一種降級鉆桿接頭抗扭性能快速評價方法技術

本發明專利技術提供一種降級鉆桿接頭抗扭性能快速評價方法，其在測量降級鉆桿接頭幾何結構參數和材料力學性能參數的基礎上，利用有限元前處理軟件對降級鉆桿接頭三維幾何模型進行網格劃分，建立降級鉆桿接頭三維有限元模型，并利用非線性有限元分析軟件ABAQUS進行計算，得到降級鉆桿接頭在復雜載荷作用下的三維應力特征。在此基礎上,計算降級鉆桿接頭的抗扭強度。本評價方法可以評價降級鉆桿接頭在上扣扭矩、軸向拉力、工作扭矩等復雜外載荷作用下的抗扭性能，從而評估降級鉆桿接頭的安全性。其對認清降級鉆桿接頭的載荷極限、指導降級鉆桿接頭的使用，確保鉆井作業安全具有十分重要的意義。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及油田鉆井
，特別是一種降級鉆桿接頭抗扭性能快速評價方法。
技術介紹
鉆桿接頭是鉆柱的薄弱環節，其在使用過程中容易發生不同程度的磨損，使得壁厚變薄，影響接頭的強度。API標準給出了鉆桿本體和接頭的分級依據，但并未給出降級鉆桿接頭的抗扭強度。隨著深井、超深井、大位移水平井數量的逐年增加，鉆具接頭的抗扭性能受到了越來越多的關注。為此十分需要一種能有效確定降級鉆桿接頭抗扭性能的快速評價方法。實驗方法是降級鉆桿接頭綜合性能評估的可靠方法，然而其所需周期長、費用高，且無法描述接頭內部的應力應變特征。目前大部分研究人員普遍采用二維軸對稱有限元模型對鉆桿接頭的受力特征進行分析，以評價其使用性能。然而，二維軸對稱模型忽略了螺紋的螺旋升角，難以描述軸向力、扭矩作用下鉆桿接頭的真實受力狀態，很難評價鉆桿接頭的抗扭強度。計算機技術的發展和有限元計算理論的成熟使得鉆桿接頭的三維計算成為可能，然而目前國內外研究人員主要基于彈性材料模型，難以評估接頭的極限載荷。關于降級鉆桿接頭的抗扭強度的分析也未見相關報道。
技術實現思路
針對當前復雜載荷條件下降級鉆桿接頭力學性能評價方法中存在的問題，本專利技術的目的是提供一種降級鉆桿接頭抗扭性能評價方法，以保證降級鉆桿接頭的使用安全。采用三維有限元分析方能有效地模擬螺紋接頭在各種復雜外載作用下的應力特征，從而實現接頭性能的有效評價。其對認清降級鉆桿接頭的載荷極限、指導降級鉆桿接頭的選用，確保鉆井作業安全具有十分重要的意義。為了達到上述目的，本專利技術采用下述技術方案：一種降級鉆桿接頭抗扭性能快速評價方法，采用專用工具或裝備測量降級鉆桿接頭的幾何參數和所用材料的力學性能參數，利用三維有限元計算方法，考慮偏磨的影響，綜合分析降級鉆桿接頭的三維力學特性，實現降級鉆桿接頭抗扭性能的快速評價，具體步驟如下：1）利用專用工具測量新鉆桿接頭及一級、二級降級鉆桿接頭的幾何參數，包括接頭外徑、內徑、螺紋、母扣鏜孔、公扣鼻端、臺肩參數等；2）利用材料性能測試裝備測試接頭材料的應力-應變關系，材料失效時的塑性應變；3）利用CAD幾何建模軟件建立新鉆桿接頭、降級鉆桿接頭的三維全尺寸幾何模型；4）利用有限元前處理軟件對接頭進行網格劃分，建立其三維有限元模型；包含螺紋、母扣鏜孔、公扣鼻端、臺肩等特征；5）利用非線性有限元分析軟件ABAQUS定義螺紋嚙合面、臺肩接觸面之間的接觸關系，包括法向接觸關系和切向接觸關系；定義材料屬性、邊界條件、載荷工況，所述材料屬性從基礎試驗獲得（步驟2），同時根據試驗數據確定材料失效時的塑性應變（步驟2），將其作為材料失效準則加入到模型中，所述邊界條件根據實際井況確定，所述載荷工況包括上扣扭矩、軸向拉伸、工作扭矩；隨后利用ABAQUS進行計算分析；6）得到降級鉆桿接頭的vonMises應力分布云圖，考察其峰值及分布狀態對接頭連接性能的影響；根據計算過程中工作扭矩施加曲線，計算確定降級鉆桿接頭的抗扭性能。