CN102410011A - 一种钻杆接头性能的评价方法 - Google Patents

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狄勤丰
陈锋
袁鹏斌
王文昌
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Abstract

本发明提供一种钻杆接头性能评价方法，其利用有限元前处理软件对钻杆接头三维几何模型进行网格划分，建立钻杆接头三维有限元模型，并利用非线性有限元分析软件ABAQUS进行计算，得到钻杆接头的vonMises应力分布云图，考察其峰值及分布状态对接头连接性能的影响，得到接触面的接触压力分布云图，考察其分布状态对接头密封性能的影响。本评价方法可以评价钻杆接头在上扣扭矩、轴向拉力、弯矩等复杂外载荷单独或联合作用下的应力特征，从而实现对钻杆接头性能的有效评价。其对提高钻杆接头的使用性能、延长钻杆的使用寿命、降低作业成本具有十分重要的意义。

Description

一种钻杆接头性能的评价方法
技术领域
本发明涉及油田钻井技术领域，特别是提供一种钻杆接头性能评价方法。
背景技术
钻杆是用于传递动力、输送钻井液的主要工具，在油气田钻井过程中扮演着重要的角色，钻杆失效事故往往给油田带来巨大的经济损失。根据钻柱失效事故统计分析，65%的失效事故发生在钻杆接头部位。钻杆接头在使用中的应力分布状态直接决定了钻杆的连接强度、密封性能等。因此，对钻杆接头的应力分布规律进行研究，是提升钻杆使用性能的关键。
目前大部分研究人员普遍采用二维轴对称有限元分析对钻杆接头的受力进行分析，以评价其使用性能。然而，由于上扣扭矩作用下公扣、母扣螺纹啮合面间将产生相对滑动，使得接头发生一定程度的紧扣，而二维轴对称模型由于各螺纹牙相互独立而无法有效地模拟上扣扭矩作用下螺纹接头的应力特征。此外，弯矩对钻杆接头来说不是轴对称载荷，因此也无法用二维轴对称模型模拟弯矩作用下螺纹接头的应力特征。 
发明内容
针对当前钻杆接头性能评价方法中存在的问题，本发明的目的是提供一种钻杆接头性能评价方法，以更好的反映接头在各种载荷工况作用下的应力特征，保证接头具有良好的使用性能。采用三维有限元分析方能有效地模拟螺纹接头在各种复杂外载荷作用下的应力特征，从而实现钻杆接头性能的有效评价。其对提高钻杆接头的使用性能、延长钻杆的使用寿命、降低作业成本具有十分重要的意义。
为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种钻杆接头性能评价方法，根据钻杆接头在上扣扭矩、轴向拉力、弯矩等外载荷综合作用下的应力特征，采用三维有限元计算方法，具体步骤如下：
1）利用CAD几何建模软件建立钻杆接头三维几何模型；
2）利用有限元前处理软件对钻杆接头进行网格划分，建立钻杆接头三维有限元模型；包含螺纹、母扣镗孔、公扣鼻端、主台肩、副台肩等；
3）利用非线性有限元分析软件ABAQUS定义螺纹啮合面和主、副台肩接触面之间的接触关系，包括法向接触关系和切向接触关系；定义材料属性、边界条件、载荷工况等，所述载荷工况包括上扣扭矩、轴向拉伸、弯矩等外载荷单独作用或联合作用；随后利用ABAQUS进行计算；
4）得到钻杆接头的von Mises应力分布云图，考察其峰值及分布状态对接头连接性能的影响；得到接触面的接触压力分布云图，考察其分布状态对接头密封性能的影响。
上述钻杆接头性能指钻杆接头的连接性能和密封性能。所述连接性能由应力大小、应力分布规律表示；所述密封性能由接触压力表示。
本发明与现有技术相比较，具有以下突出的优点：
本发明提供一种钻杆接头性能的评价方法，其特征在于采用三维有限元分析技术对各种载荷工况作用下钻杆接头的力学性能进行综合评估。相比二维有限元评价方法，三维有限元评价方法能更好的反映接头在上扣扭矩、轴向拉力、弯矩等载荷作用下的应力特征。本方法适用于任何一种目前使用的钻杆接头。
附图说明
图1是钻杆接头性能评价方法的流程图
图2是钻杆接头三维几何模型示意图；
图3是钻杆接头三维有限元模型示意图；
图4是钻杆接头材料的真实应力-塑性应变曲线；
图5各种载荷作用下钻杆接头von Mises应力分布云图；
其中：(a) 上扣扭矩，(b) 上扣扭矩+轴向拉力，(c) 上扣扭矩+轴向拉力+弯矩；
图6各种载荷作用下钻杆接头接触压力分布云图；
其中：(a) 上扣扭矩_台肩，(b) 上扣扭矩_螺纹，(c) 上扣扭矩+轴向拉力_台肩，(d) 上扣扭矩+轴向拉力_螺纹，(e) 上扣扭矩+轴向拉力+弯矩_台肩，(f) 上扣扭矩+轴向拉力+弯矩_螺纹。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明方法进一步说明。
一种钻杆接头性能的评价方法，其根据三维有限元分析，确定钻杆接头在上扣扭矩、轴向拉力、弯矩等外载荷作用下的应力特征，确保钻杆接头具有优良的使用性能。
如图1所示，所述的三维有限元分析包括如下过程：
1）利用CAD几何建模软件建立钻杆接头三维几何模型，如图2所示。
2）利用有限元前处理软件对钻杆接头进行网格划分，建立螺纹接头三维有限元模型，如图3所示。
3）利用非线性有限元分析软件ABAQUS定义螺纹啮合面、台肩接触面之间的接触关系，包括法向接触关系和切向接触关系；定义材料属性、边界条件、载荷工况等。载荷工况包括上扣扭矩、轴向拉伸、弯矩等外载荷单独作用或联合作用；随后利用ABAQUS进行计算。
4）给出钻杆接头的von Mises应力分布云图，考察其峰值及分布状态对接头连接性能的影响。给出接触面的接触压力分布云图，考察其分布状态对接头密封性能的影响。
实施例：利用三维有限元分析技术评价钻杆接头的性能
利用本评价方法对某钻杆接头进行评价，该钻杆接头的主要参数如表1所示。
表1 钻杆接头主要参数
加厚处外径/mm 168.28
管体外径/mm 130.18
内径/mm 95.25
螺纹锥度 1:12
钻杆接头所用材料为37CrMnMoA，系各向同性弹塑性材料，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.29，材料的真实应力-塑性应变曲线如附图4所示。考虑到含40-60%重量锌粉末的螺纹脂的影响，配合面间(包括螺纹之间和台肩面之间)的摩擦系数取0.08。
在各种载荷作用下钻杆接头的von Mises应力分布云图如附图5所示；接触压力分布云图如附图6所示。
由图5可见，在上扣扭矩作用下，von Mises应力较高的区域主要集中在螺纹段，公扣、母扣两端的几牙螺纹处应力水平较高，应力峰值为458.2MPa。继续施加轴向拉伸载荷，接头的整体应力水平有所提高，公扣大端几牙螺纹处应力水平尤高，应力峰值达到了784.1MPa。继续施加弯矩，von Mises应力分布将变得更加不均匀，应力峰值提高到796.1MPa。综上，在各种载荷综合作用下，von Mises应力分布不均匀是制约当前接头连接性能的主要因素。
由图6可见，在上扣扭矩作用下，主台肩接触压力较高，起主要密封作用；副台肩、螺纹啮合面接触压力较低，起辅助密封作用。在此基础上施加轴向拉伸载荷，主、副台肩上的接触压力迅速降低，其密封性能受到一定影响；此时，螺纹啮合面上的接触压力迅速升高，起主要密封作用。继续施加弯矩，螺纹啮合面上的接触压力将变得不均匀，对密封性能产生一定的影响。

