一種確定復(fù)雜工況條件下鉆具接頭極限工作扭矩的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種確定復(fù)雜工況條件下鉆具接頭極限工作扭矩的方法，其利用有限元前處理軟件對(duì)鉆具接頭三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立鉆具接頭三維有限元模型，并利用非線性有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行計(jì)算，得到井下鉆具接頭在實(shí)際載荷工況作用下的力學(xué)特性。并在此基礎(chǔ)上，計(jì)算鉆具接頭所能承受的極限工作扭矩。本評(píng)價(jià)方法可以評(píng)價(jià)在上扣扭矩、軸向拉力、彎矩等復(fù)雜外載荷作用下的鉆具接頭的極限工作扭矩，從而評(píng)估鉆具接頭的安全性。其對(duì)認(rèn)清鉆具接頭的載荷極限、指導(dǎo)鉆具接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進(jìn)和工作參數(shù)的選用，確保鉆井作業(yè)安全具有十分重要的意義。
【專利說(shuō)明】一種確定復(fù)雜工況條件下鉆具接頭極限工作扭矩的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及油田鉆井【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種確定復(fù)雜工況條件下鉆具接頭極限工作扭矩的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鉆具是用于傳遞動(dòng)力、輸送鉆井液的主要工具，在油氣田鉆井過(guò)程中扮演著重要的角色，鉆具失效事故往往給油田帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)鉆柱失效事故統(tǒng)計(jì)分析，65%的失效事故發(fā)生在鉆桿接頭部位。隨著深井、超深井、大位移水平井?dāng)?shù)量的逐年增加，鉆具接頭的抗扭性能受到了越來(lái)越多的關(guān)注。特別是，當(dāng)遇到井下卡鉆復(fù)雜工況時(shí)，由于軸向上提載荷很大，如需要選擇旋轉(zhuǎn)鉆柱措施時(shí)，扭矩的選擇不當(dāng)將會(huì)導(dǎo)致鉆具接頭絲扣失效或斷裂事故。為此十分需要一種復(fù)雜載荷工況下的鉆具接頭極限工作扭矩評(píng)價(jià)方法。
[0003]目前大部分研究人員普遍采用二維軸對(duì)稱有限元分析對(duì)鉆具接頭的受力進(jìn)行分析，以評(píng)價(jià)其使用性能。然而，二維軸對(duì)稱模型難以評(píng)價(jià)上扣扭矩、彎矩等復(fù)雜工況條件下鉆具接頭的受力特征，因此也難以反映鉆具接頭的極限工作扭矩。
[0004]API標(biāo)準(zhǔn)中雖然提供了鉆具接頭的抗扭強(qiáng)度，但是未能考慮軸向拉力、彎矩等載荷工況，因此難以反映真實(shí)工況條件下井下鉆具的抗扭強(qiáng)度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)當(dāng)前鉆具接頭性能評(píng)價(jià)方法中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種確定復(fù)雜工況條件下鉆具接頭極限工作扭矩的方法，以更好的反映接頭在真實(shí)復(fù)雜載荷工況條件下鉆具接頭的抗扭強(qiáng)度，保證接頭的使用安全。采用三維有限元分析方能有效地模擬螺紋接頭在各種復(fù)雜外載作用下的應(yīng)力特征，從而實(shí)現(xiàn)鉆具接頭性能的有效評(píng)價(jià)。其對(duì)認(rèn)清鉆具接頭的載荷極限、指導(dǎo)鉆具接頭的選用，確保鉆井作業(yè)安全具有十分重要的意義。相比API標(biāo)準(zhǔn)提供的抗扭極限載荷，該方法可以考慮鉆具在井下的實(shí)際載荷工況。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種確定復(fù)雜工況條件下鉆具接頭極限工作扭矩的方法，采用三維有限元計(jì)算方法，綜合考慮鉆具接頭在復(fù)雜載荷工況條件下的抗扭極限載荷，具體步驟如下:
1)利用CAD幾何建模軟件建立鉆具接頭三維幾何模型；
2)利用有限元前處理軟件對(duì)鉆具接頭進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立鉆具接頭三維有限元模型；包含螺紋、母扣鏜孔、公扣鼻端、主臺(tái)肩、副臺(tái)肩特征；
3)利用非線性有限元分析軟件ABAQUS定義螺紋嚙合面和主、副臺(tái)肩接觸面之間的接觸關(guān)系，包括法向接觸關(guān)系和切向接觸關(guān)系；定義材料屬性、邊界條件、載荷工況，所述材料屬性從基礎(chǔ)試驗(yàn)獲得，同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定材料失效時(shí)的塑性應(yīng)變，將其作為材料失效準(zhǔn)則加入到模型中，所述邊界條件根據(jù)實(shí)際井況確定，所述載荷工況包括上扣扭矩、軸向拉伸、彎矩外載荷；隨后利用ABAQUS進(jìn)行計(jì)算分析；
