介绍力学大会2015集ms2414

中国力学大会-合理地制定适用于现场的操作规范是保障钻井作业安全的关键。APIRP中给出了标准钻具接头的极限工作扭矩计对规范现场操作具有重要的指导意义。由于钻具接头受力特征复杂该计算模型不得不基于很多假设性条件，如假定横截面上拉应力均匀分布、忽略螺纹牙的螺旋升角、忽略扭矩引起的剪应力等。其给出的不同轴向拉力条件下钻具接头矩图版与实际情况间存在一定的差异。本文采用非线性弹塑性有限元分析技术虑钻具接头在工况条件下的非线给出复杂载荷条件下钻具接头极限工作扭矩确定方法，并建立基于轴力的钻具接头极限工作扭矩图版。相比AI关键词钻具接头，API标准，极限工作扭矩，轴向拉力，三维THEAPPLICATIONSCOPEOFTHEULTIMATEWORKINGTORQUEFORTHETOOLJOINTSINAPICHENFeng1，2，JINZezhong1，WANGWenchang1，DIQinfeng1†，ZHANGHe1，WANGMinjie1，SONGHaitao1（1ShanghaiUniversity,ShanghaiInstituteofAppliedMathematicsandMechanics,Shanghai200072,（2ShanghaiUniversityMechanicalEngineeringPostdoctoralResearchStation,Shanghai:中国力学大会-AbstractThestressstateoftooljointsisverycomplexinthemoreandmoredemandingdrillingconditions,failureoftooljointsoftenoccurduetoextremeload,resultinginhugeeconomiclosses.Accuratelydeterminetheloadlimitoftooljointsundercomplicatedworkingconditionsanddevelopareasonableoperationspecificationisthekeytoensurethesafety.APIRP7Gformulatetheultimateworkingtorqueofthetooljoints,whichissignificancelyinguidingthefieldoperation.Duetothecomplexstresscharacteristics,analyticalformulasarederivedundermanyassumptions,e.g.thetensilestressisconsidereduniformacrossthecombinedareas,thecontributionofshearstressduetotorsionisignored,andthehelixangleofthethreadsisneglected,etc.Hence,theresultsofAPIformulasaredifferentfromtheactual.Inthepresentstudy,anonlinearelasto-plasticfiniteelementanalysisisemployedtorevealthenonlinearcharacteristicoftooljointsundercomplexmechanicconditions.Theultimateworkingtorqueoftooljointscombinedwiththeimpactofmake-uptorqueandaxialtensioniscalculated,andthenon-linearlimitoperatingloadprofileisdeveloped.Thedifferencebetweentworseultsisdiscussed,andtheapplicationscopeoftheultimateworkingtorqueinAPIstandardisdiscussed.ForAPINC50,theultimatetorqueinAPIistoolargewhenaxialtensionlessthan1116.76kN,whichmaycausethefailureoftooljointswhentheworkingtorquestillinthecalibrationofultimatetorque.TheultimateworkingtorqueinAPIissmallerwhenaxialtensionbetween1116.76kNand6699.66kN,thuscanbeusedasaconservativevalue.Forthecasethattheaxialtensionisgreaterthan6699.66kN,theultimatetorqueisnotprividedinAPI.Infact,theultimateworkingtorquedecreasesrapidlywiththeincreaseoftheaxialtensioninthiscase.Inthecomplexdrilling,suchasultra-deepwells,theultimateworkingtorqueofthetooljointsshouldbeestablishedcarefullytoensurethesafetyofoperation.Keywordstooljoints,APIstandard,ultimateworkingtorque,axialtension,three-dimensionalfiniteelementanalysis引APIRP成极限操作图版，如图1所示。0,0到T4,Q1的直线表示台肩分离。T2,0到T3,Q1的直线表示在扭矩和拉力复合作用下公扣发生屈服。T1,0到T1,Q1的直线表示扭矩作用下母扣发生屈服。Q1水平线表示公扣最大拉伸载荷。图1API极限工作扭矩图版其中各极限线的端点由以下五个表达式定义Q=Ym 1 T1=YmAb6PRtfRsf 102π Ym

