钻铤螺纹断裂失效分析及结构改进措施

钻铤螺纹断裂是钻铤失效的主要原因,在整个钻铤失效中占比较大,根据螺纹断口分析,疲劳是导致螺纹联接失效的主要原因。分析了螺纹轴向载荷分布,使用Solidworks软件建立了钻铤NC50螺纹联接模型,用有限元法分析了各螺纹的静应力分布。应力槽可以很好地解决螺纹应力集中的问题,但是会大幅度减少钻铤的使用寿命。通过改进应力槽的结构,并使用有限元分析了各螺纹的应力分布,有效地降低螺纹应力集中,且可以延长钻铤使用寿命。针对内螺纹后孔结构的缺陷,改进了后孔的尺寸,提高了螺纹联接的强度。结果表明,改进后的钻铤螺纹自使用以来没有出现断裂事故,成功解决了钻铤疲劳断裂的难题。

典型载荷下钻具接头螺纹强度分析

钻具接头在使用中存在连接强度不够和抗扭性能不足等问题,进而易发生黏扣、胀扣、滑脱以及断裂等故障。采用ABAQUS有限元模拟方法对不同钻具螺纹形式,在上扣扭矩载荷或复合载荷(拉伸、扭转、弯曲)作用下进行强度分析;同时对某井失效钻铤样品进行宏观形貌、理化性能、微观形貌及弯曲强度比等分析。分析结果表明:钻具接头螺纹在上扣扭矩(25.79 kN·m)或复合载荷作用下,靠近台肩处螺牙应力水平较高,长期井下使用易对接头造成破坏;螺纹锥度、长度的变化将对接头连接强度产生较大不利影响,而应力减轻结构对于提高接头强度、延长钻具使用寿命具有显著意义。失效钻铤分析结果同样表明,在使用过程中钻铤螺纹选用不合理,导致螺纹型式不匹配,从而产生应力集中,造成钻铤接头螺纹断裂。研究结果可为钻具螺纹的合理使用提供理论依据。

某随钻测井仪钻铤接头内螺纹裂纹失效分析

某随钻测井仪作业后发现钻铤接头内螺纹存在裂纹,造成该仪器无法作业;通过断口微观形貌分析、能谱分析、化学成分分析、硬度检验、金相组织分析来综合确定裂纹的产生机理并提出预防措施。分析结果表明:在腐蚀环境和复杂应力条件下,接头内螺纹裂纹始于齿顶侧壁的凹坑,开裂形式为穿晶解理断裂,兼具腐蚀疲劳断裂与应力腐蚀开裂;且钻铤材质沿晶界存在较多的沉淀,导致腐蚀敏感程度增加,也是裂纹产生机理之一。

钻铤螺纹连接疲劳失效研究

钻铤螺纹连接失效是钻铤失效的主要形式,在整个钻具失效事故中占很大比重。从分析螺纹载荷分布和螺纹应力分布入手,得出造成钻铤螺纹连接疲劳失效的原因是螺纹连接载荷分布极不均匀和应力局部集中,并据此提出了通过降低啮合区螺纹牙高度和采用不同摩擦系数的螺纹脂使载荷分布更合理、加工应力减轻槽改善应力分布和对螺纹表面进行处理预防钻铤连接疲劳失效的工艺技术措施。

气体钻井API钻铤螺纹多轴疲劳寿命研究

据现场钻具失效统计,气体钻井在大钻压作用下,常发生钻铤螺纹疲劳断裂失效。因此,引入多轴疲劳强度理论到气体钻井钻铤疲劳寿命研究,借助Pro/E软件建立API钻铤螺纹三维实体模型,并在气体钻井钻铤螺纹模型计算结果的基础上分析了API钻铤螺纹的应力分布规律,根据多轴疲劳寿命理论预测得到气体钻井钻铤螺纹的疲劳寿命值约为2×105次。研究结果为气体钻井API钻铤螺纹快速失效机理研究提供了参考。

钻铤螺纹应力分析及结构优化

在钻井过程中,经常发生下部钻具组合断裂失效事故,其主要失效部位是在钻铤薄弱部位——螺纹连接处,由于螺纹类型复杂,过渡部位易发生应力集中,造成钻具疲劳断裂破坏。针对钻铤断裂事故,建立了常规钻铤螺纹连接部位3种螺纹类型的有限元模型,并采用线弹性有限元方法分析了不同模型在不同钻压条件下的应力分布情况,同时对使用API标准应力减轻槽的钻铤螺纹连接部位进行了结构优化设计。在设计中以螺纹连接处两个过渡圆角半径R1、R2为设计变量,分析了在一定条件下不同尺寸的R1、R2所对应的螺纹连接处应力分布情况。对比分析可知,在满足钻铤强度条件下,改进的螺纹应力减轻槽可有效降低螺纹连接处的应力集中水平,从理论上说明该方法是可行的。

