适用于弯曲井段的高效密封钻杆接头研究

２０一　石　油机械　ＣＨＩＮＡ　ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　２０１０年第３８卷第１１期　钻井新技术　适用于弯曲井段的高效密封钻杆接头研究　任　辉　高连新　鲁喜宁　（１．华东理工大学机械与动力工程学院２．上海海隆石材研究所）　摘要　ＡＰＩ标准钻杆接头的应力极值较大，应力集中现象比较严重，容易发生疲劳失效，为　此设计了新型钻杆接头结构。在准确测定摩擦因数的基础上，利用有限元分析软件ＭＳＣ　Ｍａｒｃ对２　种结构的钻杆接头在受扭矩、扭矩＋拉伸载荷及扭矩＋压缩载荷作用下产生的不同变化进行了比　较分析。结果表明，新型结构在保持与普通ＡＰＩ接头具有相当的连接强度时，还显著提高了接头　的抗扭性能，而且其密封性能优于ＡＰＩ标准接头，不容易发生胀扣和刺漏等失效事故；与ＡＰＩ标　准钻杆接头相比　新型结构更适用于大扭矩、弯曲载荷的高压及超高压等复杂的油气井中。　关键词　钻杆接头　胀扣失效　斜面台肩　ＡＰＩ接头　有限元分析　笔者通过对ＡＰＩ接头的深入研究，设计了一种　０　引　言　石油钻杆是开采石油和天然气所必需的专用管　材，在井眼中同时承受内外压力、轴向力、弯曲和　扭矩的作用，工作条件十分恶劣，受力非常复　杂　。在钻井过程中因钻井液的循环和钻柱的振　新型钻杆接头结构。有限元分析表明，新型结构不　仅可以起到很好的密封作用，而且可以有效地防止　接头发生胀扣和刺漏等失效事故。同时，在对钻杆　接头进行有限元分析时，以往的研究　一７１忽略了对　摩擦因数的研究。众所周知，摩擦因数对钻杆接头　的扭矩影响很大，没有准确的摩擦因数，就无法得　到接头准确的上扣扭矩值，从而使接头各种数值的　分布情况与实际产生很大的出入。在本次研究中，　笔者利用摩擦试验机测定了钻杆接头的摩擦因数，　并作为分析的依据，为数据的真实可靠性提供了保　障。在对钻杆接头进行建模时，综合考虑了接头的　结构和受力特性，采用忽略相对滑动的二维轴对称　动使钻杆所受的载荷都属于动载荷，造成钻杆频繁　发生失效事故。钻杆接头作为钻杆的薄弱环节之　一，井下工作时易发生由于内外接头密封面啮合程　度下降导致的接头刺漏事故以及胀扣失效。ＡＰＩ接　头在使用时，靠外螺纹根部的直角台肩面与内螺纹　端面的直角台肩互相挤压，形成密封。这种密封形　式实际上产生的是轴向过盈配合，当钻杆受到拉伸　载荷作用时，密封面上的接触压力就会显著下降，　从而失去密封作用。　模型，利用大型有限元分析软件ＭＳＣ　Ｍａｒｃ对结构　在受扭矩、扭矩＋拉伸载荷及扭矩＋压缩载荷作用　下产生的不同变化做了详细分析，比较真实地反映　了钻杆接头在静态条件下的工程实际。　对于ＡＰＩ标准钻杆接头，在井下受到弯曲载荷　作用时，接头连接的密封台肩面在弯曲力的作用下　呈张开的分离趋势。而部分接头台肩面在受到大扭　矩之后，内外接头台肩面结合处也易发生分离，容　易发生接头的胀扣失效。而且实际分析与使用表　ｌ　摩擦因数测定　钻杆接头连接以后，内外台肩面之间、内螺纹　与外螺纹之间紧密接触，形成过盈配合，在上扣过　明，ＡＰＩ标准接头应力极值较大，应力集中现象比　较严重，容易发生疲劳失效，其抗扭性能也十分　有限　程中产生摩擦。摩擦是一种非常复杂的物理现象，　与接触表面的硬度、湿度、法向应力和相对滑动速　￥基金项目：上海市科学技术委员会科技特派员项目“石油钻杆接头应力分析及新型接头开发”（０９ＱＴＩ４００１００）。　