Study on mechanical behaviors of double shoulder drill pipe joint thread

Double shoulder drill pipe joint(DSJ)is a novel thread structure which appears in recent years.Its strength reduced efficiently while the structure design is not appropriately,for the DSJ’s mechanical behaviors weren’t well studied.In this paper a 3D whole structure finite element model of DSJ was established based on the Principle of Virtual Work,and validated the model’s computing results by experimental results.The authors analyzed the stress and strain distribution with the 3D whole structure finite element model’s computing results under torque moment,compression force,tension load,and bend moment.And then acquired the DSJ’s mechanical behaviors under each load.The research works of this paper refer accordance to recognize and design the DSJ.

42CrMoA地质钻杆接头调质裂纹形成原因分析

通过对失效接头的化学成分、力学性能、金相和扫描电镜能谱分析等检测项目,对42CrMoA加工的地质钻杆接头失效原因进行了全面分析。分析结果表明,该失效为淬火裂纹引起,是由于原材料中碳化铬夹杂物的存在和基体组织不均匀导致钢材内部形成应力集中点,破坏钢材的均匀性,进而引发淬火裂纹,裂纹顺着接头台肩处圆弧倒角应力集中点扩展,故形成了弧形和贯穿形复合裂纹。提出了降低此类失效发生的建议。

复合载荷作用下矿用定向钻杆接头的三维力学特性分析

煤矿钻杆在严苛的服役环境和复杂的受力状态下易失效,不仅影响正常生产,而且还因打捞困难致使事故恶化。针对上述问题,以煤矿φ73 mm外平定向钻杆为研究对象,对不同载荷下钻杆接头进行了受力分析,并通过单轴拉伸试验获得了接头材料的力学性能参数,构建了接头材料的本构模型。在此基础上,应用虚功原理、Von Mises屈服准则和接触非线性理论建立了钻杆接头螺纹的弹塑性有限元分析模型,分析了不同工况载荷作用下接头部位的受力状态及应力场分布规律。研究结果表明:在预紧扭矩为2000 N·m时,该钻杆接头具有良好的密封性能和联接强度;单扭和拉扭载荷下,靠近主台肩的第一螺纹牙为主要失效部位;在压、弯、扭载荷下,主台肩为主要失效部位;在钻机最大扭矩与推进力的作用下,接头的抗弯能力达到3°/3 m。

石油钻杆的发展趋势分析

随着钻井工况的复杂化、钻井深度加深以及其他特殊钻井的需求,钻杆定制化生产的要求越来越多,如抗硫钻杆、超高强度钢级钻杆、特殊螺纹钻杆等高端石油钻杆。目前,国内石油钻杆生产厂家都以生产API标准的石油钻杆为主,同质化竞争严重,针对深井、深海井、高腐蚀性井等领域发展所需的抗硫钻杆、超高强度钢级钻杆、特殊螺纹钻杆等高端石油钻杆产品目前涉足厂家较少,在特殊用途钻杆市场内还未形成竞争力。石油钻杆未来发展趋势一定是以满足特殊用途的定制化钻杆为前提的高端石油钻杆。本文立足于国内市场现状,放眼石油钻杆发展趋势,为今后我国钻杆的发展方向提出建议。

钻杆接头用含铌钒37CrMnMo钢的热变形行为及热加工图

采用Gleeble-3500热模拟试验机对含铌钒37CrMnMo钢进行等温单道次热压缩试验,研究了在不同变形温度和应变速率下钢的热变形行为及组织演变规律,并根据真应力-真应变曲线建立了该钢的热变形方程和热加工图。结果表明:在相同变形条件下,流变应力随变形温度的升高或应变速率的降低而降低;在高温、低应变速率条件下,试验钢的动态再结晶行为较显著;试验钢的热变形激活能为339.448 kJ/mol,基于动态材料模型和Prasad失稳准则确定了应变量为0.7时该钢的最佳热加工参数为1055~1250℃、0.05~0.12 s^(-1)和1130~1250℃、0.12~2.79 s^(-1)。