双台肩技术在小尺寸钻铤上的应用研究

对塔里木油田120.65 mm(43/4英寸)钻铤断裂频繁的米兰1井和哈6井进行了分析,认为在超深井小井眼钻进中提高钻铤螺纹抗扭强度是预防钻铤失效的关键。对120.65 mm(43/4英寸)钻铤NC35螺纹加工LE螺纹、应力槽、双台肩后进行了实物抗扭性能试验,证实双台肩钻铤具有很好的抗扭性能。有限元计算表明,双台肩螺纹具有较低应力水平。根据现场使用效果分析,双台肩技术的使用有效地降低了钻铤断裂失效数,值得在小尺寸钻具上推广应用。

钻铤粘螺纹原因分析及试验研究

对钻铤粘螺纹事故进行了调查研究,并进行了宏观形貌和材质分析;对新钻铤材质和螺纹参数进行了检验,并采用不同旋螺纹扭矩对新钻铤试样进行了上卸螺纹试验。通过试验分析,认为钻铤材质和螺纹加工质量合格,钻铤粘螺纹与钻铤材质和加工质量无关,其主要原因是井队操作不当所致。

钻铤连接螺纹断裂失效分析及结构优化

针对钻铤断裂事故,建立了2种普通API钻铤螺纹连接部位的有限元模型,并用有限元方法分析了不同模型在不同钻压条件下的应力分布情况,同时对API标准应力减轻槽的钻铤公头螺纹连接部位进行了结构优化。以公头螺纹连接处2个过渡圆角半径R1、R2为设计变量,分析了在一定条件下不同尺寸的R1、R2所对应的螺纹连接处应力的分布情况,改进的螺纹应力减轻槽可有效降低螺纹连接处的应力集中水平,并成功解决了库尔德地区钻铤螺纹断裂失效事故。

钻铤内螺纹接头横向开裂失效分析

某井发生钻铤内螺纹接头横向开裂失效。进行了宏观分析、力学性能测试、化学成分分析、金相组织和微观断口分析,结果表明,钻铤材料中MnS夹杂物超标,螺纹底部和牙侧存在腐蚀坑和加工划痕,这些缺陷的存在降低了钻铤的服役能力;钻铤接头应力减轻槽加工不符合标准要求,致使内螺纹接头螺尾根部成为螺纹连接的薄弱部位,在交变应力作用下,应力集中的螺尾根部萌生裂纹并疲劳扩展,导致钻铤接头横向开裂。

深井中钻铤螺纹联接的强度研究

改进了文献〔１〕中的理论模型并利用一种修正的弹簧模型，通过对石油钻柱接头螺纹的受力分析，分别建立了上扣扭矩、轴向外载作用下螺纹载荷分布的计算模型，详细分析了螺纹载荷分布规律，指出了螺纹锥度、不同润滑脂的润滑所产生的摩擦系数、螺纹牙的弹性系数对螺纹联接的载荷分布规律的影响关系，给出了改善接头受力状态、减小应力集中的主要措施。还通过一种简单的力学模型得到了螺纹联接的极限轴向外载。

有限元法在钻铤螺纹结构优化中的应用

在空气钻井中,经常发生由钻铤螺纹断裂引起的下部钻具组合失效事故。在现场资料分析基础上,运用UG软件建立了钻铤螺纹联接模型,然后通过有限元软件分析了钻铤螺纹应力分布,得出了钻铤螺纹在不同工况、结构条件下的等效应力分布情况,并对钻铤螺纹结构优化设计过程进行了相应说明。通过算例分析,得出了应力减轻槽的过渡圆角R1=8 mm,R2=15 mm为最优值。

高强度钻铤螺纹的研制及应用

在分析钻铤螺纹失效部位及原因的基础上，研制了高强度钻铤螺纹，它与普通钻铤螺纹相比，只是在外螺纹小端增加了一段光平的锥体。当钻铤上扣到规定扭矩时形成第二台肩，第二台肩和第一台肩同时顶紧，螺纹最小截面积可增加４３％，增加了螺纹承载能力。现场使用表明，使用高强度钻铤螺纹是延长钻铤寿命、减少井下事故的一种有效措施。

