一种降级钻杆接头抗扭性能快速评价方法与流程

本发明涉及油田钻井技术领域，特别是一种降级钻杆接头抗扭性能快速评价方法。

背景技术：

钻杆接头是钻柱的薄弱环节，其在使用过程中容易发生不同程度的磨损，使得壁厚变薄，影响接头的强度。API标准给出了钻杆本体和接头的分级依据，但并未给出降级钻杆接头的抗扭强度。随着深井、超深井、大位移水平井数量的逐年增加，钻具接头的抗扭性能受到了越来越多的关注。为此十分需要一种能有效确定降级钻杆接头抗扭性能的快速评价方法。

实验方法是降级钻杆接头综合性能评估的可靠方法，然而其所需周期长、费用高，且无法描述接头内部的应力应变特征。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特征进行分析，以评价其使用性能。然而，二维轴对称模型忽略了螺纹的螺旋升角，难以描述轴向力、扭矩作用下钻杆接头的真实受力状态，很难评价钻杆接头的抗扭强度。

计算机技术的发展和有限元计算理论的成熟使得钻杆接头的三维计算成为可能，然而目前国内外研究人员主要基于弹性材料模型，难以评估接头的极限载荷。关于降级钻杆接头的抗扭强度的分析也未见相关报道。

技术实现要素：

针对当前复杂载荷条件下降级钻杆接头力学性能评价方法中存在的问题，本发明的目的是提供一种降级钻杆接头抗扭性能评价方法，以保证降级钻杆接头的使用安全。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作用下的应力特征，从而实现接头性能的有效评价。其对认清降级钻杆接头的载荷极限、指导降级钻杆接头的选用，确保钻井作业安全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：

一种降级钻杆接头抗扭性能快速评价方法，采用专用工具或装备测量降级钻杆接头的几何参数和所用材料的力学性能参数，利用三维有限元计算方法，考虑偏磨的影响，综合分析降级钻杆接头的三维力学特性，实现降级钻杆接头抗扭性能的快速评价，具体步骤如下：

1）利用专用工具测量新钻杆接头及一级、二级降级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）利用CAD几何建模软件建立新钻杆接头、降级钻杆接头的三维全尺寸几何模型；

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

5）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，所述材料属性从基础试验获得（步骤2），同时根据试验数据确定材料失效时的塑性应变（步骤2），将其作为材料失效准则加入到模型中，所述边界条件根据实际井况确定，所述载荷工况包括上扣扭矩、轴向拉伸、工作扭矩；随后利用ABAQUS进行计算分析；

6）得到降级钻杆接头的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；根据计算过程中工作扭矩施加曲线，计算确定降级钻杆接头的抗扭性能。

上述的降级钻杆接头为任何一种目前使用的降级钻杆接头。

本发明与现有技术相比较，具有以下突出的优点：

本发明提供一种确定复杂工况条件下降级钻杆接头抗扭强度的新方法，在采用专用工具或装备测量降级钻杆几何参数和所用材料的力学性能参数的基础上，利用三维有限元分析技术对各种载荷工况作用下降级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地反映接头在上扣扭矩、轴向拉力、工作扭矩作用下的应力特征，确定降级钻杆接头在真实载荷工况条件下的力学强度。

附图说明

图1是降级钻杆接头抗扭强度评价方法的流程图。

图2是降级钻杆接头三维几何模型示意图。

图3是降级钻杆接头三维有限元模型示意图。

图4是钻杆接头扭断时的von Mises应力分布云图。其中(a)新钻杆接头，(b)一级钻杆接头，(c)二级钻杆接头。

图5是工作扭矩的变化曲线。其中(a)新钻杆接头，(b)一级钻杆接头，(c)二级钻杆接头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。

如图1所示，一种降级钻杆接头抗扭性能快速评价方法，其在采用专用工具或装备测量降级钻杆接头的几何参数和所用材料的力学性能参数的基础上，根据三维有限元分析，确定降级钻杆接头在上扣扭矩、轴向拉力、工作扭矩等复杂外载荷作用下的应力特征，进而确定降级钻杆接头在真实载荷工况条件下的抗扭强度。

所述的三维有限元分析包括如下过程：

1）利用专用工具测量新钻杆接头及一级、二级降级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）利用CAD几何建模软件建立降级钻杆接头三维几何模型，如图2所示。

4）利用有限元前处理软件对降级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。

5）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、工作扭矩等；随后利用ABAQUS进行计算。

6）给出降级钻杆接头的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。根据计算过程中工作扭矩的施加曲线特征，确定降级钻杆接头的抗扭强度。

实施例：利用一种降级钻杆接头抗扭性能快速评价方法确定某降级钻杆接头的抗扭强度。

利用本评价方法对某降级钻杆接头进行评价，测得的主要参数如表1所示。

利用CAD几何建模软件建立降级钻杆接头三维几何模型，如图2所示。利用有限元前处理软件对降级钻杆接头进行网格划分，建立其三维有限元模型，如图3所示。

钻杆接头所用材料为各向同性弹塑性材料，测得的弹性模量为2.06×10⁵MPa，泊松比为0.29，材料的真实应力-塑性应变数据如表2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。

施加工作扭矩直至钻杆接头发生失效，失效时刻钻杆接头的von Mises应力分布云图如图4所示，计算过程中工作扭矩的变化曲线如图5所示。

由图4(a)可见，对于新钻杆接头，公扣是其薄弱环节，von Mises应力较高的区域主要集中在公扣大端的几牙螺纹。由图4(b)、4(c)可见，对于一级钻杆接头和二级钻杆接头，由于偏磨使得母扣成为接头的薄弱环节，尤其是母扣台肩和小端的几牙螺纹处应力水平较高。

由图5(a)可见，对于新钻杆接头，当工作扭矩施加到18.52 kN•m时工作扭矩施加曲线出现拐点，说明此时钻杆接头已突破上扣预紧状态。继续施加工作扭矩，当工作扭矩达到30.31 kN•m时工作扭矩施加曲线开始出现上下波动，此时接头受力开始进入不稳定状态。继续加载将导致工作扭矩出现波动，体现了公扣、母扣啮合面在工作扭矩的作用下不断地平衡→滑动→平衡→滑动→最终破坏的过程，其本质为公扣、母扣螺纹牙啮合面发生屈服。啮合面出现屈服后工作扭矩施加曲线进入不稳定状态，不断波动直至最终突然降为零，即接头发生失效。波动过程中最大工作扭矩为39.43 kN•m，即新钻杆接头所能承受的最大工作扭矩为39.43 kN•m。由图5(b)和图5(c)可知，磨损使得一级和二级钻杆接头的抗扭强度大幅度下降。为了比较，在表3中给出了新钻杆、一级钻杆和二级钻杆的安全、警告和危险工作扭矩。从表中可以看出，一级钻杆和二级钻杆的安全工作扭矩比新钻杆分别下降了23.97%和28.13%，极限工作扭矩分别下降了24.98%和34.42%。