考虑钻杆接头的小井眼环空压耗计算模型

小井眼钻井作为开发深部油气资源的重要技术手段越来越受到重视。小井眼往往具有更高的环空压耗,这给环空压力控制带来了一定挑战。准确预测钻柱偏心旋转情况下的环空压耗是小井眼钻井的重要理论与实践基础,但常规预测模型适用性非常有限,往往忽略了钻杆接头的影响,无法满足现场的精度需求。为此,利用数值模拟技术,分析了钻杆接头对环空流场、压耗的影响规律,并据此确定了压耗修正因子经验模型的构建方式。分析结果表明:钻杆接头所产生的额外压耗受钻井液类型、钻杆转速、偏心和环空返速的影响,压耗修正因子的构建应考虑多种因素的耦合关系。利用152组数模结果,建立了针对新疆玛湖油田的小井眼环空压耗预测模型,该模型计算结果表明,在钻杆低偏心度情况下存在临界转速,使得环空压耗达到最大,而钻杆处于高偏心度时,环空压耗会随转速增大而增大;而偏心度对环空压耗的影响规律也会因转速不同而变得更加复杂。利用环空压耗预测模型,计算了玛湖油田MHHW-X井的当量循环密度,结果与PWD数据进行对比,平均误差仅为1.18%,模型具有较高的准确性。研究结果表明,利用数模结果建立的考虑钻杆接头的小井眼环空压耗模型可以满足现场预测精度需要,能够为现场环空压力控制提供指导。

深井钻杆接头耐磨防护技术研究综述与展望

在深井、特深井钻探过程中,井下钻具处于高温、高压、高腐蚀环境,钻杆与外部岩层以及套管发生激烈的碰撞和磨损,钻具耐磨防护是需重点关注的问题。目前在钻杆接头上敷焊耐磨带是深井钻具防护的主要方法,对减少钻具磨损、延长钻具寿命起着重要作用。本文综述了国内外耐磨带技术发展研究现状,阐述了耐磨带失效原因以及关键性能评价测试方法,分析目前耐磨带技术发展的关键为耐磨带防脱落、耐磨带修复技术和套管友好型耐磨带材料研究。最后对耐磨带技术在深井、特深井应用发展趋势进行展望。

主动钻杆公接头加工工艺技术研究

主动钻杆是自动钻机的关键零部件之一,在自动钻机钻进过程中起至关重要的作用,而主动钻杆公接头螺纹使用寿命的高低直接决定自动钻机的钻进效率,其质量优劣主要取决于公接头热处理加工工艺。原公接头渗碳、淬火后的防渗部位依然硬度过高、渗层过深,摩擦焊接端及外螺纹表面被淬透,螺纹表面抗冲击韧性较差,使用过程中主动钻杆摩擦焊缝及公接头螺纹易脆断,进尺较浅。为解决该问题,研究采用了新型的加工工艺方法,提升了主动钻杆公接头螺纹耐磨性及摩擦焊缝接头的综合力学性能,避免渗碳、淬火后涂抹防渗剂的各种弊端及质量问题,其适应性增强,质量可靠,提高了主动钻杆的使用寿命。

煤矿定向钻杆接头螺纹牙形角对应力分布的影响

煤矿定向钻孔技术具有钻孔深、轨迹可控、瓦斯抽放孔覆盖面积大等优点,在煤矿瓦斯治理中得到广泛应用。定向钻杆接头螺纹是最薄弱部位,经常出现钻杆螺纹断裂事故。基于非线性接触理论建立二维轴对称有限元模型,分析了不同牙形角对螺纹应力分布的影响。研究发现,公螺纹和母螺纹的最大应力均出现在台阶处的牙根部,公螺纹的应力大于母螺纹的应力。该研究对优化钻杆设计、降低钻孔事故率、保证正常钻进具有十分重要的意义。

