隨鉆測井儀器艙體的強度校核方法

李鐵軍，史宏江，楊文景，閆國興，王海森

（中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院 北京石油機械廠，北京100083）

隨鉆測井儀器艙體的強度校核方法

李鐵軍，史宏江，楊文景，閆國興，王海森

（中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院 北京石油機械廠，北京100083）

隨鉆測井儀器在鉆井過程中受到多種交變載荷共同作用，用傳統(tǒng)強度校核方法難以計算儀器艙體的強度。以某型隨鉆測井儀為例，介紹了基于有限元的儀器艙體強度校核方法。該方法通過分析載荷特性和約束情況，利用有限元數(shù)值模擬方法建立儀器艙體受力模型，分析應(yīng)力分布情況。分析結(jié)果表明：該儀器艙體最大應(yīng)力小于材料的屈服強度，滿足鉆井工況要求，為該儀器艙體的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。

隨鉆測井儀；艙體；強度；有限元分析

隨鉆測井儀器中安裝有若干傳感器、電路和電池等，需在儀器艙體上沿圓周方向加工各種溝槽，在很大程度上削弱了儀器艙體的抗彎、抗扭及抗拉強度［1-2］。儀器艙體在整個鉆具組合中是一個比較薄弱的環(huán)節(jié)，一旦失效就會造成嚴(yán)重的井下事故。因此，在井下儀器艙體設(shè)計時有必要模擬實際工況，對儀器艙體進行強度校核，確保設(shè)計強度滿足使用要求。

1 儀器艙體的強度校核

在定向鉆進和復(fù)合鉆進過程中，隨鉆測井儀器的艙體在多種交變載荷共同作用下，受彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸、振動、高溫、高壓等多種因素的影響，如果設(shè)計強度不滿足使用要求，可能發(fā)生儀器艙體與鉆桿連接螺紋斷裂、艙體危險截面處扭斷等失效形式。

以某型隨鉆測井儀為例，介紹該儀器艙體的結(jié)構(gòu)強度校核方法。該儀器艙體結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照GB／T 24956—2010《石油天然氣工業(yè)鉆柱設(shè)計和操作限度的推薦作法》［3］進行連接螺紋抗扭能力計算，再應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對儀器在最大載荷工況（鉆壓100 k N，壓力140 MPa，轉(zhuǎn)矩12 000 N·m）下進行有限元分析。

圖1 某型隨鉆測井儀的艙體結(jié)構(gòu)

1.1 連接螺紋的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)

儀器艙體兩端連接螺紋均為3?2IF，公母螺紋外徑均為?120.65 mm，倒角處直徑為?118 mm。儀器艙體內(nèi)孔通徑?66 mm。儀器艙體材料為無磁鉆鋌管材，屈服強度為758 MPa，抗拉強度為965 MPa，4倍直徑標(biāo)距長度的最小伸長率13%，材料最小硬度285 HB。由API SPEC 7（FORTIET H EDITION）10.2表得到3?2IF螺紋參數(shù)如表1～2所示。

表1 3?2IF螺紋參數(shù)

表2 3?2IF牙形參數(shù) mm

1.2 連接螺紋轉(zhuǎn)矩計算

螺紋端部臺肩平均接觸半徑：

Rs＝（OD＋Qc）／4＝（120＋103.58）／4＝56.058 mm

式中：OD為母螺紋外徑；Qc為母螺紋大端光孔直徑。

公螺紋基面以右的平均中徑之半：

式中：C為公螺紋基面中徑；Lpc為公螺紋長度；t pr為螺紋錐度。

距母螺紋端面9.525 mm處內(nèi)螺紋的環(huán)面積：

距公螺紋端面19.05 mm處的最小環(huán)面積：

式中：h2為螺紋牙底距中徑的距離；I D為公螺紋孔直徑。

可見Ab＜Ap，故該儀器艙體連接螺紋的薄弱環(huán)節(jié)在母螺紋處。

材料屈服強度σs＝758 MPa，螺紋預(yù)緊力值S＝σs／2＝379 MPa

旋轉(zhuǎn)臺肩連接螺紋的上緊轉(zhuǎn)矩：

式中：T為螺紋上緊轉(zhuǎn)矩；S為因轉(zhuǎn)矩T而產(chǎn)生的力；P為螺紋節(jié)距；Rt為公螺紋基面以右的平均中徑之半；Rs為螺紋端部臺肩平均接觸半徑；θ為螺紋牙形半角；f為摩擦因數(shù)；A為計算點截面積，A＝min｛Ap；Ab｝，Ap為距公螺紋臺肩19.05 mm 處的最小環(huán)面積，Ab為距臺肩9.525 mm處母螺紋的環(huán)面積。

由GB／T 24956—2010《石油天然氣工業(yè)鉆柱設(shè)計和操作限度的推薦作法》，使旋轉(zhuǎn)臺肩連接屈服所需的轉(zhuǎn)矩：

式中：T為螺紋上緊轉(zhuǎn)矩。

因此在該儀器艙體實際鉆井應(yīng)用中，3?2IF螺紋上緊轉(zhuǎn)矩應(yīng)為11 462～22 924 N·m。

利用理論公式計算只能計算儀器艙體承受單一載荷作用的情況，對于復(fù)雜工況無法進行詳細(xì)校核。為了反映真實載荷作用情況，必須借助有限元軟件進行全加載分析，上述螺紋強度理論計算為儀器艙體強度有限元分析建立了邊界條件。

2 有限元分析

為校核該儀器艙體強度是否滿足實際鉆井工況需求，采用商業(yè)有限元分析軟件對儀器艙體進行了有限單元離散分析。儀器艙體最大載荷工況：鉆壓100 k N，壓力140 MPa，轉(zhuǎn)矩12 000 N·m。儀器艙體選用的材料為無磁鉆鋌管材，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.28，屈服強度為758 MPa。