新型石油钻铤联接螺纹减应力区的研究

石油钻铤联接螺纹失效是钻具失效的主要形式。钻铤联接螺纹疲劳失效是由于交变弯曲应力引起的 ,这些交变应力集中在联接螺纹消失处附近。减少联接螺纹弯曲应力可以延长钻具联接螺纹的疲劳寿命。文章提出并研究了一种新的钻铤联接螺纹减应力区 ,它是通过在钻铤本体上设置减应力区 ,来解决钻铤联接螺纹疲劳失效问题。与以前减应力区不同的是 ,新的减应力区轮廓线为连续的光滑的二次曲线、圆弧线、抛物线和椭圆线。这可以避免在减应力区出现应力集中和出现“细脖子”现象。并且这些曲线在机械加工上是可行的。用有限元法优化了减应力区的几何形状 ,分析了减应力区的开口位置、开口深度和开口宽度等几何参数对应力释放效果的影响。并对减应力区的强度进行了分析。

高抗扭强度钻铤螺纹设计及有限元分析

研制的高抗扭强度钻铤螺纹与API标准钻铤螺纹相比,只是在外螺纹小端增加了一段光滑的圆柱面。该结构可在达到上扣扭矩时,使螺纹内、外台肩同时顶紧,形成2道密封面,不仅增加了螺纹的受力截面积,而且提高了钻铤螺纹连接强度和抗扭强度,大大降低了密封面发生刺漏的几率。有限元分析和现场使用表明,使用高抗扭强度钻铤螺纹是延长钻铤寿命、减少井下事故的一种有效措施。

钻铤螺纹清洗系统设计与应用

针对钻铤螺纹遭受较为严重的污垢腐蚀问题,采用高压水射流原理,设计了钻铤螺纹清洗系统。介绍了系统的组成和工作原理。现场使用表明:该系统能有效避免有害物质对钻铤螺纹的腐蚀破坏,提高了钻铤检验质量和效率,改善了工作环境,减轻劳动强度,取得了较好的经济和社会效益。

钻铤螺纹接头上卸扣过程力学分析

摩擦因数是螺纹接头上卸扣过程中非常重要的参数之一。应用有限元软件对不同摩擦因数下的螺纹接头上扣和卸扣过程分别进行了建模计算,主要观察螺纹接头表面各个区域的受力状况,对受到接触应力较大的台肩面和螺纹牙扣进行重点分析。由于接触应力是导致螺纹接头发生粘扣等失效的直接原因,通过有限元模拟得到的结果可以用来指导实际上卸扣过程。

石油钻铤接头螺纹磷化处理装置研究

针对石油钻铤接头螺纹磷化现状和需求,对一种全封闭式循环磷化处理装置的实现方案、自动控制等关键技术进行了详细的研究与设计。该系统为全封闭结构,采用脱脂除锈液、表调液、磷化液、钝化液、清洁液等各种工艺液体连续循环;磷化效率高,磷化质量可靠;能减少对环境的污染;磷化液不易被污染,使用寿命长;药品利用率高,磷化成本低,对操作人员身体无损伤。采用PLC可编程控制器实现装置中加热器、电机、阀门等的自动控制,自动化程度高,操作简单、可靠。通过改变PLC程序,可适应不同的磷化工艺,灵活方便,有利于磷化工艺的优化设计,具有广阔的应用前景。

钻铤螺纹加工工艺的研究

针对钻铤接头螺纹的抗粘扣性和预防螺纹粘扣问题,展开对钻铤材料的硬度和钻铤锥螺纹加工工艺的研究。首先,为保证钻杆接头强度与硬度的对应性,确定钻杆接头的最低检验硬度为HB295,然后制定标准锥螺纹加工尺寸图纸,最后从工件的装夹、螺纹刀杆的校正、加工工艺的重新制定进行了研究。通过对井场试验结果及使用情况分析,所有的新加工钻铤没有发生过粘扣现象。实践表明,重新制定的加工工艺有效避免了粘扣现象的发生。该研究具有一定的工程实际应用价值。

钻铤螺纹粘扣失效有限元分析

钻铤在井眼中受力复杂,在正常的旋转钻井过程中要承受预紧、拉压、扭转、弯曲、内外压力等多种静载荷或动载荷,此外,还要受到钻井液和地层介质的腐蚀作用。因此钻铤失效事故频繁发生,严重地影响了钻井工程的正常进行。钻铤螺纹粘扣是主要失效形式之一,本文建立了普通API钻铤螺纹连接部位的有限元模型,并用有限元方法分析了在不同钻压条件下的应力分布情况,确定了引起这种失效形式的主要因素是由于井深加大产生的压载不断增大。在钻铤材料确定的情况下,只能通过提高钻铤本身抗粘扣性能来避免发生这种失效。