油井管螺纹的表面处理技术研究及进展

螺纹连接是油井管常用的部件,用于连接油套管、钻具等并传递动力。螺纹连接失效是油井管最常见的失效方式,螺纹的表面状态对连接部件的安全、稳定使用有重要影响。从油井管螺纹表面处理的必要性、螺纹表面热处理、镀层、固体润滑涂层等方面综述了表面处理技术在油井管上的应用与研究现状。粘扣是螺纹表面处理要解决的关键问题,着重介绍了激光热处理、氮化、固体润滑涂层等工艺对螺纹抗粘扣效果的影响,并简单介绍了冷滚压、喷砂等机械表面处理方法对材料表面疲劳性能的提升作用。

疲劳寿命预测模型在管端加厚过渡段的应用研究

利用有限元分析和疲劳寿命模型,研究了Φ127 mm钻杆内加厚过渡段长度Miu和圆弧半径R对应力集中系数与疲劳寿命的影响。分析认为,过渡段长度越长,圆弧半径越大,应力集中系数越小,疲劳寿命越高,但仍低于管体的疲劳寿命;当圆弧半径R≥300 mm、过渡段长度Miu≥200 mm,Miu和R对应力集中系数和疲劳寿命的影响逐渐降低,且变化幅值较小。分析认为,Morrow和Paris两种疲劳寿命预测模型在预测钻杆内加厚过渡组合的疲劳寿命时具明显优势。

气密封接头最佳上扣扭矩计算与分析

阐述了一种带金属/金属密封结构的双台肩气密封接头的具体结构,指出其上扣扭矩由主、副台肩面、密封锥面及螺纹4部分的摩擦扭矩构成,由于承载结构的变化,API推荐的上扣扭矩计算公式不再适用于这种气密封接头。本文运用圆锥过盈配合模型与应力应变模型建立了相应的扭矩计算公式,并通过有限元方法验证了该理论计算公式的可靠性。通过理论计算、有限元模拟与全尺寸上扣试验相结合的方法确定了该接头的最佳上扣扭矩,研究结果可为生产厂家及油田确定气密封接头最佳上扣扭矩范围提供参考。

新型双台肩钻杆接头研究与应用

随着钻井技术的进步,要求钻杆接头可传递更大的扭矩以适应各种复杂的工作环境,因此对其抗扭性能研究变得尤为重要。为此,设计了一种新型双台肩钻杆接头。与一般的双台肩钻杆接头相比,新型钻杆接头增加了外螺纹接头和内螺纹接头圆柱孔部分的长度,使得钻杆接头可以保证钻杆在井下传递更大的扭矩而不发生失效。利用有限元软件建立了API标准接头和新型双台肩钻杆接头的有限元分析模型。由有限元计算结果可知,新型双台肩钻杆接头的抗扭能力明显高于API标准接头,可传递更大的扭矩。油田中应用也表明新型双台肩钻杆接头的性能优于API标准接头。

一种新型钻杆螺纹设计及应力分析

针对应力集中导致石油钻杆螺纹产生疲劳裂纹,进而发生断裂失效事故的问题,在API接头的基础上,研究开发了一种新型钻杆螺纹接头。该新型螺纹结构主要改进之处是内螺纹锥度保持1∶6不变,外螺纹锥度变为1∶6.23。有限元分析结果表明,这种螺纹形式显著改善了接头受力情况,使得螺纹应力分布更加均匀,并降低了主台肩过渡圆角处的应力集中。对样品的上扣试验结果表明,采用新型螺纹后,外螺纹接头主台肩底部的过渡圆角处应力集中情况也得到明显改善,接头整体受力分布和不同区域应力差更趋平缓,降低了螺纹前几牙及主台肩过渡圆角处的应力集中情况,可大大延长接头使用寿命。

Ф101mm非标钻具及工具在苏里格气田的应用

鉴于API标准S135钢级Ф88.9和Ф101 mm钻杆均不能适应以深井、大位移井为主的苏里格气田的施工要求,推广应用了非标钻具进行施工。推广措施包括非标螺纹钻具设计和配套工具的改进。钻杆接头选用双台肩非API标准螺纹ST39,锥度为1∶12。将吊卡台肩上部开口直径改为127 mm,高度不变。方钻杆采用107.95 mm非标四方钻杆。现场应用结果表明,研制的Ф101mm非标钻具及配套工具管体和接头的抗拉、抗扭强度较API标准螺纹更加合理,更加符合长水平段水平井钻井施工要求。

