单台肩钻具接头的极限工作扭矩的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明实施例设及石油工程及机械领域，尤其设及一种单台肩钻具接头的极限工 作扭矩的确定方法。
【背景技术】
[0002] 钻具是用于传递动力、输送钻井液的主要工具，特别是在油气田钻井过程中尤为 重要，随着深井、超深井、大位移水平井数量的逐年增加，钻具接头，特别是钻杆接头的抗扭 性能受到了越来越多的关注，因此钻具失效事故会带来巨大的经济损失。
[0003] 现有技术中，常用的评价钻具的使用性能的方式包括W下两种：第一种方式为根 据假设的轴向拉力、弯矩等复杂载荷工况，提供了钻杆接头的抗扭强度计算公式，第二种方 式为采用二维轴对称有限元模型对钻具接头的受力进行分析，W评价钻具的使用性能。但 是在实际应用中，常常出现工作扭矩尚在标定扭矩极限（实际为零轴向拉力条件下的极限 扭矩）内，钻具接头却已发生失效的情况。二维轴对称模型难W评价上扣扭矩、弯矩等复杂 工况条件下钻具接头的受力特征，因此也难W反映实际工作环境下的钻具接头的极限工作 扭矩，且单台肩钻具接头的结构复杂，包括螺纹牙的螺旋升角、副台肩等，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Ξ维弹塑性特征。
[0004] 现有计算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，无法准确的确定单台肩钻具接头极限工作扭矩，导致在钻井过程中出现大量由于钻具 接头失效引起的安全事故。
【发明内容】
[0005] 本发明实施例提供一种单台肩钻具接头的极限工作扭矩的确定方法，W解决现有 技术中不能充分反映出实际的应力分布特征，无法准确确定单台肩钻具接头极限工作扭 矩，从而导致在钻井过程中出现大量由于钻具接头失效引起的安全事故的问题。
[0006] 本发明提供一种单台肩钻具接头的极限工作扭矩的确定方法，包括：
[0007] 根据待测量的单台肩钻具接头的结构参数，获取所述单台肩钻具接头的极限工作 扭矩计算模型；
[0008] 根据所述极限工作扭矩计算模型，获取所述单台肩钻具接头的预先设置的每个轴 向拉力对应的极限工作扭矩，所述轴向拉力为至少一个，且所述轴向拉力与所述极限工作 扭矩一一对应。
[0009] 可选的，所述获取所述单台肩钻具接头的预先设置的每个轴向拉力对应的极限工 作扭矩之后，所述方法还包括：
[0010] 根据所述极限工作扭矩计算模型，获取单台肩钻具接头的安全工作区域。
[0011] 可选的，所述根据待测量的单台肩钻具接头的结构参数，获取所述单台肩钻具接 头的极限工作扭矩计算模型，包括：
[0012] 对所述单台肩钻具接头选取测量点进行材料性能测试，获取所述单台肩钻具接头 材料的力学性能参数。
[0013] 可选的，所述根据待测量的单台肩钻具接头的结构参数，获取所述单台肩钻具接 头的极限工作扭矩计算模型，还包括：
[0014] 获取所述单台肩钻具接头的结构参数；
[0015] 根据所述结构参数建立所述单台肩钻具接头的Ξ维几何模型，并对所述Ξ维几何 模型进行有限元网格划分为至少十万个单元；
[0016] 根据所述力学性能参数，计算获取所述单台肩钻具接头的单元应力；
[0017] 根据所述单元应力和所述力学性能参数，获取设置的每个轴向拉力对应的极限工 作扭矩；
[0018] 根据现有API RP 7G标准获取所述单台肩钻具接头的零轴向拉力对应的极限工作 扭矩，并验证根据所述单元应力和所述力学性能参数获取的零轴向拉力对应的极限工作扭 矩是否正确；
[0019] 若正确，则根据至少五个所述轴向拉力与所述极限工作扭矩，获取所述单台肩钻 具接头的所述极限工作扭矩计算模型。
[0020] 可选的，所述根据所述力学性能参数，计算获取所述单台肩钻具接头的单元应力， 包括：
[0021] 根据基于拉格朗日描述的单台肩钻具接头单元控制方程W及格林应变张量的增 量公式，获取单台肩钻具接头的有限元控制方程；
[0022] 根据所述力学性能参数，采用所述有限元控制方程获取所述单台肩钻具接头的每 个单元的变形；
