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抗弯钻杆接头螺纹及弯曲疲劳行为研究

董亮亮  
【摘要】:近年来定向井、水平井、多分支井、大斜度井等先进的钻井技术得到了广泛应用,这类井型结构能够大幅度降低钻井成本并提高储层开发效率。然而在定向井、水平井、多分支井等井型结构中均存在弯曲井眼段,也就是造斜段。在弯曲井眼内,由于钻柱受到井壁的作用力,将产生较大的挠度,大部分工作过程中钻柱在井眼内旋转作业,因此在弯曲井眼内钻柱的疲劳寿命远小于直井工况。钻杆接头螺纹是整个钻柱的薄弱环节,随着井眼狗腿度的增加,钻井过程中弯曲载荷对其连接性能的影响越来越严重,钻杆接头螺纹的强度已成为限制井眼轨迹设计的主要因素之一。因此研究抗弯性能较强的钻杆接头螺纹具有重要意义。本文基于以上情况,主要开展了以下几个方面的研究工作:(1)针对弯曲井段钻柱所受载荷的复杂性,提出了新型结构的高抗弯钻杆接头螺纹和高抗弯双台肩钻杆接头螺纹。基于正交优化的方法,对两种结构的钻杆接头螺纹关键结构参数(牙型角、锥度、螺纹段长度、螺距和斜面倾角)进行正交优化,分析得出高抗弯和高抗弯双台肩两种钻杆接头螺纹各关键结构参数对抗弯性能影响的主次顺序依次为:螺距、牙型角、斜面倾角、螺纹段长度和锥度;高抗弯双台肩钻杆接头螺纹各因素对抗弯性能影响的主次顺序依次为:螺距、牙型角、螺纹段长度、斜面倾角和锥度;两种结构各因素的最优组合均为:牙型角45。、锥度1:12、螺纹段长度133.35mmm、螺距3牙/inch、斜面倾角45。。两种结构的接头螺纹比API结构抗弯性能均提高25%。(2)研究了高抗弯钻杆接头螺纹和高抗弯双台肩钻杆接头螺纹加工过程中锥度、牙型尺寸、斜面倾角、斜台肩间隙等结构偏差对其承载性能的影响。研究指出:锥度对两种结构的钻杆接头螺纹抗扭性能和抗压性能影响较大,在加工中应严格控制锥度偏差,在锥度偏差难以保障时,应以适度降低内螺纹的负偏差要求,尽可能保证外螺纹的锥度不发生偏差为原则;牙顶高负偏差对两种结构钻杆接头螺纹的承载性能影响较小但牙型整体正偏差和负偏差均会对抗扭性能和抗压性能产生较大的影响,是对两种类型载荷极其敏感的参数;斜台肩面倾角的正负偏差也均会对其抗扭性能和抗压性能产生较大影响,对抗弯性能和抗压性能影响较小;斜台肩面间隙会对两种结构接头螺纹的抗扭性能、抗压性能产生一定的影响,在加工中若能将间隙控制在0-0.02mm范围内,应尽可能减少两斜台肩面之间的间隙,若无法将其控制在该范围内,可牺牲部分抗扭强度和抗压强度,将斜台肩间隙范围控制在0-0.04mm范围内;计算了以上各情况下,多种偏差量对承载强度的影响量,为合理确定其公差范围提供依据。(3)针对钻杆接头螺纹在加工中因切削力所引起的牙型加工误差问题,基于CAE协同仿真的方法,通过建立三维的钻杆接头螺纹切削加工过程计算有限元模型分析钻杆接头螺纹切削加工过程对钻杆接头螺纹加工精度的影响。基于在切削加工过程中背吃刀量所产生切削力与导致工件变形切削力相等的原则,推导出螺纹车削加工最后一刀的车床径向进给深度计算公式,为高抗弯钻杆接头螺纹数控程序的编制提供依据。(4)研究了钻杆在弯曲井眼内所受弯矩载荷情况,为钻杆接头螺纹疲劳寿命计算提供基础数据。通过全井钻柱系统有限元模型,研究了钻杆在弯曲井眼内所受到的SM1向和SM2向弯矩载荷变化情况;分析了钻柱所受弯矩载荷随钻柱旋转时间变化规律、随钻柱进入弯曲井段长度变化规律和随井眼曲率的变化规律;通过背向叠加的方式获得钻柱3D截面弯曲的SM1和SM2变化情况,并定义弯矩载荷在钻柱进入弯曲井段长度0-25m范围内为“弯曲非稳区”、25m-170m范围内为“弯曲高载区”、170m直至进入水平段前为“弯曲稳定区”。(5)通过对多轴疲劳相关理论进行分析,提出适用于钻杆接头螺纹多轴疲劳计算的理论模型,并通过有限元计算方式计算钻杆接头螺纹在弯曲井眼内的多轴疲劳寿命;研究了井眼曲率对API结构和高抗弯结构钻杆接头螺纹疲劳寿命的影响规律,获得引起钻杆接头螺纹疲劳断裂失效的造斜率范围主要集中在造斜率大于12。/30m的工况;以钻柱进入弯曲井段长度25m-170m的范围为例,基于疲劳寿命等价原则,应用正弦波载荷谱拟合了全井钻柱系统模拟计算所得载荷谱,并推导出在钻柱进入弯曲井段长度25m~170m范围内的载荷谱计算公式;利用全井钻柱系统模型计算结果,进一步验证了拟合式计算结果的准确性。本文的研究工作为提高钻杆接头螺纹的抗弯强度提供了新型方案;为开发设计新型钻杆接头螺纹提供了力学分析、结构参数优化及公差量选取的整套方法;为降低螺纹在切削加工过程中因切削力导致的加工偏差提供了改进方案。钻杆接头螺纹在弯曲井眼内的疲劳寿命预估也为新型钻杆接头合理使用提供了新判据。


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