2.1 實體建模與網(wǎng)格劃分

建立合適的儀器艙體實體模型是正確劃分有限元網(wǎng)格的基礎(chǔ)。建立實體模型時，應(yīng)根據(jù)儀器艙體的具體特征對形狀和大小進行必要的簡化處理，以提高網(wǎng)格劃分的成功率，同時減小工作量［4］。因此，刪除對分析結(jié)果影響較小的特征結(jié)構(gòu)，例如儀器艙體上的螺紋孔，艙體上的過線孔等。

儀器艙體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在縱向上存在較多的尺寸突變，對于重點部位關(guān)鍵截面網(wǎng)格劃分要更細(xì)，對于結(jié)構(gòu)單一處如艙體圓筒可以簡化單元數(shù)量［5］。為了提高計算精度，采用四面體單元網(wǎng)格進行劃分，共劃分單元1 351 351個，節(jié)點2 070 112個，單元劃分已足夠密集，滿足儀器艙體的應(yīng)力描述需求，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示：

圖2 儀器艙體網(wǎng)格劃分模型

2.2 載荷和約束分析

根據(jù)實際鉆井工況，模型的邊界條件設(shè)定為：儀器艙體公螺紋端固定，母螺紋端沿軸向施加100 k N鉆壓，12 000 N·m的轉(zhuǎn)矩，內(nèi)孔、外圓表面施加140 MPa的壓力。儀器艙體受力和約束情況如圖3所示。

圖3 載荷與約束模型

2.3 有限元計算結(jié)果

在施加最大載荷工況下，儀器艙體最大應(yīng)力為744.91 MPa，小于材料的屈服強度758 MPa，因此該儀器艙體設(shè)計滿足實際工況要求。儀器艙體等效應(yīng)力云圖如圖4所示，通過對應(yīng)力云圖分析可知，局部出現(xiàn)應(yīng)力集中異常點，這些異常點為計算時網(wǎng)格歧變導(dǎo)致不收斂情況可以忽略，儀器艙體兩端螺紋連接處應(yīng)力最高，為薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計以避免失效。

圖4 儀器艙體等效應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

1） 在實際鉆井工況中，測井儀的艙體承受多種交變載荷共同作用，利用有限元模擬實際工況能較好地預(yù)測該艙體的應(yīng)力狀態(tài)，從而為井下儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。

2） 公式計算與有限元相結(jié)合的方法為儀器強度校核提供了一個新的方法，該方法既可以彌補手工無法計算復(fù)雜截面的問題，也可以解決有限元分析特殊螺紋連接造型、網(wǎng)格劃分復(fù)雜計算誤差大的不足。

3） 通過有限元分析能夠有效指導(dǎo)設(shè)計人員對儀器艙體進行優(yōu)化設(shè)計，避免因強度不滿足要求而引起的井下事故。

4） 在儀器艙體出廠前，還應(yīng)在轉(zhuǎn)矩試驗臺上按最大載荷進行加載試驗，檢測儀器艙體強度。

［1］ 肖紅兵，馬哲，李閃，等.隨鉆自然伽馬井下測量儀器的研制［J］.石油儀器，2002，16（2）：15-17.

［2］ 姚文彬，李輝，尚捷，等.隨鉆自然伽馬測井儀研制［J］.電子測量技術(shù)，2013，36（6）：42-45.

［3］ GB／T 24956—2010，石油天然氣工業(yè)鉆柱設(shè)計和操作限度的推薦作法［S］.

［4］ 侯曉東，劉宏亮，左其川，等.連接方式對隔水管法蘭試壓應(yīng)力分布的影響［J］.石油礦場機械，2013，42（8）：8-13.

［5］ 彭旭，胡文禮，艾志久，等.軟硬交接地層導(dǎo)向孔鉆進軌跡預(yù)測［J］.石油礦場機械，2013，42（7）：19-22.

［6］ GB／T 22512.2—2008，石油天然氣工業(yè)旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備.第2部分：旋轉(zhuǎn)臺肩式螺紋連接的加工與測量［S］.

［7］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.4版.北京：高等教育出版社，2004.

Strength Check Method of Logging-While-Drilling Instrument Cabin

LI Tie-jun，SHI Hong-jiang，YANG Wen-jing，YAN Guo-xing，WANG Hai-sen
（BPM，CNPC Drilling Research Institute，Beijing 100083，China）

In the process of drilling，thelogging-while-drilling tool is under theinteraction of multiple alter nating load，t he traditional met hod is difficult to calculate t he strength whet her t he instr u ment cabin strength meets the drilling condition demand or not.In order to solve this problem，an instr u ment cabin is taken as an exa mple to intr oduce a kind of instr u ment cabin strengt h method based on finite element analysis.The method，based on the analysis of theinstr u ment cabin l oad characteristics and constrained conditions，using t he finite element nu merical si mulationtechnology to build t he instr u ment cabin stress model，analyzes the stress distribution of the instr u ment cabin.The analysis results show that the instr u ment cabin maxi mu m stress is less than t he yield strengt h of t he material and t he instr u ment cabin str ucture can satisf y t he drilling requirements.The analysis results provide a theoretical basis for theinstrument cabin structural design.

logging-while-drilling tool；instr u ment cabin；strengt h；finite element analysis

TE927.602

A

1001-3482（2014）06-0058-04

2013-12-17

國家科技重大專項“窄密度窗口安全鉆完井技術(shù)及裝備”（2011ZX05021-003）

李鐵軍（1980-），男，河北任丘人，碩士研究生，主要從事隨鉆儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計制造方面的研究，E-mail：349244627＠qq.com。