單臺肩鉆具接頭的極限工作扭矩的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明實(shí)施例設(shè)及石油工程及機(jī)械領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種單臺肩鉆具接頭的極限工 作扭矩的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鉆具是用于傳遞動力、輸送鉆井液的主要工具，特別是在油氣田鉆井過程中尤為 重要，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，特別是鉆桿接頭的抗扭 性能受到了越來越多的關(guān)注，因此鉆具失效事故會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，常用的評價(jià)鉆具的使用性能的方式包括W下兩種：第一種方式為根 據(jù)假設(shè)的軸向拉力、彎矩等復(fù)雜載荷工況，提供了鉆桿接頭的抗扭強(qiáng)度計(jì)算公式，第二種方 式為采用二維軸對稱有限元模型對鉆具接頭的受力進(jìn)行分析，W評價(jià)鉆具的使用性能。但 是在實(shí)際應(yīng)用中，常常出現(xiàn)工作扭矩尚在標(biāo)定扭矩極限（實(shí)際為零軸向拉力條件下的極限 扭矩）內(nèi)，鉆具接頭卻已發(fā)生失效的情況。二維軸對稱模型難W評價(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W反映實(shí)際工作環(huán)境下的鉆具接頭的極限工作 扭矩，且單臺肩鉆具接頭的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括螺紋牙的螺旋升角、副臺肩等，而且承受上扣扭 矩、軸向拉力、彎矩和工作扭矩等復(fù)雜載荷的作用，其受力行為屬于Ξ維彈塑性特征。
[0004] 現(xiàn)有計(jì)算公式和現(xiàn)有的二維有限元分析，都不能充分反映出實(shí)際的應(yīng)力分布特 征，無法準(zhǔn)確的確定單臺肩鉆具接頭極限工作扭矩，導(dǎo)致在鉆井過程中出現(xiàn)大量由于鉆具 接頭失效引起的安全事故。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實(shí)施例提供一種單臺肩鉆具接頭的極限工作扭矩的確定方法，W解決現(xiàn)有 技術(shù)中不能充分反映出實(shí)際的應(yīng)力分布特征，無法準(zhǔn)確確定單臺肩鉆具接頭極限工作扭 矩，從而導(dǎo)致在鉆井過程中出現(xiàn)大量由于鉆具接頭失效引起的安全事故的問題。
[0006] 本發(fā)明提供一種單臺肩鉆具接頭的極限工作扭矩的確定方法，包括：
[0007] 根據(jù)待測量的單臺肩鉆具接頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲取所述單臺肩鉆具接頭的極限工作 扭矩計(jì)算模型；
[0008] 根據(jù)所述極限工作扭矩計(jì)算模型，獲取所述單臺肩鉆具接頭的預(yù)先設(shè)置的每個(gè)軸 向拉力對應(yīng)的極限工作扭矩，所述軸向拉力為至少一個(gè)，且所述軸向拉力與所述極限工作 扭矩一一對應(yīng)。
[0009] 可選的，所述獲取所述單臺肩鉆具接頭的預(yù)先設(shè)置的每個(gè)軸向拉力對應(yīng)的極限工 作扭矩之后，所述方法還包括：
[0010] 根據(jù)所述極限工作扭矩計(jì)算模型，獲取單臺肩鉆具接頭的安全工作區(qū)域。
[0011] 可選的，所述根據(jù)待測量的單臺肩鉆具接頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲取所述單臺肩鉆具接 頭的極限工作扭矩計(jì)算模型，包括：
[0012] 對所述單臺肩鉆具接頭選取測量點(diǎn)進(jìn)行材料性能測試，獲取所述單臺肩鉆具接頭 材料的力學(xué)性能參數(shù)。
[0013] 可選的，所述根據(jù)待測量的單臺肩鉆具接頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲取所述單臺肩鉆具接 頭的極限工作扭矩計(jì)算模型，還包括：
[0014] 獲取所述單臺肩鉆具接頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)；
[0015] 根據(jù)所述結(jié)構(gòu)參數(shù)建立所述單臺肩鉆具接頭的Ξ維幾何模型，并對所述Ξ維幾何 模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分為至少十萬個(gè)單元；
[0016] 根據(jù)所述力學(xué)性能參數(shù)，計(jì)算獲取所述單臺肩鉆具接頭的單元應(yīng)力；
[0017] 根據(jù)所述單元應(yīng)力和所述力學(xué)性能參數(shù)，獲取設(shè)置的每個(gè)軸向拉力對應(yīng)的極限工 作扭矩；
[0018] 根據(jù)現(xiàn)有API RP 7G標(biāo)準(zhǔn)獲取所述單臺肩鉆具接頭的零軸向拉力對應(yīng)的極限工作 扭矩，并驗(yàn)證根據(jù)所述單元應(yīng)力和所述力學(xué)性能參數(shù)獲取的零軸向拉力對應(yīng)的極限工作扭 矩是否正確；
[0019] 若正確，則根據(jù)至少五個(gè)所述軸向拉力與所述極限工作扭矩，獲取所述單臺肩鉆 具接頭的所述極限工作扭矩計(jì)算模型。
[0020] 可選的，所述根據(jù)所述力學(xué)性能參數(shù)，計(jì)算獲取所述單臺肩鉆具接頭的單元應(yīng)力， 包括：