RtfRf T2=1.11062πcosθ s T3=YmAp6PRtf

2π

AAPRtfsR

1.110A 2π 以某接头外径公接头内径基面中径母接头内径镗孔直径

图2网格划分示意分析载Step1：上扣扭矩Step2：轴向拉力Step3：工作扭矩，当工作扭矩小于特定数值时各啮合面上的接触压力保持不变。然而当工作扭矩继续图3钻具接头各啮合面上的接触压力变化规在上述载荷工况条件下，失效时刻钻具接头的高。最大。图4失效时刻钻具接头应力分布云图5给出了工作扭矩的施加曲线，当工作扭矩大于一定数值后接头的预紧平衡状态头不再能保持稳定的啮合状态时工作扭矩开始出现波动这种波动反映了公扣、母扣啮合面在工作扭矩的作用下不断地平衡→滑动→平衡→滑动→最终破坏的过程。波动过程中工作扭矩峰值情况如表3为了反映接头的承载能力，取这组据的有效值（即均方根值）作为该钻具接头的极限工作扭矩。根据均方根值的定义，计算出该钻具接头的极限工作扭矩为•。表3图5钻具接头工作扭矩加载曲轴向拉力0极限工作扭矩轴向拉力极限工作扭矩参考API律可用图6中曲线描述，其对应的计算模型为 x Mmax3.00054107T36.71019103T250.0382T x 图6极限工作扭矩随轴向拉力的变化规API图7钻具接头极限工作扭矩图根据APIT2=84.50kN•m,T3=43.87kN•m,T4=42.34kN•m,服，过Q1的横线代表拉力作用下公扣发生屈服。按照APIRP图8拉、扭综合作用下钻具接头操作极限图对于N50钻具接头，推荐的上扣扭矩值为5•，因此据图8可知可对接头施加2.的轴向拉力和6•m该钻具接头的极限工作扭矩计算模型（6），当轴向拉力为时，其极限工作扭矩为结果表明AI提供的极限工作扭矩与三维有限元分析结果之间的相对误差达13.2%。APIRP中所提供的结果（黑线）列于同一图见图9。当轴向拉力较小时，本文所得极限工作扭矩比AI这是由于轴向拉力较小时工作扭矩的作用将使得母扣台肩处首先发生失效，而AI极限工作扭矩以公扣基点处为危险截面计轴向拉力的作用使得台肩啮合面上的预紧力降低甚至使台肩发生分离，而工作扭矩的作用可以使分离的台肩重新发生接触，因此当轴向力介于7和9.之间时接头能承担比AI标AI标准中并未给出轴向力大于时的情况，事实上当轴向拉力过大时钻具接头的抗扭极限随着轴由于井下情况复杂为了保证作业安全，在极限工作扭矩曲线的基础上引入1.2图9浅蓝虚线所示的推荐工作扭矩曲线。工作扭矩一旦超过推荐工作扭应及时进行参数调图9不同轴向拉力条件下API极限工作扭矩计算结果与本文结果对结通过计算复杂载荷条件下钻具接头的极限工作扭矩，可得到如下结论刘永刚林凯胡安智等复杂深井钻柱安全性研究[J].石油矿场机械2008(01p.17-李斌杨智春于哲峰钻柱接头扣型改进设计的有限元分析[J].机械强度,API,APIRP7G:Recommendedpracticefordrillstemdesignandoperatinglimits[S].Sixteenthedition.董昌乐API圆螺纹套管接头连接强度研究[D],2011,西安石油大学樊秀江不同条件下API套管螺纹接头密封性能的实验研究[D],2011,西安石油大学王琍张汝忻邹家祥等API圆螺纹套管接头应力场分布实验[J].北京科技大学学报2000(06p.555-林元华施太和姚振强等钻具螺纹接头力学性能计算方法及其应用[J].上海交通大学学报2005(07p.1058-HilbertJr,LBandKalil,IA.Evaluationofpremiumthreadedconnectionsusingfinite-elementanalysisandfull-scaletesting[C].SPE/IADCDrillingConference.1992.NewOrleans,Louisiana.FengChen,QinfengDi,NingLi,etal.DeterminationofOperatingLoadLimitsforRotaryShoulderedConnectionswithThree-dimensionalFiniteElementAnalysis[J].JournalofPetroleumScienceandEngineeri