一种复杂载荷作用下钻杆接头应力放大效应的快速评价方法

摘要

本发明提供一种复杂载荷作用下钻杆接头应力放大效应的快速评价方法，其在钻杆接头几何结构参数和材料力学性能参数测定的基础上，利用有限元软件建立钻杆接头三维弹塑性有限元计算模型，计算得到钻杆接头在上扣扭矩、轴向力、弯矩作用下的三维应力特征，并提取钻杆接头各螺纹牙上的载荷和应力分布，计算复杂载荷作用下钻杆接头各螺纹牙的应力放大效应系数，确定钻杆接头的苛刻螺纹牙，形成轴向拉力和弯矩对钻杆接头苛刻螺纹牙应力放大效应系数影响的表征方法。本发明方法可根据实际钻杆接头承受的弯矩和轴向拉伸载荷快速确定其苛刻螺纹牙的应力放大效应系数，评价钻杆接头的应力集中程度，指导钻杆接头的使用，确保作业安全。

说明书

技术领域

本发明涉及石油勘探开发领域中的钻井技术，特别是提供一种复杂载荷(扭矩、弯矩和轴向拉力)作用下钻杆接头应力放大效应的快速评价方法。

背景技术

根据钻具失效事故统计分析，65％的失效事故发生在钻具接头部位，给油田带来巨大的经济损失。随着深井、超深井、大位移水平井数量的逐年增加，弯曲应力是导致钻具接头失效的不可缺少的因素。

Land Mark软件中已探讨弯矩对钻杆本体失效的重要影响，当钻杆受到拉力作用，近钻具接头处将承受弯曲应力作用。然而，这仅仅适用于钻杆本体，弯曲应力导致钻具接头失效的问题并未引起学者的关注。实际上，大轴向拉力和弯曲井眼的耦合作用将使钻具接头承受很大的弯矩作用。

由于复杂载荷作用下全尺寸钻杆接头性能测试十分困难，目前大部分研究人员普遍采用二维轴对称有限元模型对钻杆接头的受力进行分析，以评价其使用性能。然而，二维轴对称模型难以评价上扣扭矩、弯矩等复杂工况条件下钻杆接头的受力特征，因此也难以反映实际工作环境下钻杆接头的应力分布特征和应力集中程度。需要指出的是，目前已有的应力集中系数评价方法无法反映应力集中程度随轴向力增加而增加的规律。

实际上，钻杆接头的特征结构复杂，包括螺纹牙的螺旋升角等，而且承受上扣扭矩、轴向拉力、弯矩和工作扭矩等复杂载荷的作用，其受力行为属于三维弹塑性特征。因此，不论是API公式和现有的二维有限元分析，都不能充分反映出实际的应力分布特征，也就无法得出符合实际工况的钻杆接头应力集中系数。此外，三维计算需要占用较长时间(一个工况需要近一周时间)，因此无法满足对实际作业的实时、快速指导。为此需要建立复杂载荷作用下钻杆接头应力放大效应系数计算公式，从而可以快速确定实际复杂载荷工况下钻杆接头的应力放大效应，更科学地反映钻杆接头在复杂载荷下的应力集中程度，以便更好地指导生产作业。

发明内容

针对当前钻杆接头应力集中系数评价方法中存在的问题，本发明的目的是提供一种复杂载荷作用下钻杆接头应力放大效应的快速评价方法，其是一种扭矩、弯矩和轴向拉力对钻杆接头应力集中程度影响的表征方法，以更好的适用于现场操作，保证接头的使用安全。采用三维弹塑性有限元分析方能有效地模拟螺纹接头在各种复杂外载作用下的应力放大效应特征，从而实现对钻杆接头应力集中程度的有效评价。