２０１０年第３８卷第１１期　任辉等：适用于弯曲井段的高效密封钻杆接头研究　度等特性有关。目前常用的摩擦模型有库仑摩擦模　型、剪切摩擦模型及粘一滑摩擦模型等。笔者选择　广泛应用的库仑摩擦模型模拟钻杆内、外螺纹之间　的摩擦。　库仑摩擦模型为：　≤一　ｔ　（１）　式中　——接触节点法向应力，Ｐａ；　——切向（摩擦）应力，Ｐａ；　——摩擦因数；　——相对滑动速度方向上的切向单位矢量。　库仑摩擦模型又常写成节点合力的形式，即　≤一　ｔ　（２）　式中．　——剪切力，Ｎ；　——．　法向反作用力，Ｎ。　钻杆接头的摩擦因数与其上扣扭矩、连接强度　等的计算密切相关。从本质上说，内、外螺纹之问　的接触为钢与钢的接触，但由于螺纹表面镀层的影　响以及螺纹脂的使用，使摩擦因数有了较大的变　化。因此，在有限元计算中，确定较为准确的摩擦　因数显得尤为重要。　笔者采用济南益化摩擦学测试技术有限公司生　产的ＭＭＳ一２Ａ型屏显式摩擦试验机对摩擦因数进　行测量。该试验机可测量金属材料、非金属材料　（尼龙、塑料等）在滑动摩擦、滚动摩擦、滚滑复　合摩擦等状态下，以及在湿摩擦、干摩擦、磨料磨　损等工况下的耐磨性能试验，并可测定材料的摩擦　因数。该试验机的测量误差小于２％。　从钻杆接头上的螺纹部位和台肩部位分别取样　制作试块，在试块接触部位涂抹钻杆用的螺纹脂，　通过多次测量试块之间的摩擦因数，综合其测量结　果，取平均值为０．１１２。　２模型建立　２．１　基本参数　新型接头结构将内、外螺纹接头台肩面变为斜　面台肩结构，斜面角度取１０、１５和２０。。笔者以　ＮＣ５０钻杆接头为例进行研究，其外径为１７７．８　ｍｍ，　内径为７１．４　ｍｍ，弹性模量为２０６　ＧＰａ，泊松比为　０．３，初始屈服应力为８２７．４　ＭＰａｌ８　Ｊ。图１为２种台　肩结构。　２．２网格划分　利用钻杆接头轴对称的特点将三维问题转化为　二维问题，取钻杆接头的　进行建模。同时，在不　影响问题实质的前提下引入以下假设：　ａ　ＡＰＩ标准结构　ｂ．斜面台屑结构　图１　２种台肩结构　（】）接头材料为各向同性；　（２）不计小螺纹升角的影响，接头在几何上　可看成是轴对称的；　（３）材料为理想的弹塑性线性强化模型，应力　应变曲线由管材的屈服极限和强度极限近似得出。　在钻杆接头二维几何模型建立以后，应对其进　行网格划分。由于三角形网格可以根据需要对复杂　区域生成令人满意的结果，并具有收敛性，所以笔　者在钻杆接头的网格划分中选用了三角形网格。以　ＡＰＩ标准钻杆接头结构为例，网格划分如图２所　示。新型结构的网格划分与此类似。　图２　ＡＰＩ钻杆接头网格划分　在网格定义好后，定义其他参数，包括接触条　件、边界条件、材料特性、载荷工况及作业参数　等。在参数定义好后，提交运行后查看运行结果。　３　结果分析　在设定参数相同的条件下，比较分析了新型结　构与ＡＰＩ标准结构在受扭矩、扭矩＋拉伸载荷及扭　矩＋压缩载荷时产生的不同变化。　３．１扭矩状态　在承受较大扭矩的情况下，ＡＰＩ接头易发生胀　扣失效。以内接头外壁的径向位移为研究对象，在　其他条件相同的情况下，比较了台肩斜面角度为　１０、１５和２Ｏ。与ＡＰＩ结构在相同节点上发生的径向　位移变化。图３和图４分别为ＡＰＩ推荐扭矩及ＡＰＩ　推荐扭矩的１．２倍时，内接头外壁节点的径向位移。　