鉆鋌螺紋失效及改善措施分析

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1、鉆鋌螺紋失效及改善措施分析【摘要】在油田開采屮，普遍采用API標(biāo)準(zhǔn)鉆鋌螺紋，它具有密封性高、承載能力強(qiáng)、上卸速度快等優(yōu)點(diǎn)。但隨著定向井、重腐蝕井、深井及超深井等開采的H漸增多，API鉆鋌螺紋的可靠性、密封性已難以滿足油氣井的開采需求，由鉆鋌螺紋失效而引起的事故時(shí)常發(fā)生。本文采用有限元軟件（ANSYS）,建立起了螺紋連接的有限元分析模型，對(duì)其應(yīng)力情況加以分析計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提出了改善螺紋結(jié)構(gòu)工作特性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案?！娟P(guān)鍵詞】鉆鋌螺紋有限元分析失效應(yīng)力集中1刖§通過眾多鉆井事故的分析，不難發(fā)現(xiàn)由鉆鋌疲勞失效所引發(fā)的

2、事故占據(jù)了很人的比例。實(shí)踐表明，鉆鋌螺紋失效的原因人多是由疲勞所致，疲勞失效又主要是山于鉆鋌交變荷載過大。在鉆鋌中，其與螺紋的連接部位較為脆弱，所以較容易在該部位產(chǎn)生較高的交變應(yīng)力，發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，故在該部位極易發(fā)生疲勞斷裂。所以分散螺紋連接處的應(yīng)力集中，是提高螺紋工作特性，降低鉆鋌失效率的關(guān)鍵所在。據(jù)鉆鋌失效的相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，螺紋斷裂位置主要集中螺紋根部的第1?3扣處，失效斷口處較光滑，可判定為疲勞斷裂。針對(duì)螺紋連接處容易失效這一情況，筆者根據(jù)井下鉆鋌的特點(diǎn)，使用ANSYS軟件，針對(duì)鉆鋌螺紋連接處，建立起有限元分

3、析模型，対英應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算、分析。計(jì)算結(jié)果表明，在鉆鋌螺紋的第一個(gè)螺紋處，應(yīng)力最大，鉆鋌螺紋的第1、第2、第3個(gè)螺紋處是失效的主要部位，據(jù)此可判定這就是鉆鋌螺紋疲勞失效的關(guān)鍵原因。2有限元計(jì)算與分析有限元方法是對(duì)鉆鋌螺紋進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的最有效、最重要的一種方法。該方法的原理是：將一個(gè)復(fù)雜的對(duì)象劃分為若干個(gè)簡(jiǎn)單的單元，將無限自由度轉(zhuǎn)化為有限自由度，將連續(xù)場(chǎng)函數(shù)的微分方程轉(zhuǎn)化為多個(gè)參數(shù)的代數(shù)方程組，通過對(duì)代數(shù)方程組的計(jì)算，來獲得復(fù)雜對(duì)象的最終計(jì)算結(jié)果。2.1模型參數(shù)分析本研究采用API（NC50）標(biāo)準(zhǔn)鉆鋌螺紋。鉆鋌的內(nèi)、外徑

4、分別為72mm.203.2mm,螺紋牙型為V-0.05。鉆鋌材料的屈服強(qiáng)度為758MPa、鋼級(jí)T110,泊松比為0.3,彈性模量為216GPa,錐度1：6。為了便于計(jì)算，對(duì)小導(dǎo)程角的影響忽略不計(jì)，按照軸對(duì)稱對(duì)接頭進(jìn)行處理，同時(shí)僅對(duì)鉆柱受到的軸向拉伸載荷作用加以考慮，僅考慮彈性范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)變形，最終將鉆柱分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎S的彈性接觸問題分析。2.2結(jié)果分析使用ANSYS軟件計(jì)算后，可得出：公扌II應(yīng)力主要集中在螺紋臺(tái)肩面的第1、第2扣，母扣應(yīng)力主要集屮在螺紋孔直徑小端的第1、第2扣，公扣臺(tái)肩過渡處的應(yīng)力最大，也是斷裂易發(fā)部