为达到上述目的，本发明的构思是：

采用专用工具测量钻杆接头几何参数，利用材料性能测试装备(如单轴拉伸实验装置)获得钻杆接头材料的变形曲线及强度参数。在此基础上，利用三维有限元计算方法，提取钻杆接头各螺纹牙上的载荷和应力分布，计算复杂载荷作用下钻杆接头各螺纹牙的应力集中系数，确定钻杆接头应力集中最严重位置。同时，考虑轴向拉力和井眼曲率对钻杆接头应力放大效应的影响，给出复杂载荷条件下钻杆接头的应力放大效应快速评价方法。

根据上述构思，本发明采用下述技术方案：

1)利用专用工具测量钻杆接头的几何参数：包括接头外径、内径、螺纹、母扣镗孔、公扣鼻端、台肩参数等；

2)利用材料性能测试装备测试接头材料的应力-应变关系，材料失效时的塑性应变；

3)用CAD几何建模软件建立钻杆接头的三维几何模型；

4)利用有限元前处理软件对钻杆接头进行网格划分，建立其三维有限元模型；包含螺纹、母扣镗孔、公扣鼻端、台肩特征等；

5)按照钻杆接头实际工况，对钻杆接头施加上扣扭矩、轴向力、弯矩，分析钻杆接头螺纹载荷和von Mises应力分布特征，其中应力放大效应系数I_s为：

I_s＝aFk+bF+ck+d(1)

其中F为轴向拉力，kN；k为井眼曲率，°/30m；a，b，c，d为与接头几何特征、材料有关的待定系数；

6)结合井眼曲率和钻杆接头实际承受的轴向拉伸载荷，确定下公式(1)中的待定系数a，b，c，，d在此基础上快速评价复杂载荷工况下钻杆接头的应力放大效应；

定义相对应力放大效应系数如下：

f_m为相对应力放大效应系数；f_m越大，应力放大作用越大，当1≤f_m<1.15时，说明放大作用较小，能够忽略这种放大作用；当1.15≤f_m<1.3时，放大作用明显，应引起重视；当f_m≧1.3时，放大作用显著。

所述步骤6)中的钻杆接头应力放大效应系数计算公式(1)中的待定系数a，b，c，d的确定，主要步骤如下：

6.1)首先利用下列公式计算给定轴向力和弯矩作用下的应力放大效应系数：

式中S₁为API>1取431MPa；I_si,j对应于第(i,j)组条件下的应力放大效应系数；σ_ci,j对应于第(i,j)组条件下的螺纹牙上的最大应力，MPa；

6.2)计算不同井眼曲率下应力放大效应系数随轴向拉力的变化规律，得到如表所示结果：

表中k为井眼曲率，单位为゜/30m，其对应于弯矩，F为轴向拉力，单位kN，i,j为计算点数，满足i≧5和j≧5；

6.3)将表中计算结果对k和F进行回归求解待定系数a，b，c，d。

本方法中所述的钻杆接头为任何一种钻杆接头，并适合相关钻铤及石油钻井用井下工具接头。

本发明与现有技术相比较，具有以下突出的优点：

现有技术主要采用如下经验公式计算钻杆接头的应力集中系数：

式中F_cr为应力集中系数；σ_c为钻具接头螺纹牙根部的局部最大von-Mises应力，MPa；σ₀为距离钻杆接头较远位置(钻杆接头本体)的应力值，MPa。

它仅可以计算在某特定载荷作用下钻具接头的应力集中系数，当载荷工况发生变化时，其已不适用。简言之，经验公式并不能准确地反映不同载荷工况对钻具接头应力集中系数的影响。

本发明提供复杂载荷作用下(弯矩、扭矩和轴向载荷联合作用)钻杆接头应力集中程度的快速表征方法，采用力学性能测试技术和三维弹塑性有限元分析技术对各种载荷工况作用下钻杆接头的螺纹牙承载进行综合评估，其能更好的反映钻杆接头在上扣扭矩、轴向拉力、弯矩载荷联合作用下的应力分布特征。鉴于经验公式(4)的局限性提出了应力放大效应计算公式，其可以反映井下钻杆接头在真实载荷工况条件下的应力集中程度变化规律，从而可以快速确定实际复杂载荷工况下钻杆接头的应力集中程度，以便更好的指导生产作业。