工况外载条件下钛合金/钢钻杆接头有限元分析对比研究

由于我国的优质天然气资源主要集中在深层及超深层,超深井的钻探对钻柱提出了更高的性能要求。钛合金钻杆由于具有高强、低密、耐蚀、抗疲劳、耐热和无磁性等优点,是超深层天然气钻柱的研究热点。本文使用三维有限元分析方法,对比研究不同外载条件下钛合金材料和钢钻杆材料对高承载钻杆接头承载性能和密封性能的影响,并分析高承载钻杆接头在工况下的失效方式和力学特性。结论表明:钛合金材料可以使钻杆接头的整体应力水平降低20%,抗扭能力提高约60%,但在同样扭矩上扣后螺纹接头的主台肩密封压力比钢制钻杆接头低15%~20%;当加载内压+拉伸+弯矩的复合载荷后,螺纹的最大危险点由外螺纹主台肩圆弧凹槽处转移到了在外螺纹主台肩侧第一圈齿根处,螺纹整体的应力水平增高,密封性能下降。因此为了满足超深井天然气井钻采需求,使用钛合金/钢钻杆复合钻柱时,可适当提高钛合金钻杆的上扣扭矩,提高螺纹接头的密封性能。

小井眼环空压耗的室内试验研究

小井眼环空水力学与常规井区别很大。在室内小井眼环空实验架上对小井眼环空压力损失进行了试验研究。模拟环空钻井液返速、钻柱旋转速度、钻柱偏心弯曲程度、钻井液性能和钻具接头等对压耗的影响，取得上千组试验数据。试验结果表明：随环空返速增加，小井眼环空压耗增加很快；在转速较低时随转速增加压耗反而有所下降，但下降幅度很小，在转速较高时钻柱旋转时压耗的影响很大；随偏心度增大，环空压耗降低；随环空间隙减小，压耗对钻柱旋转变得更为敏感；随钻井液幂律流性指数增加，环空压力损耗增大；随宾汉塑性粘度增加，环空压耗增加；随钻井液密度增加，环空压耗增大；钻具接头对小井眼环空压耗的影响很显著。

套管减磨接头的研制与应用

在分析技术套管磨损原因的基础上,介绍了国内外套管防磨技术的现状,详细介绍了胜利油田研制的套管减磨接头的结构、工作原理及主要性能参数。在胜利油田的现场使用情况表明,该接头安全可靠,操作方便,使用效果好,减少了后期修套、补套或修井的可能性,延长了油井的使用寿命,经济效益明显,具有广阔的应用前景。

钻杆内螺纹接头纵向开裂机理及材料性能指标研究

近年来由于深井、定向井等逐渐增多,油气井钻井中钻杆内螺纹接头纵向开裂失效成为常发事故。大量失效分析发现钻杆内螺纹接头纵向开裂的裂纹源是外表面及螺纹表面的摩擦热裂纹、钳牙咬痕等各种损伤,这些裂纹以脆性断裂或应力腐蚀机理扩展。虽然裂纹源很难避免,但如果能够阻止裂纹的扩展,也能够防止钻杆内螺纹接头纵向开裂失效。应用钻杆失效评估技术研究表明,横向材料冲击功大于80J将避免钻杆内螺纹接头纵向脆性开裂失效。对钻杆接头材料进行SSC试验,发现如果将材料硬度限制在HB310以内,将明显减少钻杆内螺纹接头纵向应力腐蚀开裂失效。失效案例统计数据验证了这些结果。建议有关标准规定钻杆内螺纹接头的横向材料冲击功,如可行同时限制材料的硬度,选用高性能钻具,以此提高钻具使用寿命,确保钻井速度。

侧钻水平井钻柱摩阻力分析

建立了考虑井壁弹性及钻柱接头影响的侧钻水平井钻柱摩阻力模型 ,给出了受弹性井壁约束钻柱的三弯矩方程及其数值解法 ;数值计算表明钻压、井身曲率、地基弹性、钻柱刚度、长度、钻柱与井壁间摩擦系数等因素都影响摩阻力的大小及分布 ,对于侧钻水平井而言 ,井身曲率的影响更为显著 ;该方法可适用中短半径水平井的摩阻力分析 ,供实际钻井作业参考。