气密钻杆接头受力分析与紧扣圈数优选

对于带金属锥面密封结构的双台肩钻杆接头受力分析的报道较少,为此分析了接头在不同紧扣圈数及拉伸载荷作用下的受力情况,同时建立了相应的力学模型,并通过有限元仿真验证了模型的可靠性。计算结果表明,合理的紧扣圈数显著提高了接头的密封性能,能有效降低拉伸载荷作用下螺纹牙轴向载荷增长幅值,延长接头的使用寿命。研究结果可为带金属密封结构的双台肩钻杆接头的受力分析及紧扣圈数的优选提供参考。

适用于弯曲井段的高效密封钻杆接头研究

API标准钻杆接头的应力极值较大,应力集中现象比较严重,容易发生疲劳失效,为此设计了新型钻杆接头结构。在准确测定摩擦因数的基础上,利用有限元分析软件MSCMarc对2种结构的钻杆接头在受扭矩、扭矩+拉伸载荷及扭矩+压缩载荷作用下产生的不同变化进行了比较分析。结果表明,新型结构在保持与普通API接头具有相当的连接强度时,还显著提高了接头的抗扭性能,而且其密封性能优于API标准接头,不容易发生胀扣和刺漏等失效事故;与API标准钻杆接头相比,新型结构更适用于大扭矩、弯曲载荷的高压及超高压等复杂的油气井中。

一种新型钻铤接头应力减轻结构的效果分析

石油钻铤失效事故大多发生在外螺纹接头靠近台肩处的最末啮合扣位置,而疲劳断裂与断裂处的应力水平有很大关系,应力水平越高,越容易发生疲劳断裂。因此,如何减小钻铤接头的局部应力集中、改善应力分布,一直是研究的热点问题。在API应力减轻结构的基础上,设计了一种新型应力减轻结构,并进行了实际应用。在考虑摩擦因数的前提下,利用有限元方法,对该新型结构进行了详细分析,对比了API接头、API应力减轻结构和该新型结构的效果,分析了3种结构在台肩面、螺纹牙上的应力分布以及台肩面上的接触力分布。结果表明,该新型结构可以有效地减小钻铤接头局部应力峰值,改善接头的应力分布,从而为改进钻铤接头设计、提高钻铤寿命提供了参考。

钻杆接头螺纹卸扣扭矩影响因素研究

研究钻杆接头上扣/卸扣扭矩的计算方法;根据计算公式,总结影响钻杆接头螺纹卸扣扭矩的因素;提出提高卸扣扭矩的建议。分析认为:卸扣扭矩与上扣扭矩的比值R与螺纹导程有直接关系,同样尺寸结构设计的多线螺纹比单线螺纹的卸扣扭矩小;可通过减小螺纹导程、增加辅助扭矩结构、提高螺纹脂摩擦因数和优化锥度等手段,提高钻杆接头螺纹卸扣扭矩;建议特殊接头螺纹的导程扭矩占比不高于0.16,R≥0.68。

钻具螺纹表面镀镍钨合金的应用研究

钻具接头失效大多发生在螺纹表面,对螺纹表面镀铜、磷化处理能有效缓解螺纹粘扣,但镀铜、磷化工艺污染严重,为此,在钻具接头螺纹表面制备镍钨合金镀层,研究了表面镀镍钨合金对钻具螺纹性能的影响。试验表明:镍钨合金镀层显微硬度在700~900 HV_(1 N),为基体材料硬度的2~3倍。镍钨合金镀层厚度在螺纹的牙顶面、牙侧面和牙底面依次降低,呈不均匀分布,对螺纹牙工作时的啮合度有不利的影响;镍钨合金镀层接头在前3次上卸扣试验中发生表面损伤。疲劳寿命试验结果发现镍钨合金镀层试样的疲劳寿命为对照组试样的20%左右。分析认为镍钨合金镀层的非晶结构明显提高了镀层硬度,但塑性变形能力差,降低了材料的疲劳性能,镀层厚度的不均匀导致接头严重粘扣。

套铣钻杆接头螺纹断裂分析与有限元模拟

为了确定某油田在一次套铣作业时NC31(LH)钻杆外螺纹接头断裂的原因,对断裂钻杆接头的断口宏观、微观形貌、化学成分、力学性能和金相组织等进行了试验分析,并用管柱拉扭复合载荷图及有限元分析方法,对断裂失效的钻杆管体及接头的性能进行相关计算。分析结果表明,断裂钻杆化学成分与力学性能合格;断裂原因为套铣作业时,井底钻柱承受超载扭矩,在轴向拉伸与井底扭矩的共同作用下,外螺纹接头发生过载断裂失效。