Claims (4)

1.一种钻杆接头性能评价方法，其特征在于，根据钻杆接头在上扣扭矩、轴向拉力、弯矩等外载荷综合作用下的应力特征，采用三维有限元计算方法，具体步骤如下：
1）利用CAD几何建模软件建立钻杆接头三维几何模型；
2）利用有限元前处理软件对钻杆接头进行网格划分，建立钻杆接头三维有限元模型；包含螺纹、母扣镗孔、公扣鼻端、主台肩、副台肩等；
3）利用非线性有限元分析软件ABAQUS定义螺纹啮合面和主、副台肩接触面之间的接触关系，包括法向接触关系和切向接触关系；定义材料属性、边界条件、载荷工况等，所述载荷工况包括上扣扭矩、轴向拉伸、弯矩等外载荷单独作用或联合作用；随后利用ABAQUS进行计算；
4）得到钻杆接头的von Mises应力分布云图，考察其峰值及分布状态对接头连接性能的影响；得到接触面的接触压力分布云图，考察其分布状态对接头密封性能的影响。
2.根据权利要求1所述的钻杆接头性能评价方法，其特征在于，所述钻杆接头性能包括钻杆接头的连接性能和密封性能，所述连接性能由应力大小、应力分布规律表示；所述密封性能由接触压力表示。
3.根据权利要求1所述的钻杆接头性能评价方法，其特征在于，所述三维有限元计算时可以施加单独作用或联合作用的上扣扭矩、轴向拉伸、弯矩等载荷。
4.根据权利要求1所述的钻杆接头性能评价方法，其特征在于，所述的钻杆接头为任何一种目前使用的钻杆接头。
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