从图３可以看出，新型结构在台肩面上节点位　移的变化近似呈抛物线形，ＡＰＩ标准钻杆接头的变　化与斜面台肩相似，但ＡＰＩ接头偏移的最大值要比　斜面台肩结构大得多。在这种情况下可以得出，　石　油机械　２０１０年第３８卷第１１期　ＡＰＩ标准钻杆接头在内接头外径方向上的最大偏移　量为０．４６　ｍｍ，而新型结构在内接头外径方向上的　最大偏移量为０．２８　ｍｍ，比ＡＰＩ标准结构降低了　很多。　图３　ＡＰＩ推荐扭矩下的节点位移　皇　Ｅ　乏　星　《　鲻　蛰　岳　聱一　星　图４　１．２倍ＡＰＩ推荐扭矩下的节点位移　可以看出，由于新型结构在台肩面上的变化，　其节点位移的变化都近似呈抛物线变化，而ＡＰＩ标　准钻杆接头在图３中的变化还与新型结构有些相　似，但在图４中已完全呈现下降趋势。此时，ＡＰＩ　标准钻杆接头在内接头外径方向上的最大偏移量为　０．６２　ｍｍ，而新型结构在内接头外径方向的最大偏　移量为０．３５　ｍｒｎ。　当扭矩增大到ＡＰＩ上扣扭矩的２倍以上时，　ＡＰＩ钻杆接头已发生了明显的内接头胀扣失效现　象，而新型结构仍在使用范围之内。说明在相同条　件下，新型结构可以承受更大的扭矩，可以防止在　较大的扭矩情况下发生胀扣失效现象。　３．２上扣扭矩＋拉伸载荷状态　根据材料力学，取最大弯矩截面，将弯矩简化　为轴向拉应力和压应力。通过有限元计算可知，　ＡＰＩ钻杆接头可以承受的最大轴向拉力为ｉ　７９３．９　ｋＮ，图５显示了新型结构（以斜面台肩角度２０。为　例）与ＡＰＩ标准结构在拉力逐渐增大时台肩面上　一点接触力的变化情况。　从图可以看出，在拉伸力增大的过程中，新型　结构的台肩面上的接触力都大于ＡＰＩ标准结构的接　触力。当拉伸力增加到ＡＰＩ标准钻杆接头可以承受　的最大值时，ＡＰＩ标准接头的台肩面产生了分离　（接触力为０），此时，新型结构的台肩面还保持在　接触闭合状态（接触力值不为０）。从图中还可以　看出，新型结构还可以承受进一步的拉伸力作用。　５００　４００　３ｏｏ　蔓２ｏ０　ｌ０Ｏ　Ｏ　图５　台肩面上一点接触力的变化曲线　图６显示了在相同拉伸力条件下，新型结构　（以斜面台肩角度２０。为例）与ＡＰＩ结构台肩面各节　点上的接触力。从图可以看出，新型结构的台肩面　各节点上的接触力比ＡＰＩ标准结构上的接触力大。　６００　５００　至４００　＼　３００　蟊　颦２００　１００　０　图６　台眉面各节点上的接触力　从图５和图６可以得知，新型结构与ＡＰＩ标准　结构相比可以承受更大的轴向拉力，说明新型结构　可以承受较大的弯曲力作用，可以有效地防止在弯　曲井段作业时接头台肩面产生分离。　３．３上扣扭矩＋压缩载荷状态　研究表明　Ｊ，在上扣扭矩和压缩载荷的共同　作用下，钻杆接头更容易发生胀扣失效。该研究　中，在设定两者扭矩和压缩载荷相同的情况下，　ＡＰＩ结构的变形要远大于新型结构的变形。计算得　出，ＡＰＩ内接头外径的尺寸胀大了４　ｍｍ，而斜面　台肩结构内接头外径胀大的最大尺寸为２．２　１ＴＩＩＴ］。　斜面台肩上的受力简化见图７。在以上各种受　载情况下，新型结构比ＡＰＩ标准结构表现出了更好　的性能，这与两者的结构特点有关。由于ＡＰＩ标准　接头密封面与大钳外壁是相垂直的结构设计，所以　钻杆在弯曲井段作业时，内外接头的密封端面之间　在弯曲力的作用下呈张开趋势，导致密封面之间的　相互啮合作用力下降，从而使密封效果下降。采用　斜面设计后，在内外接头密封端面间呈张开趋势的　同时会产生接触力Ｆ，其分力Ｆ　阻止了外力对台　肩面造成的拉伸破坏，可以有效地起到密封作用。　