 标准；内螺纹与外螺纹的抗弯强度 比小于2 5 ：1 ，容易产生疲劳破坏。有时为了保证螺纹的尺寸精度，而忽略了它的表面 粗糙度，这就使得钻井作业人员无法准确地把握上紧扭矩，引起许多不良后果。 2 2 6 地层因素 地层因素是一个客观因素。旋转钻进时，复杂的地层将引起钻柱激烈振动，如前面 分析，钻柱剧烈的振动将会导致钻铤螺纹的刺扣以及粘扣破坏等。 在井下高温条件下，螺纹密封脂的性能下降，尤其是低温和减磨金属含量少的密封脂， 将导致螺纹和台肩面性能下降。 在低温状态下钻具按规定的旋接扭矩上扣，在井底高温环境下，金属发生膨胀将造 成螺纹根部应力集中。 2 3 小结 本章在分析钻铤螺纹失效形式的基础上，提出影响钻铤螺纹工作特性的主要因素有 上扣扭矩、钻具螺纹脂、钻柱振动、使用维护、修理制造和地层因素等六个方面的因素。 第三章钻铤螺纹设计基本理论 第三章钻铤螺纹设计基本理论 目前，钻铤螺纹设计主要采用a p i 设计理论、实验方法和有限元法进行螺纹设计计 算分析，另外国内外学者在螺纹牙受力及载荷分布方面也做了大量的理论研究。 3 1a p i 推荐钻铤螺纹计算的公式 j 苈夕f 调么一玻 l fk c l k 2 ， 2 i ) r 一 图3 一l 螺纹连接示意图 图3 - 1 为a p i 钻铤螺纹连接示意图，图中：p 为螺纹的螺距，0 为牙型半角，c 为 螺纹基面中径，l 为螺纹公扣长度，r ，为螺纹的平均中间半径，r 。为台肩的中间半径， a 。为外螺纹接头离台肩1 9 0 5 m m ( 3 4 i n ) 处的横截面积，a 。为内螺纹接头离台肩 9 5 2 5 m m ( 3 8 i n ) 处的横截面积乜。 3 1 1 抗扭强度 a p i ( 美国石油学会) 标准r p 7 g 中，规定的旋转台肩螺纹连接达到屈服扭矩的理论 计算公式如式( 3 一1 ) ，从该公式可以看出，当旋接扭矩达到乃时，连接的钻铤内外螺纹 最大应力已达到材料的屈服应力。 写= 等( 丢+ 茄+ 聊( 3 - 1 ) 式中： t ，哒到屈服的扭矩，n m ； y 。材料的最小屈服强度，k p a ； p - 螺距，m n l ； 卜螺纹或台肩接触表面的摩擦系数；当使用含4 0 ，- - - , 6 0 质量比的金属锌细粉或者 含6 0 质量比的金属铅细粉的螺纹脂，且所有螺纹和台肩都涂满螺纹脂，摩擦系数为 0 0 8 。 9 西安石油大学硕士学位论文 卜螺纹牙型半角，。； a 横截面积，外螺纹接头取离台肩1 9 0 5 m m ( 3 4 i n ) 处的面积a 。，内螺纹接头 取离台肩9 5 2 5 m m ( 3 8 i n ) 处的面积a 。，公式中采用两个面积中较小的代入，m m 2 ； 从上式可以看出外螺纹接头离台肩1 9 0 5 m m ( 3 4 i n ) 处的面积或内螺纹接头取离 台肩9 5 2 5 m m ( 3 8 i n ) 处的面积对接头抗扭强度的影响很大。因此，钻柱接头的内外 径的大小对抗扭强度来说是决定性的因素。接头的外径影响着内螺纹的截面积，接头的 内径影响着外螺纹的截面积。 a 面积a p 和a 。的计算 没有应力释放槽时： 有应力释放槽时： 式中： 4 = 号【( c 卅2 1 d 2 】 4 = 三k 2 一i d 2 】 c 一螺纹基面中径，m m ； i d 接头内径，r a m ； d 粥一应力释放槽直径，m m ； b b ：2 ( 冬一& ) + ，3 1 7 5 l o 一3 h 一螺纹理论牙高，m m ； s 。一截底高度，m m ； t 锥度，m m m ； a b = 三如2 一娩一e ) 2 】 式中： ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) o 珍一外径，m m ； q c 一内螺纹连接锥口直径，m m ； e _ e = r x 9 5 2 5 x 1 0 。3 ，m m 。 从上述计算所得出的a p 和a 。值，比较其大小，选取面积小的值作为a 的值。 b 墨与足。的计算 r f = c + 【c 一( 上声一1 5 8 7 5 ) t p rx 1 0 - 】 式中： c 一螺纹基面中径，l l l m ： 4 r , = i ( o d + q c ) 1 0 ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 第三章钻铤螺纹设计基本理论 l 。一外螺纹连接长度，m m ； t 。锥度，m m m ； o d 一外径，m m ； q c 一内螺纹连接锥口直径，m m 。 3 1 2 旋转台肩连接的旋接扭矩 t = 丽s 4 【瓦p + 茄+ r 门 ( 3 _ 7 ) 式中： a - a 。或a 。中之较小者，m m 2 5 s 一推荐的旋紧应力值，k p a 。 为了使内、外螺纹接头紧密结合，接合的台肩上应有一定的压力，而且应使台肩端 部的压应力能够抵消钻铤在井下弯曲时所产生的弯曲应力，以保证钻铤的密封性能，不 致于因台肩分离而导致疲劳应力陡升。 钻铤接头台肩上的压应力是由旋接扭矩产生的。在相同扭矩的情况下，随外径的增 大结合台肩的面积增大，台肩上的压应力相应减小，随外径的减小台肩的压应力增大。 