[0023] 根据每个所述单元的变形W及所述单台肩钻具接头的材料本构关系获取单元应 力。
[0024] 可选的，所述单台肩钻具接头的力学性能参数包括所述单台肩钻具接头的弹性模 量、泊松比和最大拉伸应变。
[0025] 可选的，所述单台肩钻具接头的有限元控制方程为：
[0026]
[0027] 其中，cT为单元节点位移扩阶到该单台肩钻具接头结构系统节点位移的布尔矩阵 C的转置矩阵，S为基尔荷夫应力张量，βτ为单元应变矩阵B的转置矩阵，N T为单元形函数 Ν的转置矩阵，V为单台肩钻具接头的初始构型的体积；A为单台肩钻具接头的初始构型的 表面积。dA单台肩钻具接头的初始构型的单元表面积的微分，dV为单台肩钻具接头的初始 构型的单元体积的微分。
[0028] 可选的，所述单台肩钻具接头的所述极限工作扭矩计算模型为：
[0029] Μ = -10 9*了3巧*10 6巧2-0. 0076*Τ+30. 463 ;
[0030] 其中，Μ表示极限工作扭矩，Τ表示轴向拉力。
[0031] 可选的，对所述Ξ维几何模型进行有限元网格划分的单元个数为33. 27万个；在 所述单台肩钻具接头材料性能测试时选取的测试点的个数不小于20个。
[0032] 本发明提供一种单台肩钻具接头的极限工作扭矩的确定方法，通过根据单台肩钻 具接头准确测量获取极限工作扭矩计算模型，然后通过该模型计算出需要知道的轴向拉力 对应的极限工作扭矩，用来指导钻井工作，可w充分反映出实际的应力分布特征，准确的确 定单台肩钻具接头极限工作扭矩，有效减少钻井中的由于钻具接头失效引起的事故。
【附图说明】
[0033] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发 明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可W 根据运些附图获得其他的附图。
[0034] 图1为本发明单台肩钻具接头的极限工作扭矩的确定方法实施例一的流程图；
[0035] 图2为本发明单台肩钻具接头的极限工作扭矩的确定方法实施例二的流程图；
[0036] 图3为单台肩钻具接头的Ξ维几何模型示意图；
[0037] 图4为单台肩钻具接头Ξ维有限元模型示意图； 阳03引图5a为轴向拉力为零时的极限工作扭矩施加曲线；
[0039] 图化为轴向拉力3200kN时的极限工作扭矩施加曲线；
[0040] 图6为轴向拉力与极限工作扭矩施加曲线；
[0041] 图7为轴向拉力与极限工作扭矩的分区示意图。
【具体实施方式】
[0042] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是 本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043] 本发明中提及的所述单台肩钻具接头适用的对象包括钻杆、钻挺、转换接头、稳定 器、减震器、震击器、旁通阀等工件，另外该单台肩钻具接头的工作扭矩的确定方法可W用 于任何需要接头的钻具，对此本发明不做限制。
[0044] 本发明中的单台肩钻具接头指的是API标准中所述的旋转台肩接头，其特征在于 该型接头仅包含一个台肩（见图3和图4)，该台肩又称密封台肩，接头预紧后在台肩晒合面 上产生接触压力W保证接头的密封性能。
[0045] 图1为本发明单台肩钻具接头的极限工作扭矩的确定方法实施例一的流程图，如 图1所示，该单台肩钻具接头的工作扭矩的确定方法的具体步骤为：
[0046] S101 :根据待测量的单台肩钻具接头的结构参数，获取所述单台肩钻具接头的极 限工作扭矩计算模型。
[0047] 在本实施例中，该结构参数指的是该单台肩钻具接头的几何结构参数，需要预先 获取，可W通过工具测量获得，也可W根据厂家测量提供的数据获得，根据该结构参数W及 一些后续的测量、计算可W获取台肩钻具接头的极限工作扭矩计算模型。
[0048] S102 :根据所述极限工作扭矩计算模型，获取所述单台肩钻具接头的预先设置的 每个轴向拉力对应的极限工作扭矩，所述轴向拉力为至少一个，且所述轴向拉力与所述极 限工作扭矩一一对应。
[0049] 在本实施例中，利用上述获取的极限