图７斜面台肩上的受力简化图　（下转第２７页）　２０１０年　第３８卷　第１１期　崔猛等：钻头机械能对深水钻井井筒温度场的影响分析　不考虑机械能环空内温度的影响，４表示考虑机械　能环空内温度的影响。因此，研究深水钻井井筒温　度模型必须考虑钻头机械能生热的影响。　宋金初，蔡易参考文献　清，梁定火．井眼循环温度分布规律　磊．井下循环温度及其影响　［Ｊ］．江汉石油科技，２００６，１６（４）：５１—５３．　４　结　论　（１）钻头机械能在破岩过程中产生的热量流入　地层岩石，钻井液在井底携岩过程中温度产生了瞬　灿，闫振来，郭因素的数值模拟研究［Ｊ］．石油钻探技术，２００７，　３５（６）：４７—４９．　Ｚｉｊｓｌｉｎｇ　Ｄ　Ｈ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｐ—　ｅｆｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｄｉａｍｏｎｄ　ｃｏｍｐａｃｔ　ｂｉｔｓ　ｕｎｄｅｒ　时波动，其温度波动范围为２～４℃。因此，钻头机‘　械能是研究深水钻井井筒温度场不可忽略的一部分。　ｉｆｅｌｄ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｒ］．ＳＰＥ　１３２６０，１９８４．　Ｋａｂｉｒ　Ｃ　Ｓ．Ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ　ｆｌｕｉｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎ　ｄ—　（２）建立了深水钻井井筒温度场计算优化数　学模型。该模型主要由钻杆内钻井液、环空内钻井　液、地层及海水之间建立的能量守恒偏微分方程构　成，与此同时考虑了钻井液摩阻生热以及钻头机械　能破岩生热等因素。通过解析解的方式对偏微分方　１』］ｊ］，　１Ｊ　１Ｊｒｉｌｌｉｎｇ，ｗｏｒｋ　ｏｖｅｒ，ａｎｄ　ｗｅｌｌ—ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ［Ｒ］．　ＳＰＥ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ＆Ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ．１９９６．　Ｒｏｍｅｒｏ　Ｊ．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｄｅｅｐｗａｔｅｒ　ｗｅｅｌｌｓ：　ａ　ｆｉｅｌｄ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ［Ｒ］．ＳＰＥ　４９０５６，　】９９８．　＿ｌ　　程求解，得到井筒循环温度的解析解，并将求解结　果与实测结果相比，最大误差小于５％，证明该模　型具有较高的精度。　（３）不同于陆地钻井，深水钻井井筒内的热传　递是一个非常复杂的过程。主要原因是海水和地层　的温度梯度不同。为了使模型的计算结果更加准确，　需要结合大量的现场真实数据，修正模型中的系数。　第一作者简介：崔猛，生于１９８０年，２００６年毕业于　悉尼科技大学（澳大利亚），获硕士学位，现为中国石油大　学（北京）油气井工程专业在读博士研究生。地址：　（１０２２４９）北京市昌平区。