5、位。在相同工作狀況下，B結(jié)構(gòu)（API應(yīng)力槽結(jié)構(gòu)）的應(yīng)力值比A結(jié)構(gòu)（API普通結(jié)構(gòu)）更低，在軸向壓力F二1000kN時(shí)，應(yīng)力降幅為12.83%03結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案3.1應(yīng)力分散槽的優(yōu)化通過有限元模型的計(jì)算、分析，可得出B結(jié)構(gòu)比A結(jié)構(gòu)的應(yīng)力更低，B結(jié)構(gòu)優(yōu)于A結(jié)構(gòu)，但若要獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，還需對(duì)B結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，進(jìn)一步降低應(yīng)力水平。將B結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)標(biāo)記為C,優(yōu)化目標(biāo)是將B結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力os達(dá)到最小。通過分析應(yīng)力槽應(yīng)力。S與應(yīng)力杷j倒角半徑R1和R2間的曲線關(guān)系，得岀Rl=8mm,R2=13mm時(shí)，。s的取值最小，螺紋應(yīng)力分散結(jié)構(gòu)能

6、將應(yīng)力值降到最低，在相同工況下，螺紋連接處的應(yīng)力達(dá)到最小。所以，螺紋應(yīng)力分散槽結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，不能一味增大結(jié)構(gòu)過渡圓和來實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)檫^渡圓角變化與應(yīng)力變化不呈線性相關(guān)，故應(yīng)當(dāng)找出過渡圓角的最優(yōu)值。與A結(jié)構(gòu)相比，C結(jié)構(gòu)的應(yīng)力降幅為21.6%；與B結(jié)構(gòu)相比，C結(jié)構(gòu)的應(yīng)力降幅為10.11%。3.2強(qiáng)度分析在鉆鋌螺紋結(jié)構(gòu)中，應(yīng)力分散效果與應(yīng)力分散槽的深度、長(zhǎng)度呈正相關(guān)，即應(yīng)力分散槽的長(zhǎng)度、深度越大，應(yīng)力分散效果就越好。然而為滿足應(yīng)力分散區(qū)的強(qiáng)度要求，不能將分散杷I設(shè)置得過長(zhǎng)、過深，如若不然，就會(huì)造成截面的慣性矩太小，若鉆壓過大

7、，鉆鋌就容易發(fā)生彎曲，容易在切槽處發(fā)生斷裂。通過計(jì)算，優(yōu)化后的應(yīng)力分散槽結(jié)構(gòu)（C結(jié)構(gòu)），其截面慣性矩是標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力分散槽（B結(jié)構(gòu)）的86.7%,慣性矩的降幅不大，圓介過渡處是應(yīng)力分散槽應(yīng)力峰值的發(fā)生處，但與螺紋區(qū)應(yīng)力峰值相比，其應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于螺紋連接處的應(yīng)力水平，這就說明螺紋連接處為鉆鋌的薄弱處。雖然應(yīng)力分散槽比結(jié)構(gòu)本體的應(yīng)力峰值大，但其仍相對(duì)安全。4雙臺(tái)肩螺紋連接5結(jié)束語鉆鋌失效的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，螺紋失效導(dǎo)致鉆鋌失效的主要因素，這是由于鉆鋌與螺紋根部的連接處存在較人的應(yīng)力，在實(shí)際操作環(huán)境中，螺紋部位在鉆鋌結(jié)構(gòu)的影響下

8、，其交變應(yīng)力非常高，從而最終造成螺紋連接處失效。通過ANSYS軟件對(duì)螺紋(NC-50)應(yīng)力情況的計(jì)算、分析，發(fā)現(xiàn)螺紋的第1個(gè)螺紋處的應(yīng)力最大，第1到第3個(gè)螺紋處是螺紋失效的主要部位，也是造成鉆鋌失效的主要部位。設(shè)置應(yīng)力分散槽是分散螺紋結(jié)構(gòu)應(yīng)力的有效手段，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分散槽時(shí)，需要在過渡圓角的眾多取值中找岀最優(yōu)值，來達(dá)到結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力最小的目的