介紹力學大會2015集ms2414

中國力學大會-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)安全的關鍵。APIRP中給出了標準鉆具接頭的極限工作扭矩計對規(guī)范現(xiàn)場操作具有重要的指導意義。由于鉆具接頭受力特征復雜該計算模型不得不基于很多假設性條件，如假定橫截面上拉應力均勻分布、忽略螺紋牙的螺旋升角、忽略扭矩引起的剪應力等。其給出的不同軸向拉力條件下鉆具接頭矩圖版與實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慮鉆具接頭在工況條件下的非線給出復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關鍵詞鉆具接頭，API標準，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:中國力學大會-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的直線表示臺肩分離。T2,0到T3,Q1的直線表示在扭矩和拉力復合作用下公扣發(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由以下五個表達式定義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，當工作扭矩小于特定數(shù)值時各嚙合面上的接觸壓力保持不變。然而當工作扭矩繼續(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，失效時刻鉆具接頭的高。最大。圖4失效時刻鉆具接頭應力分布云圖5給出了工作扭矩的施加曲線，當工作扭矩大于一定數(shù)值后接頭的預緊平衡狀態(tài)頭不再能保持穩(wěn)定的嚙合狀態(tài)時工作扭矩開始出現(xiàn)波動這種波動反映了公扣、母扣嚙合面在工作扭矩的作用下不斷地平衡→滑動→平衡→滑動→最終破壞的過程。波動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，其對應的計算模型為 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算模型（6），當軸向拉力為時，其極限工作扭矩為結果表明AI提供的極限工作扭矩與三維有限元分析結果之間的相對誤差達13.2%。APIRP中所提供的結果（黑線）列于同一圖見圖9。當軸向拉力較小時，本文所得極限工作扭矩比AI這是由于軸向拉力較小時工作扭矩的作用將使得母扣臺肩處首先發(fā)生失效，而AI極限工作扭矩以公扣基點處為危險截面計軸向拉力的作用使得臺肩嚙合面上的預緊力降低甚至使臺肩發(fā)生分離，而工作扭矩的作用可以使分離的臺肩重新發(fā)生接觸，因此當軸向力介于7和9.之間時接頭能承擔比AI標AI標準中并未給出軸向力大于時的情況，事實上當軸向拉力過大時鉆具接頭的抗扭極限隨著軸由于井下情況復雜為了保證作業(yè)安全，在極限工作扭矩曲線的基礎上引入1.2圖9淺藍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及時進行參數(shù)調(diào)圖9不同軸向拉力條件下API極限工作扭矩計算結果與本文結果對結通過計算復雜載荷條件下鉆具接頭的極限工作扭矩，可得到如下結論劉永剛林凱胡安智等復雜深井鉆柱安全性研究[J].石油礦場機械2008(01p.17-李斌楊智春于哲峰鉆柱接頭扣型改進設計的有限元分析[J].機械強度,API,APIRP7G:Recommendedpracticefordrillstemdesignandoperatinglimits[S].Sixteenthedition.董昌樂API圓螺紋套管接頭連接強度研究[D],2011,西安石油大學樊秀江不同條件下API套管螺紋接頭密封性能的實驗研究[D],2011,西安石油大學王琍張汝忻鄒家祥等API圓螺紋套管接頭應力場分布實驗[J].北京科技大學學報2000(06p.555-林元華施太和姚振強等鉆具螺紋接頭力學性能計算方法及其應用[J].上海交通大學學報2005(07p.1058-HilbertJr,LBandKalil,IA.Evaluationofpremiumthreadedconnectionsusingfinite-elementanalysisandfull-scaletesting[C].SPE/IADCDrillingConference.1992.NewOrleans,Louisiana.FengChen,QinfengDi,NingLi,etal.DeterminationofOperatingLoadLimitsforRotaryShoulderedConnectionswithThree-dimensionalFiniteElementAnalysis[J].JournalofPetroleumScienceandEngineeri