Ｅ—ｍａｉｌ：ｅｕｉｍｅｎｇｄｎ＠ｃｎｐｃ．ｃｏｎ．ｅｎ。　收稿日期：２０１０—０８—１６　（本文编辑庆）　（上接第２２页）　ｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｓｔｒｅｓｓ　Ａｎａｌｙｓｉｓ，１９４３，５　（２）：１４７—１５６．　４　结　论　（１）新型接头在保持与普通ＡＰＩ接头具有相　［５］　Ｎｅｗｐｏｒｔ　Ａ，Ｔｏｐｐ　Ｄ　Ａ，Ｇｌｉｎｋａ　Ｇ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｅｌａｓ—　ｔｉｃ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｒｅａｄｅｄ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ　ｆ　Ｊ］．　Ｓｔｒａｉｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ，１９８７，２２（４）：２２９—２３５．　当的连接强度的同时，还显著提高了接头的抗扭性　能，而且其密封性能优于ＡＰＩ标准接头，不容易发　生胀扣和刺漏等失效事故。　（２）与ＡＰＩ钻杆接头相比，笔者设计的新型　［６］　张［７］　毅，王治国，刘甫青．钻杆接头双台肩抗扭应　力分析［Ｊ］．钢管，２００３，３２（５）：７—１０．　Ｓｈａｈａｎｉ　Ａ　Ｒ，Ｓｈａｆｔ　Ａ　Ｍ　Ｈ．Ｃｏｎｔａｃｔ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｆ　ｏｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｔｏｏｌ　ｊｏｉｎｔ　ｆ　ｏａ　ｄｒｉｌｌ　ｐｉｐｅ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ，２００９，２２　（２）：ｌ一７．　接头结构更适用于大扭矩、弯曲载荷的高压及超高　压等复杂的油气井中。　参考文献　［８］　ＡＰＩ　ＳＰＥＣ　７　Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　Ｒｏｔａｒｙ　Ｄｒｉｌｌ　Ｓｔｅｍ　Ｅｌｅ—　ｍｅｎｔｓ［Ｓ］．　［９］　王治国，刘甫青，张毅．Ｇ１０５反扣钻杆胀扣失效　分析［Ｊ］．宝钢技术，２００１（１）：１９—２１．　石晓兵，施太和．一种新型钻柱稳定器连接螺纹减　应力区的研究［Ｊ］．天然气＿Ｔ业，２００２，２２（２）：　４８—５０．　第一作者简介：任辉，生于１９８５年，华东理工大学　［２］　林元华，施太和，赵４３—４７．　鹏，等．复杂地层钻具接头　机械与动力工程学院硕士研究生，主要研究方向为钻具接　头的有限元分析。地址：（２００２３７）上海市徐汇区。电话：　（０２１）６４２５２９ｌ０。Ｅ—ｍａｉｌ：ｒｅｎｈｕｉ０１７＠１６３．ｃｏｎ。　收稿日期：２０１０—０４—０３　（本文编辑庆）　力学性能模拟及应用［Ｊ］．钢铁，２００５，４０（８）：　［３］　赵国珍，龚伟安．钻井力学基础［Ｍ］．北京：石　油工业出版社，１９８８．　［４］　Ｈｅｔｅｎｙｉ　Ｍ．Ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎ　ｔｈｒｅａｄｅｄ　ｃｏｎｎｅｃ一