上述的降級鉆桿接頭為任何一種目前使用的降級鉆桿接頭。本專利技術與現有技術相比較，具有以下突出的優點：本專利技術提供一種確定復雜工況條件下降級鉆桿接頭抗扭強度的新方法，在采用專用工具或裝備測量降級鉆桿幾何參數和所用材料的力學性能參數的基礎上，利用三維有限元分析技術對各種載荷工況作用下降級鉆桿接頭的力學性能進行綜合評估。相比二維有限元評價方法，三維有限元評價方法能更好地反映接頭在上扣扭矩、軸向拉力、工作扭矩作用下的應力特征，確定降級鉆桿接頭在真實載荷工況條件下的力學強度。附圖說明圖1是降級鉆桿接頭抗扭強度評價方法的流程圖。圖2是降級鉆桿接頭三維幾何模型示意圖。圖3是降級鉆桿接頭三維有限元模型示意圖。圖4是鉆桿接頭扭斷時的vonMises應力分布云圖。其中(a)新鉆桿接頭，(b)一級鉆桿接頭，(c)二級鉆桿接頭。圖5是工作扭矩的變化曲線。其中(a)新鉆桿接頭，(b)一級鉆桿接頭，(c)二級鉆桿接頭。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術專利進一步說明。如圖1所示，一種降級鉆桿接頭抗扭性能快速評價方法，其在采用專用工具或裝備測量降級鉆桿接頭的幾何參數和所用材料的力學性能參數的基礎上，根據三維有限元分析，確定降級鉆桿接頭在上扣扭矩、軸向拉力、工作扭矩等復雜外載荷作用下的應力特征，進而確定降級鉆桿接頭在真實載荷工況條件下的抗扭強度。所述的三維有限元分析包括如下過程：1）利用專用工具測量新鉆桿接頭及一級、二級降級鉆桿接頭的幾何參數，包括接頭外徑、內徑、螺紋、母扣鏜孔、公扣鼻端、臺肩參數等；2）利用材料性能測試裝備測試接頭材料的應力-應變關系，材料失效時的塑性應變；3）利用CAD幾何建模軟件建立降級鉆桿接頭三維幾何模型，如圖2所示。4）利用有限元前處理軟件對降級鉆桿接頭進行網格劃分，建立螺紋接頭三維有限元模型，如圖3所示。5）利用非線性有限元分析軟件ABAQUS定義螺紋嚙合面、臺肩接觸面之間的接觸關系，包括法向接觸關系和切向接觸關系；定義材料屬性、邊界條件、載荷工況等。載荷工況包括上扣扭矩、軸向拉伸、工作扭矩等；隨后利用ABAQUS進行計算。6）給出降級鉆桿接頭的vonMises應力分布云圖，考察其峰值及分布狀態對接頭連接性能的影響。根據計算過程中工作扭矩的施加曲線特征，確定降級鉆桿接頭的抗扭強度。實施例：利用一種降級鉆桿接頭抗扭性能快速評價方法確定某降級鉆桿接頭的抗扭強度。利用本評價方法對某降級鉆桿接頭進行評價，測得的主要參數如表1所示。利用CAD幾何建模軟件建立降級鉆桿接頭三維幾何模型，如圖2所示。利用有限元前處理軟件對降級鉆桿接頭進行網格劃分，建立其三維有限元模型，如圖3所示。鉆桿接頭所用材料為各向同性彈塑性材料，測得的彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.29，材料的真實應力-塑性應變數據如表2所示。考慮到含40-60%重量鋅粉末的螺紋脂的影響，配合面間(包括螺紋之間和臺肩面之間)的摩擦系數取0.08。施加工作扭矩直至鉆桿接頭發生失效，失效時刻鉆桿接頭的vonMises應力分布云圖如圖4所示，計算過程中工作扭矩的變化曲線如圖5所示。由圖4(a)可見，對于新鉆桿接頭，公扣是其薄弱環節，vonMises應力較高的區域主要集中在公扣大端的幾牙螺紋。