4)得到鉆具接頭的vonMises應(yīng)力分布云圖，考察其峰值及分布狀態(tài)對(duì)接頭連接性能的影響；得到接觸面的接觸壓力分布云圖，考察其分布狀態(tài)對(duì)接頭密封性能的影響；根據(jù)計(jì)算過(guò)程中工作扭矩的變化曲線，確定鉆具的極限工作扭矩。
[0007]上述的鉆具接頭為任何一種目前使用的鉆具接頭。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下突出的優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明提供一種確定復(fù)雜工況條件下鉆具接頭極限工作扭矩的新方法，采用三維有限元分析技術(shù)對(duì)各種載荷工況作用下鉆具接頭的力學(xué)性能進(jìn)行綜合評(píng)估。相比二維有限元評(píng)價(jià)方法，三維有限元評(píng)價(jià)方法能更好的反映接頭在上扣扭矩、軸向拉力、彎矩等載荷作用下的應(yīng)力特征，可以反映井下鉆具接頭在真實(shí)載荷工況條件下的極限工作扭矩。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是鉆具接頭性能評(píng)價(jià)方法的流程圖。
[0010]圖2是鉆具接頭三維幾何模型示意圖。
[0011]圖3是鉆具接頭三維有限元模型示意圖。
[0012]圖4是各種載荷作用下鉆具接頭von Mises應(yīng)力分布云圖。其中(a)上扣扭矩，(b)上扣扭矩+軸向拉力，(C)上扣扭矩+軸向拉力+工作扭矩。
[0013]圖5是工作扭矩的變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明專利進(jìn)一步說(shuō)明。
[0015]一種確定復(fù)雜工況條件下鉆具接頭極限工作扭矩的方法，其根據(jù)三維有限元分析，確定鉆具接頭在上扣扭矩、軸向拉力、彎矩等復(fù)雜外載荷作用下的應(yīng)力特征，進(jìn)而確定鉆具接頭在真實(shí)載荷工況條件下的抗扭極限。
[0016]所述的三維有限元分析包括如下過(guò)程:
I)利用CAD幾何建模軟件建立鉆具接頭三維幾何模型，如圖1所示。
[0017]2)利用有限元前處理軟件對(duì)鉆具接頭進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立螺紋接頭三維有限元模型，如圖2所示。
[0018]3)利用非線性有限元分析軟件ABAQUS定義螺紋嚙合面、臺(tái)肩接觸面之間的接觸關(guān)系，包括法向接觸關(guān)系和切向接觸關(guān)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、彎矩等；隨后利用ABAQUS進(jìn)行計(jì)算。
[0019]4)給出鉆具接頭的von Mises應(yīng)力分布云圖，考察其峰值及分布狀態(tài)對(duì)接頭連接性能的影響。根據(jù)計(jì)算過(guò)程中工作扭矩的變化曲線，確定鉆具的極限工作扭矩。
[0020]實(shí)施例:利用三維有限元分析技術(shù)確定鉆具接頭的極限工作扭矩 利用本評(píng)價(jià)方法對(duì)某鉆具接頭進(jìn)行評(píng)價(jià)，該鉆具接頭的主要參數(shù)如表I所示。
【權(quán)利要求】
1.一種確定復(fù)雜工況條件下鉆具接頭極限工作扭矩的方法，其特征在于，采用三維有限元計(jì)算方法，綜合考慮鉆具接頭在復(fù)雜載荷工況條件下的抗扭極限載荷，具體步驟如下: 1)利用CAD幾何建模軟件建立鉆具接頭三維幾何模型； 2)利用有限元前處理軟件對(duì)鉆具接頭進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立鉆具接頭三維有限元模型；包含螺紋、母扣鏜孔、公扣鼻端、主臺(tái)肩、副臺(tái)肩特征； 3)利用非線性有限元分析軟件ABAQUS定義螺紋嚙合面和主、副臺(tái)肩接觸面之間的接觸關(guān)系，包括法向接觸關(guān)系和切向接觸關(guān)系；定義材料屬性、邊界條件、載荷工況，所述材料屬性從基礎(chǔ)試驗(yàn)獲得，同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定材料失效時(shí)的塑性應(yīng)變，將其作為材料失效準(zhǔn)則加入到模型中，所述邊界條件根據(jù)實(shí)際井況確定，所述載荷工況包括上扣扭矩、軸向拉伸、彎矩外載荷；隨后利用ABAQUS進(jìn)行計(jì)算分析； 4)得到鉆具接頭的vonMises應(yīng)力分布云圖，考察其峰值及分布狀態(tài)對(duì)接頭連接性能的影響；得到接觸面的接觸壓力分布云圖，考察其分布狀態(tài)對(duì)接頭密封性能的影響；根據(jù)計(jì)算過(guò)程中工作扭矩的變化曲線，確定鉆具的極限工作扭矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的確定復(fù)雜工況條件下鉆具接頭極限工作扭矩的方法，其特征在于，所述的鉆具接頭為任何一種目前使用的鉆具接頭。
【文檔編號(hào)】E21B17/02GK103452495SQ201310413713
【公開(kāi)日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】狄勤豐, 陳鋒, 李寧, 朱衛(wèi)平, 王文昌, 王明杰 申請(qǐng)人:上海大學(xué)