[发明专利]一种钻杆接头性能的评价方法

说明书

技术领域

本发明涉及油田钻井技术领域，特别是提供一种钻杆接头性能评价方法。

背景技术

钻杆是用于传递动力、输送钻井液的主要工具，在油气田钻井过程中扮演着重要的角色，钻杆失效事故往往给油田带来巨大的经济损失。根据钻柱失效事故统计分析，65%的失效事故发生在钻杆接头部位。钻杆接头在使用中的应力分布状态直接决定了钻杆的连接强度、密封性能等。因此，对钻杆接头的应力分布规律进行研究，是提升钻杆使用性能的关键。

目前大部分研究人员普遍采用二维轴对称有限元分析对钻杆接头的受力进行分析，以评价其使用性能。然而，由于上扣扭矩作用下公扣、母扣螺纹啮合面间将产生相对滑动，使得接头发生一定程度的紧扣，而二维轴对称模型由于各螺纹牙相互独立而无法有效地模拟上扣扭矩作用下螺纹接头的应力特征。此外，弯矩对钻杆接头来说不是轴对称载荷，因此也无法用二维轴对称模型模拟弯矩作用下螺纹接头的应力特征。 

发明内容

针对当前钻杆接头性能评价方法中存在的问题，本发明的目的是提供一种钻杆接头性能评价方法，以更好的反映接头在各种载荷工况作用下的应力特征，保证接头具有良好的使用性能。采用三维有限元分析方能有效地模拟螺纹接头在各种复杂外载荷作用下的应力特征，从而实现钻杆接头性能的有效评价。其对提高钻杆接头的使用性能、延长钻杆的使用寿命、降低作业成本具有十分重要的意义。

为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种钻杆接头性能评价方法，根据钻杆接头在上扣扭矩、轴向拉力、弯矩等外载荷综合作用下的应力特征，采用三维有限元计算方法，具体步骤如下：

1）利用CAD几何建模软件建立钻杆接头三维几何模型；

2）利用有限元前处理软件对钻杆接头进行网格划分，建立钻杆接头三维有限元模型；包含螺纹、母扣镗孔、公扣鼻端、主台肩、副台肩等；

3）利用非线性有限元分析软件ABAQUS定义螺纹啮合面和主、副台肩接触面之间的接触关系，包括法向接触关系和切向接触关系；定义材料属性、边界条件、载荷工况等，所述载荷工况包括上扣扭矩、轴向拉伸、弯矩等外载荷单独作用或联合作用；随后利用ABAQUS进行计算；

4）得到钻杆接头的von Mises应力分布云图，考察其峰值及分布状态对接头连接性能的影响；得到接触面的接触压力分布云图，考察其分布状态对接头密封性能的影响。

上述钻杆接头性能指钻杆接头的连接性能和密封性能。所述连接性能由应力大小、应力分布规律表示；所述密封性能由接触压力表示。

本发明与现有技术相比较，具有以下突出的优点：

本发明提供一种钻杆接头性能的评价方法，其特征在于采用三维有限元分析技术对各种载荷工况作用下钻杆接头的力学性能进行综合评估。相比二维有限元评价方法，三维有限元评价方法能更好的反映接头在上扣扭矩、轴向拉力、弯矩等载荷作用下的应力特征。本方法适用于任何一种目前使用的钻杆接头。

附图说明

图1是钻杆接头性能评价方法的流程图

图2是钻杆接头三维几何模型示意图；

图3是钻杆接头三维有限元模型示意图；

图4是钻杆接头材料的真实应力-塑性应变曲线；

图5各种载荷作用下钻杆接头von Mises应力分布云图；

其中：(a) 上扣扭矩，(b) 上扣扭矩+轴向拉力，(c) 上扣扭矩+轴向拉力+弯矩；

图6各种载荷作用下钻杆接头接触压力分布云图；

其中：(a) 上扣扭矩_台肩，(b) 上扣扭矩_螺纹，(c) 上扣扭矩+轴向拉力_台肩，(d) 上扣扭矩+轴向拉力_螺纹，(e) 上扣扭矩+轴向拉力+弯矩_台肩，(f) 上扣扭矩+轴向拉力+弯矩_螺纹。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方法进一步说明。

一种钻杆接头性能的评价方法，其根据三维有限元分析，确定钻杆接头在上扣扭矩、轴向拉力、弯矩等外载荷作用下的应力特征，确保钻杆接头具有优良的使用性能。

如图1所示，所述的三维有限元分析包括如下过程：

1）利用CAD几何建模软件建立钻杆接头三维几何模型，如图2所示。

2）利用有限元前处理软件对钻杆接头进行网格划分，建立螺纹接头三维有限元模型，如图3所示。