介紹力學(xué)大會(huì)2015集ms2414

中國力學(xué)大會(huì)-合理地制定適用于現(xiàn)場的操作規(guī)范是保障鉆井作業(yè)安全的關(guān)鍵。APIRP中給出了標(biāo)準(zhǔn)鉆具接頭的極限工作扭矩計(jì)對規(guī)范現(xiàn)場操作具有重要的指導(dǎo)意義。由于鉆具接頭受力特征復(fù)雜該計(jì)算模型不得不基于很多假設(shè)性條件，如假定橫截面上拉應(yīng)力均勻分布、忽略螺紋牙的螺旋升角、忽略扭矩引起的剪應(yīng)力等。其給出的不同軸向拉力條件下鉆具接頭矩圖版與實(shí)際情況間存在一定的差異。本文采用非線性彈塑性有限元分析技術(shù)慮鉆具接頭在工況條件下的非線給出復(fù)雜載荷條件下鉆具接頭極限工作扭矩確定方法，并建立基于軸力的鉆具接頭極限工作扭矩圖版。相比AI關(guān)鍵詞鉆具接頭，API標(biāo)準(zhǔn)，極限工作扭矩，軸向拉力，三維THEAPPLICATIONSCOPEOFTHEULTIMATEWORKINGTORQUEFORTHETOOLJOINTSINAPICHENFeng1，2，JINZezhong1，WANGWenchang1，DIQinfeng1?，ZHANGHe1，WANGMinjie1，SONGHaitao1（1ShanghaiUniversity,ShanghaiInstituteofAppliedMathematicsandMechanics,Shanghai200072,（2ShanghaiUniversityMechanicalEngineeringPostdoctoralResearchStation,Shanghai:中國力學(xué)大會(huì)-AbstractThestressstateoftooljointsisverycomplexinthemoreandmoredemandingdrillingconditions,failureoftooljointsoftenoccurduetoextremeload,resultinginhugeeconomiclosses.Accuratelydeterminetheloadlimitoftooljointsundercomplicatedworkingconditionsanddevelopareasonableoperationspecificationisthekeytoensurethesafety.APIRP7Gformulatetheultimateworkingtorqueofthetooljoints,whichissignificancelyinguidingthefieldoperation.Duetothecomplexstresscharacteristics,analyticalformulasarederivedundermanyassumptions,e.g.thetensilestressisconsidereduniformacrossthecombinedareas,thecontributionofshearstressduetotorsionisignored,andthehelixangleofthethreadsisneglected,etc.Hence,theresultsofAPIformulasaredifferentfromtheactual.Inthepresentstudy,anonlinearelasto-plasticfiniteelementanalysisisemployedtorevealthenonlinearcharacteristicoftooljointsundercomplexmechanicconditions.Theultimateworkingtorqueoftooljointscombinedwiththeimpactofmake-uptorqueandaxialtensioniscalculated,andthenon-linearlimitoperatingloadprofileisdeveloped.Thedifferencebetweentworseultsisdiscussed,andtheapplicationscopeoftheultimateworkingtorqueinAPIstandardisdiscussed.ForAPINC50,theultimatetorqueinAPIistoolargewhenaxialtensionlessthan1116.76kN,whichmaycausethefailureoftooljointswhentheworkingtorquestillinthecalibrationofultimatetorque.TheultimateworkingtorqueinAPIissmallerwhenaxialtensionbetween1116.76kNand6699.66kN,thuscanbeusedasaconservativevalue.Forthecasethattheaxialtensionisgreaterthan6699.66kN,theultimatetorqueisnotprividedinAPI.Infact,theultimateworkingtorquedecreasesrapidlywiththeincreaseoftheaxialtensioninthiscase.Inthecomplexdrilling,suchasultra-deepwells,theultimateworkingtorqueofthetooljointsshouldbeestablishedcarefullytoensurethesafetyofoperation.Keywordstooljoints,APIstandard,ultimateworkingtorque,axialtension,three-dimensionalfiniteelementanalysis引APIRP成極限操作圖版，如圖1所示。0,0到T4,Q1的直線表示臺(tái)肩分離。T2,0到T3,Q1的直線表示在扭矩和拉力復(fù)合作用下公扣發(fā)生屈服。T1,0到T1,Q1的直線表示扭矩作用下母扣發(fā)生屈服。Q1水平線表示公扣最大拉伸載荷。圖1API極限工作扭矩圖版其中各極限線的端點(diǎn)由以下五個(gè)表達(dá)式定義Q=Ym 1 T1=YmAb6PRtfRsf 102π Ym