附图说明

图1是钻杆接头应力放大效应快速评价方法的流程图。

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是不同井眼曲率作用下钻杆接头应力集中系数随轴向力的变化曲线。

图5是不同井眼曲率作用下钻杆接头应力放大效应系数随轴向力的变化曲线。

图6是钻杆接头应力放大效应系数随井眼曲率和轴向拉力变化三维图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明实施例提供一种综合考虑弯矩和轴向拉力影响的钻杆接头(已在扭矩作用下上扣)应力放大效应的速评价方法，如图1所示，具体包括如下步骤：

1)对所选择钻杆接头进行几何建模，包括螺纹牙的螺旋升角等特征，如图2所示，其主要参数如表1所示。

表1钻杆接头主要参数

外径/mm120.7内径/mm68.3螺纹锥度1:6扣型V-0.038R螺距/mm6.35

2)对钻杆接头几何模型进行有限元网格划分，在螺纹牙部分布置细密的六面体网格以保证计算精度，其他位置网格较疏，共计21.10万个网格，如图3所示。

3)对钻杆接头材料进行性能测试，获得对应的力学性能参数：弹性模量为2.06×10⁵MPa，泊松比为0.29。真实应力-塑性应变关系如表2所示。配合面间(包括螺纹之间和台肩面之间)的摩擦系数取0.08。

表2真实应力-塑性应变关系

4)采用经验公式(4)计算不同复杂载荷工况下钻杆接头的应力集中系数。图4中绘制了不同复杂载荷工况下钻杆接头应力集中系数的变化曲线，可见，随着轴向拉力的增大，钻具接头关键螺纹牙应力集中系数却逐渐变小，这与油田现场钻杆接头失效的情形不符。鉴于此，利用公式(3)计算应力放大效应系数。

5)采用公式(3)计算不同复杂载荷工况下钻杆接头的应力放大效应系数，如表3所示。可以发现，应力放大效应系数随轴向拉力的增大而逐渐增大，这与图4中的规律相反。可见，公式(3)的提出避免了经验公式的局限性，能够准确反映不同轴向拉力作用下应力集中系数的真实变化规律，即不同复杂载荷工况下公式(3)的计算结果能准确表明应力集中程度是钻具接头失效的评判标准。

表3不同井眼曲率、轴向拉力作用下钻杆接头的应力放大效应

6)将表3中的数据进行拟合，当轴向拉力从400kN增大到1200kN时，可得到如图5所示的不同井眼曲率作用下钻杆接头关键螺纹牙的应力放大效应系数变化情况。

7)观察图5发现：钻杆接头关键螺纹牙(近台肩第一圈螺纹牙)应力放大效应系数不仅与钻杆接头所承受的轴向拉力有关,而且与井眼曲率有关。图5中各曲线对应的综合计算模型为：

I_s＝-9×10^-6Fk+3×10^-4F+0.0251k+1.3725(5)

也即公式(1)中的系数a＝9×10^-6，b＝3×10^-4，c＝0.0251，d＝1.3725。

相对应力放大效应系数为：

f_m＝6.5574×10^-6FK+2.186×10^-4F+0.0183k+1.0(6)

当井眼曲率为15゜/30m，轴向拉力为1200kN时，相对应力放大效应系数达到1.4188，此时相对应力放大效应十分显著，应加以足够重视。

8)根据所得综合计算模型，得到了应力放大系数随井眼曲率和轴向力变化的图6，图6可以直观反映应力放大系数随轴向力和井眼曲率的变化情况。对于具有相同尺寸和相同类型的钻杆接头，代入任意时刻钻杆接头所承受的轴向力和井眼曲率即可确定出其应力放大效应系数。以此来快速评价钻杆接头应力集中程度，指导钻井作业。

利用本发明提供的方法同样适用于其他钻杆接头和石油钻井用井下工具接头应力放大效应的评价，仅需确定相应的系数a，b，c，d。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内(任何钻杆接头和石油钻井用井下工具接头)，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。