[0021] 根據(jù)基于拉格朗日描述的單臺肩鉆具接頭單元控制方程W及格林應(yīng)變張量的增 量公式，獲取單臺肩鉆具接頭的有限元控制方程；
[0022] 根據(jù)所述力學(xué)性能參數(shù)，采用所述有限元控制方程獲取所述單臺肩鉆具接頭的每 個(gè)單元的變形；
[0023] 根據(jù)每個(gè)所述單元的變形W及所述單臺肩鉆具接頭的材料本構(gòu)關(guān)系獲取單元應(yīng) 力。
[0024] 可選的，所述單臺肩鉆具接頭的力學(xué)性能參數(shù)包括所述單臺肩鉆具接頭的彈性模 量、泊松比和最大拉伸應(yīng)變。
[0025] 可選的，所述單臺肩鉆具接頭的有限元控制方程為：
[0026]
[0027] 其中，cT為單元節(jié)點(diǎn)位移擴(kuò)階到該單臺肩鉆具接頭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)位移的布爾矩陣 C的轉(zhuǎn)置矩陣，S為基爾荷夫應(yīng)力張量，βτ為單元應(yīng)變矩陣B的轉(zhuǎn)置矩陣，N T為單元形函數(shù) Ν的轉(zhuǎn)置矩陣，V為單臺肩鉆具接頭的初始構(gòu)型的體積；A為單臺肩鉆具接頭的初始構(gòu)型的 表面積。dA單臺肩鉆具接頭的初始構(gòu)型的單元表面積的微分，dV為單臺肩鉆具接頭的初始 構(gòu)型的單元體積的微分。
[0028] 可選的，所述單臺肩鉆具接頭的所述極限工作扭矩計(jì)算模型為：
[0029] Μ = -10 9*了3巧*10 6巧2-0. 0076*Τ+30. 463 ;
[0030] 其中，Μ表示極限工作扭矩，Τ表示軸向拉力。
[0031] 可選的，對所述Ξ維幾何模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分的單元個(gè)數(shù)為33. 27萬個(gè)；在 所述單臺肩鉆具接頭材料性能測試時(shí)選取的測試點(diǎn)的個(gè)數(shù)不小于20個(gè)。
[0032] 本發(fā)明提供一種單臺肩鉆具接頭的極限工作扭矩的確定方法，通過根據(jù)單臺肩鉆 具接頭準(zhǔn)確測量獲取極限工作扭矩計(jì)算模型，然后通過該模型計(jì)算出需要知道的軸向拉力 對應(yīng)的極限工作扭矩，用來指導(dǎo)鉆井工作，可w充分反映出實(shí)際的應(yīng)力分布特征，準(zhǔn)確的確 定單臺肩鉆具接頭極限工作扭矩，有效減少鉆井中的由于鉆具接頭失效引起的事故。
【附圖說明】
[0033] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā) 明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可W 根據(jù)運(yùn)些附圖獲得其他的附圖。
[0034] 圖1為本發(fā)明單臺肩鉆具接頭的極限工作扭矩的確定方法實(shí)施例一的流程圖；
[0035] 圖2為本發(fā)明單臺肩鉆具接頭的極限工作扭矩的確定方法實(shí)施例二的流程圖；
[0036] 圖3為單臺肩鉆具接頭的Ξ維幾何模型示意圖；
[0037] 圖4為單臺肩鉆具接頭Ξ維有限元模型示意圖； 陽03引圖5a為軸向拉力為零時(shí)的極限工作扭矩施加曲線；
[0039] 圖化為軸向拉力3200kN時(shí)的極限工作扭矩施加曲線；
[0040] 圖6為軸向拉力與極限工作扭矩施加曲線；
[0041] 圖7為軸向拉力與極限工作扭矩的分區(qū)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例 中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是 本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員 在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0043] 本發(fā)明中提及的所述單臺肩鉆具接頭適用的對象包括鉆桿、鉆挺、轉(zhuǎn)換接頭、穩(wěn)定 器、減震器、震擊器、旁通閥等工件，另外該單臺肩鉆具接頭的工作扭矩的確定方法可W用 于任何需要接頭的鉆具，對此本發(fā)明不做限制。
[0044] 本發(fā)明中的單臺肩鉆具接頭指的是API標(biāo)準(zhǔn)中所述的旋轉(zhuǎn)臺肩接頭，其特征在于 該型接頭僅包含一個(gè)臺肩（見圖3和圖4)，該臺肩又稱密封臺肩，接頭預(yù)緊后在臺肩曬合面 上產(chǎn)生接觸壓力W保證接頭的密封性能。
[0045] 圖1為本發(fā)明單臺肩鉆具接頭的極限工作扭矩的確定方法實(shí)施例一的流程圖，如 圖1所示，該單臺肩鉆具接頭的工作扭矩的確定方法的具體步驟為：
[0046] S101 :根據(jù)待測量的單臺肩鉆具接頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲取所述單臺肩鉆具接頭的極 限工作扭矩計(jì)算模型。
[0047] 在本實(shí)施例中，該結(jié)構(gòu)參數(shù)指的是該單臺肩鉆具接頭的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，需要預(yù)先 獲取，可W通過工具測量獲得，也可W根據(jù)廠家測量提供的數(shù)據(jù)獲得，根據(jù)該結(jié)構(gòu)參數(shù)W及 一些后續(xù)的測量、計(jì)算可W獲取臺肩鉆具接頭的極限工作扭矩計(jì)算模型。
[0048] S102 :根據(jù)所述極限工作扭矩計(jì)算模型，獲取所述單臺肩鉆具接頭的預(yù)先設(shè)置的 每個(gè)軸向拉力對應(yīng)的極限工作扭矩，所述軸向拉力為至少一個(gè)，且所述軸向拉力與所述極 限工作扭矩一一對應(yīng)。
[0049] 在本實(shí)施例中，利用上述獲取的極限