RtfRf T2=1.11062πcosθ s T3=YmAp6PRtf

2π

AAPRtfsR

1.110A 2π 以某接頭外徑公接頭內(nèi)徑基面中徑母接頭內(nèi)徑鏜孔直徑

圖2網(wǎng)格劃分示意分析載Step1：上扣扭矩Step2：軸向拉力Step3：工作扭矩，當(dāng)工作扭矩小于特定數(shù)值時(shí)各嚙合面上的接觸壓力保持不變。然而當(dāng)工作扭矩繼續(xù)圖3鉆具接頭各嚙合面上的接觸壓力變化規(guī)在上述載荷工況條件下，失效時(shí)刻鉆具接頭的高。最大。圖4失效時(shí)刻鉆具接頭應(yīng)力分布云圖5給出了工作扭矩的施加曲線，當(dāng)工作扭矩大于一定數(shù)值后接頭的預(yù)緊平衡狀態(tài)頭不再能保持穩(wěn)定的嚙合狀態(tài)時(shí)工作扭矩開始出現(xiàn)波動(dòng)這種波動(dòng)反映了公扣、母扣嚙合面在工作扭矩的作用下不斷地平衡→滑動(dòng)→平衡→滑動(dòng)→最終破壞的過程。波動(dòng)過程中工作扭矩峰值情況如表3為了反映接頭的承載能力，取這組據(jù)的有效值（即均方根值）作為該鉆具接頭的極限工作扭矩。根據(jù)均方根值的定義，計(jì)算出該鉆具接頭的極限工作扭矩為?。表3圖5鉆具接頭工作扭矩加載曲軸向拉力0極限工作扭矩軸向拉力極限工作扭矩參考API律可用圖6中曲線描述，其對應(yīng)的計(jì)算模型為 x Mmax3.00054107T36.71019103T250.0382T x 圖6極限工作扭矩隨軸向拉力的變化規(guī)API圖7鉆具接頭極限工作扭矩圖根據(jù)APIT2=84.50kN?m,T3=43.87kN?m,T4=42.34kN?m,服，過Q1的橫線代表拉力作用下公扣發(fā)生屈服。按照APIRP圖8拉、扭綜合作用下鉆具接頭操作極限圖對于N50鉆具接頭，推薦的上扣扭矩值為5?，因此據(jù)圖8可知可對接頭施加2.的軸向拉力和6?m該鉆具接頭的極限工作扭矩計(jì)算模型（6），當(dāng)軸向拉力為時(shí)，其極限工作扭矩為結(jié)果表明AI提供的極限工作扭矩與三維有限元分析結(jié)果之間的相對誤差達(dá)13.2%。APIRP中所提供的結(jié)果（黑線）列于同一圖見圖9。當(dāng)軸向拉力較小時(shí)，本文所得極限工作扭矩比AI這是由于軸向拉力較小時(shí)工作扭矩的作用將使得母扣臺(tái)肩處首先發(fā)生失效，而AI極限工作扭矩以公扣基點(diǎn)處為危險(xiǎn)截面計(jì)軸向拉力的作用使得臺(tái)肩嚙合面上的預(yù)緊力降低甚至使臺(tái)肩發(fā)生分離，而工作扭矩的作用可以使分離的臺(tái)肩重新發(fā)生接觸，因此當(dāng)軸向力介于7和9.之間時(shí)接頭能承擔(dān)比AI標(biāo)AI標(biāo)準(zhǔn)中并未給出軸向力大于時(shí)的情況，事實(shí)上當(dāng)軸向拉力過大時(shí)鉆具接頭的抗扭極限隨著軸由于井下情況復(fù)雜為了保證作業(yè)安全，在極限工作扭矩曲線的基礎(chǔ)上引入1.2圖9淺藍(lán)虛線所示的推薦工作扭矩曲線。工作扭矩一旦超過推薦工作扭應(yīng)及時(shí)進(jìn)行參數(shù)調(diào)圖9不同軸向拉力條件下API極限工作扭矩計(jì)算結(jié)果與本文結(jié)果對結(jié)通過計(jì)算復(fù)雜載荷條件下鉆具接頭的極限工作扭矩，可得到如下結(jié)論劉永剛林凱胡安智等復(fù)雜深井鉆柱安全性研究[J].石油礦場機(jī)械2008(01p.17-李斌楊智春于哲峰鉆柱接頭扣型改進(jìn)設(shè)計(jì)的有限元分析[J].機(jī)械強(qiáng)度,API,APIRP7G:Recommendedpracticefordrillstemdesignandoperatinglimits[S].Sixteenthedition.董昌樂API圓螺紋套管接頭連接強(qiáng)度研究[D],2011,西安石油大學(xué)樊秀江不同條件下API套管螺紋接頭密封性能的實(shí)驗(yàn)研究[D],2011,西安石油大學(xué)王琍張汝忻鄒家祥等API圓螺紋套管接頭應(yīng)力場分布實(shí)驗(yàn)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)2000(06p.555-林元華施太和姚振強(qiáng)等鉆具螺紋接頭力學(xué)性能計(jì)算方法及其應(yīng)用[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)2005(07p.1058-HilbertJr,LBandKalil,IA.Evaluationofpremiumthreadedconnectionsusingfinite-elementanalysisandfull-scaletesting[C].SPE/IADCDrillingConference.1992.NewOrleans,Louisiana.FengChen,QinfengDi,NingLi,etal.DeterminationofOperatingLoadLimitsforRotaryShoulderedConnectionswithThree-dimensionalFiniteElementAnalysis[J].JournalofPetroleumScienceandEngineeri