在高扭矩下，接头承受次数不多的弯曲应力的作用就会发生破坏，而在较低扭矩下则不 会。为了使接头耐疲劳破坏的时间尽可能的长，因此上紧扭矩不宜过大，只要保证接头 台肩工作时不分离就可以了。 根据a p ir p 7 g 要求，对于大多数地区，在旋接扭矩作用下，内、外螺纹接头中的 a 。和a6 面积较小的一个上的应力值达到4 3 0 9 2 2 k p a ( 6 2 5 0 0 p s i ) 时，就能保证接头良好工 作。在恶劣的条件下，偶尔也提高这一数值。 3 2 有限元基本理论和a n s y s 软件 3 2 1 有限元理论简介 有限元方法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是力学、数学物理学、计算方法、计算机技术 等多种学科综合发展和结合的产物。在大多数工程研究领域，有限元方法是进行科学计 算的极为重要的方法之一；利用有限元方法几乎可以对任意复杂的工程结构进行分析， 获取结构的各种机械性能信息，对工程结构进行评判，对工程事故进行分析啤1 。 有限元方法的实质是将复杂的连续体划分为有限多个简单的单元体( 如图3 2 所 示) ，化无限自由度问题为有限自由度问题，将连续场函数的( 偏) 微分方程的求解问题 转化成有限个参数的代数方程组的求解问题。用有限元方法分析工程结构问题时，将一 个理想体离散化后，如何保证其数值解的收敛性和稳定性是有限元理论讨论的主要内容 之一，而数值解的收敛性与单元的划分及单元形状有关。在求解过程中，通常以位移为 基本变量，使用虚位移原理或最小势能原理来求解。有限元方法的基本思想是先化整为 零、再积零为整，也就是把一个连续体人为分割成有限个单元；即把一个结构看成由若 西安石油大学硕士学位论文 干通过结点相连的单元组成的整体，先进行单元分析，然后再把这些单元组合起来代表 原来的结构进行整体分析。从数学的角度来看，有限元方法是将一个偏微分方程化成一 个代数方程组，然后利用计算机进行求解的方法。 ， 1l 蔫 厂、j 鏊。_ 7 i 。 j 搿 l ll 图3 - 2 单元划分示意图 3 2 2 弹塑性接触有限元分析 弹塑性接触问题的基本方程，2 3 1 k ( “) m ) = p ) + r ( “) ) 三 厂( “) 式中： k ( 甜) 一整个系统的刚度矩阵，在非线性问题中是位移向量i 材j 的函数； 甜) 一节点位移向量； r ( ”) 一待定接触力向量，是接触点对相对位移的函数； ( z ，) ) 一右端项向量； ，) = 坼( ，) - l ( 州 ( 甜o ) ) = 工【b 】7 仃o d r 一 厂( 材o ) ) 一 r ( “o ) ) 旷d ) = ) + 削) 式中： 巧( “ ) 一切线刚度矩阵或初始切线刚度矩阵； 1 2 ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) 第三章钻铤螺纹设计基本理论 y ( 材 ) 一不平衡力向量； 呐力向量； 【b 】应变矩阵。 其中r ( “帕) 通过接触问题有限元混合法建立凝缩到接触边界的挠度方程来求解，考 虑了附加刚体位移约束及整体平衡条件。 3 2 3a n s y s 软件 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分 析软件。由美国a n s y s 公司( 世界上最大的有限元分析软件公司之一) 开发，它能与 多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r ，n a s t r a n ，a l g o r ， i - d e a s ，a u t o c a d 等，是现代产品设计领域中的高级c a d 工具之一。该软件主要包括 三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实 体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析 ( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声 场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵 敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢 量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形 方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。该软件还提供了1 0 0 种 以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 钻铤螺纹力学性能分析属于非线性接触问题，接触问题分为两种基本类型：刚体一 柔体的接触，柔体一柔体的接触。在刚体一柔体接触问题中，接触面的一个或多个被当 作刚体( 与它接触的变形体相比，有大得多的刚度，认为是完全刚性的，没有应变，没 有应力，没有变形) 。一般情况卜