钻杆接头PT100耐磨带的敷焊工艺与应用

在深井、超深井、丛式井、大斜度井、水平井的钻井过程中,套管经常被磨穿,造成严重损失,因此对钻杆接头耐磨带提出了更高要求。针对钻杆接头耐磨带现状,开发出新型钻杆接头耐磨带材料PT100及其敷焊工艺。新型钻杆接头PT100耐磨带在钻井应用中表明,(1)与钢质钻杆接头相比,套管磨损减少86％;(2)与碳化钨耐磨带的接头相比,套管磨损降低76％;(3)在大斜度井中,由于摩擦系数减小,大大降低了钻具旋转阻力,扭矩增大30％,节省材料消耗10％;(4)在裸眼钻井环境下,更大程度地保护钻杆接头,减小磨损。

139.7mm加重钻杆外螺纹接头断裂原因分析

为查明某井139.7 mm加重钻杆外螺纹接头的断裂原因,对断口进行了宏观和微观分析,对材料进行了化学成分分析、力学性能试验和金相分析,并进行了有限元分析等。结果表明:加重钻杆断裂属于腐蚀疲劳断裂;断裂主要原因是加重钻杆接头内径大于标准规定值,降低了加重钻杆外螺纹接头断裂扭矩和抗拉载荷,在疲劳载荷与腐蚀介质作用下,腐蚀疲劳裂纹首先在加重钻杆外螺纹接头危险截面部位螺纹牙底萌生,随后在载荷作用下裂纹不断扩展,进一步降低了接头的强度,最终发生了断裂事故。

整体式翅片管换热器传热和阻力性能的试验研究

通过对我国空调行业常用的４种整体式翅片管热器系统的试验研究，得出了工业应用Ｒｅ范围内（Ｒｅ＜５０００）换热和阻力的综合关联式。并对翅片表面性能作了综合性评价，为优化设计提供了科学依据。

大位移井循环压耗精确计算方法研究及应用

对现有大量的压耗计算方法进行了研究分析,提出了适合于大位移井循环压耗计算的不同流变模式泥浆流动的流态判别和摩阻系数计算方法,建立了钻杆接头对钻杆内压耗的影响系数计算式和井下动力钻具压耗计算方法。基于传统钻井循环压耗计算方法,结合大位移井特点,提出了大位移井循环压耗的精确计算方法,验证结果表明,该方法能够较大幅度降低误差,从而能为大位移井水力参数计算和设计提供帮助。

Φ149.3mm钻杆高强度接头数值分析

大位移井、深水井和超深井钻井中Φ149.3mm钻杆旋转台肩接头不能满足API标准高抗扭矩的要求,限制了Φ149.3mm钻杆性能的发挥。为了充分发挥Φ149.3mm钻杆的性能,基于有限单元法理论,根据钻杆接头轴对称的特点,将三维问题简化为二维问题,设计了一种新型Φ149.3mm钻杆双台肩接头,使用ANSYS软件模拟近似分析接头螺纹在各种情况下的强度,再与Φ139.7mm接头对比,验证其高抗扭矩的性能。通过AN-SYS模拟计算,证明了149.3mm钻杆双台肩接头的高抗扭性能,能够满足现场的应用。

应力释放槽对钻杆接头力学性能的影响

钻杆接头是钻柱最薄弱的环节,在钻进过程中极易失效。采用有限元分析方法对钻杆接头的应力特征进行了分析,结果表明,密封面处接触压力分布不均和啮合大端第一螺纹牙处应力集中是影响钻杆接头力学性能的主要因素。在公扣、母扣台肩转角处开应力释放槽可以有效改善钻杆接头的应力分布,降低应力峰值,使von Mises应力和接触压力分布更加均匀,有利于提高钻杆接头的承载能力和密封性能。此外,仅在公扣台肩转角处或母扣台肩转角处开应力释放槽也可有效改善接头的应力分布,但效果与公扣、母扣台肩转角处均开应力释放槽相比稍差。