由圖4(b)、4(c)可見，對于一級鉆桿接頭和二級鉆桿接頭，由于偏磨使得母扣成為接頭的薄弱環節，尤其是母扣臺肩和小端的幾牙螺紋處應力水平較高。由圖5(a)可見，對于新鉆桿接頭，當工作扭矩施加到18.52kN?m時工作扭矩施加曲線出現拐點，說明此時鉆桿接頭已突破上扣預緊狀態。繼續施加工作扭矩，當工作扭矩達到30.31kN?m時工作扭矩施加曲線開始出現上下波動，此時接頭受力開始進入不穩定狀態。繼續加載將導致工作扭矩出現波動，體現了公扣、母扣嚙合面在工作扭矩的作用下不斷地平衡→滑動→平衡→滑動→最終破壞的過程，其本質為公扣、母扣螺紋牙嚙合面發生屈服。嚙合面出現屈服后工作扭矩施加曲線進入不穩定狀態，不斷波動直至最終突然降為零，即接頭發生失效。波動過程中最大工作扭矩為39.43kN?m，即新鉆桿接頭所能承受的最大工作扭矩為39.43kN?m。由圖5(b)和圖5(c)可知，磨損使得一級和二級鉆桿接頭的抗扭強度大幅度下降。為了比較，在表3中給出了新鉆桿、一級本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種降級鉆桿接頭抗扭性能快速評價方法，其特征在于，采用專用工具或裝備測量降級鉆桿接頭的幾何參數和所用材料的力學性能參數，利用三維有限元計算方法，考慮偏磨的影響，綜合分析降級鉆桿接頭的三維力學特性，實現降級鉆桿接頭抗扭性能的快速評價，具體步驟如下：1）利用專用工具測量新鉆桿接頭及一級、二級降級鉆桿接頭的幾何參數，包括接頭外徑、內徑、螺紋、母扣鏜孔、公扣鼻端、臺肩參數；2）利用材料性能測試裝備測試接頭材料的應力?應變關系，材料失效時的塑性應變；3）利用CAD幾何建模軟件建立新鉆桿接頭、降級鉆桿接頭的三維幾何模型；4）利用有限元前處理軟件對鉆桿接頭進行網格劃分，建立其三維有限元模型；包含螺紋、母扣鏜孔、公扣鼻端、臺肩特征；5）利用非線性有限元分析軟件ABAQUS定義螺紋嚙合面、臺肩接觸面之間的接觸關系，包括法向接觸關系和切向接觸關系；定義材料屬性、邊界條件、載荷工況，所述材料屬性由步驟2）獲得，同時根據步驟2）試驗數據確定材料失效時的塑性應變，將其作為材料失效準則加入到模型中，所述邊界條件根據實際井況確定，所述載荷工況包括上扣扭矩、軸向拉伸、工作扭矩；隨后利用ABAQUS進行計算分析；6）得到鉆桿接頭的von?Mises應力分布云圖，考察其峰值及分布狀態對接頭連接性能的影響；根據計算過程中工作扭矩施加曲線，確定降級鉆桿接頭的抗扭性能。...

【技術特征摘要】
1.一種降級鉆桿接頭抗扭性能快速評價方法，其特征在于，采用專用工具或裝備測量降級鉆桿接頭的幾何參數和所用材料的力學性能參數，利用三維有限元計算方法，考慮偏磨的影響，綜合分析降級鉆桿接頭的三維力學特性，實現降級鉆桿接頭抗扭性能的快速評價，具體步驟如下：1）利用專用工具測量新鉆桿接頭及一級、二級降級鉆桿接頭的幾何參數，包括接頭外徑、內徑、螺紋、母扣鏜孔、公扣鼻端、臺肩參數；2）利用材料性能測試裝備測試接頭材料的應力-應變關系，材料失效時的塑性應變；3）利用CAD幾何建模軟件建立新鉆桿接頭、降級鉆桿接頭的三維幾何模型；4）利用有限元前處理軟件對鉆桿接頭進行網格劃分，建立其三維有限元模型；包含螺紋、母扣鏜孔、公扣鼻端、臺肩特征；5）利...

【專利技術屬性】
技術研發人員：狄勤豐，陳鋒，王文昌，馮少波，張鶴，陳薇，
申請(專利權)人：上海大學，
類型：發明
國別省市：上海;31