非API 鉆鋌螺紋強(qiáng)度分析

趙旻昕

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引 言

鉆鋌主要用來給鉆頭提供鉆壓，使鉆桿處于受壓狀態(tài)，并以其較大的剛度扶正鉆頭，保持井眼軌跡。普通鉆鋌為光滑的厚壁圓管，兩端加工有連接螺紋;但在特殊情況下，需要將鉆鋌連接螺紋扣形進(jìn)行改動(dòng)，以滿足使用要求。在石油鉆井過程中，鉆鋌承受非常復(fù)雜的載荷，鉆鋌接頭幾乎同時(shí)承受內(nèi)壓、外壓、軸力、彎矩和扭矩的作用，在鉆井過程中因泥漿的循環(huán)和鉆柱的振動(dòng)使得這些載荷都屬于動(dòng)載，在這些復(fù)雜載荷作用下，鉆鋌連接處有可能失效，因此常需要對其進(jìn)行校核。符合API 規(guī)范鉆鋌的各項(xiàng)指標(biāo)，比如彎曲強(qiáng)度比，最小上扣扭矩，允許狗腿度等可以通過鉆井工具手冊查到，而非API鉆鋌沒有手冊可查，為保證非API 鉆鋌在允許的條件下正常工作，需要對其彎曲強(qiáng)度比等進(jìn)行強(qiáng)度校核。特別是隨著隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)的研制，比如電磁波隨鉆和電阻率隨鉆測量系統(tǒng)等，為滿足儀器使用要求，時(shí)有改變鉆鋌的尺寸以及螺紋扣型，這樣就會削弱鉆鋌的連接強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)引起鉆鋌事故。因此，對非API 鉆鋌進(jìn)行強(qiáng)度校核對減少鉆井事故的發(fā)生有重要意義。根據(jù)對以往API 鉆鋌文獻(xiàn)的研究，本文總結(jié)了非API 鉆鋌的強(qiáng)度校核方法。

1 基本模型及受力分析

非API 標(biāo)準(zhǔn)的鉆鋌連接模型如圖1 所示，假設(shè)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，鉆鋌外徑和內(nèi)徑需要改變，錐螺紋根據(jù)設(shè)計(jì)要求(比如連接螺紋噴涂絕緣層)需要改變螺紋尺寸。

圖1 基本模型

圖1 中，d1為內(nèi)螺紋大端直徑，mm;d2為鉆鋌內(nèi)徑，mm;d3為外螺紋末端Ab處的內(nèi)螺紋牙底直徑，mm;d4為距離臺肩面3/8 in(AB)處內(nèi)螺紋錐孔直徑，mm;D1為鉆鋌外徑，mm;D2為距離臺肩面3/4 in(AP)處外螺紋牙底直徑，mm。(1 in=25.4 mm)

1.1 非API 標(biāo)準(zhǔn)鉆鋌的彎曲強(qiáng)度比校核

式中:Zb、ZP為內(nèi)、外螺紋接頭的截面模數(shù)。

由于鉆鋌內(nèi)螺紋外徑比外螺紋大徑磨損要快得多，這就會使抗彎強(qiáng)度比不斷下降。當(dāng)抗彎強(qiáng)度比小于2時(shí)，鉆鋌內(nèi)螺紋就會出現(xiàn)問題，比如內(nèi)螺紋脹大、開裂或螺紋最后一牙出現(xiàn)疲勞裂紋等。當(dāng)增大到3.2:1 以上時(shí)，可能引起外螺紋斷裂。從(1)式中可以看出彎曲強(qiáng)度比值表明了母扣和公扣的強(qiáng)度或壽命的相對值，其大小主要取決于接頭內(nèi)、外徑和連接螺紋的尺寸。各油田地層巖性不一，鉆鋌磨損情況也不盡相同。因此，適用于某一油田的鉆鋌最小抗彎強(qiáng)度比，對于其他油田不一定適用，各油田應(yīng)根據(jù)本地區(qū)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及其他一些條件來確定適用于本地區(qū)的抗彎強(qiáng)度比。

1.2 公接頭和母接頭危險(xiǎn)截面的控制

母扣壓縮面面積SB是緊扣后距臺肩面3/8 in(AB)處母扣斷面面積為:

公扣拉伸面面積SP是緊扣后距臺肩面3/4 in(AP)處公扣斷面面積為:

臺肩預(yù)緊力是由緊扣扭矩產(chǎn)生的，當(dāng)SB/SP為1 時(shí)，臺肩橫向應(yīng)力分布最理想。當(dāng)SB/SP大于1 時(shí)，緊扣后母扣強(qiáng)、公扣弱，臺肩面兩側(cè)的壓縮應(yīng)力值小于公扣上的拉伸應(yīng)力值。這種情況下，可以通過改變扣型來減小臺肩面，即不增加較大的拉伸應(yīng)力值，而增加較小的壓縮應(yīng)力值，使得臺肩壓緊負(fù)荷增加。當(dāng)SB/SP小于1 時(shí)，緊扣后母扣弱，公扣強(qiáng)，臺肩面兩側(cè)的壓縮應(yīng)力值大于公扣上的拉伸應(yīng)力值，這種情況下，可以通過改變扣型來增大臺肩面，即不增加較大的壓縮應(yīng)力值，而增加較小的拉伸應(yīng)力值，使得臺肩壓緊負(fù)荷增加［2、3］。

1.3 最小上扣扭矩的計(jì)算

因?yàn)榕_肩面是鉆鋌螺紋唯一的密封面，只有在足夠的負(fù)荷下，才能保證鉆鋌的密封性能，也不會因臺肩面分離而導(dǎo)致疲勞應(yīng)力陡升。鉆鋌螺紋臺肩負(fù)荷是由緊扣扭矩作用產(chǎn)生的，根據(jù)API RP 7G 推薦旋轉(zhuǎn)臺肩連接上扣扭矩公式［4］為:

式中，

T 為最小上扣扭矩(N·m);p 為螺距(mm);f 為摩擦系數(shù)(0.08);θ 為螺紋牙半角(°);Rt為螺紋牙平均半徑(mm);RS-臺肩接觸面的平均半徑(mm);S 為鉆鋌危險(xiǎn)截面面積(mm2);(取SB和SP較小值);σt為截面應(yīng)力(MPa);API 連接(正規(guī)型、數(shù)字型、貫眼型和內(nèi)平型)為431 MPa;2連接為603 MPa;H90 連接為387 MPa)。

上式中除了T、σt、f 以外，其余參數(shù)均為螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)。在實(shí)際使用中，可變的也只有T、σt、f。如果按照標(biāo)準(zhǔn)的API 緊螺紋扭矩值T 緊螺紋，使用的螺紋潤滑脂的摩擦系數(shù)f 若大于標(biāo)準(zhǔn)值，則臺肩負(fù)荷F 就會小于標(biāo)準(zhǔn)值，在臺肩接觸面上不能產(chǎn)生足夠的彈性變形，不能形成足夠的液力密封，可能導(dǎo)致螺紋刺漏等失效。若f 小于標(biāo)準(zhǔn)值，則臺肩負(fù)荷F 就會大于標(biāo)準(zhǔn)值，如此以來，在臺肩接觸面上將產(chǎn)生一定的塑性變形，也不能形成足夠的液力密封，導(dǎo)致螺紋刺漏等失效。因此，選用適當(dāng)?shù)穆菁y潤滑脂，涂滿在連接螺紋和臺肩面上。推薦的螺紋脂是含有40% ～60%(重量百分比)金屬鋅粉末或者含有60%(重量百分比)鉛粉末、活性硫含量不超過0.3%的螺紋脂。

1.4 鉆鋌最大狗腿度計(jì)算

對狗腿度(全角變化率)定義為“單位井段長度井眼軸線在三維空間的角度變化”，而單位井段長度取決于生產(chǎn)實(shí)際中測斜需要。它既包含了井斜角的變化又包含著方位角的變化。常用“°/30m”表示。井眼全角變化率引起的管桿彎曲，降低了管桿的自由度，將發(fā)生應(yīng)力的集中釋放，使固定閥在下沖程中有開啟過程，造成漏失，降低了泵效。井的全角變化率過大會增加鉆井和采油作業(yè)的困難，易導(dǎo)致井下事故。

設(shè)井眼狗腿度為β(°/30m)，則鉆鋌上的最大應(yīng)力為［5］:

式中，E 為鉆鋌材料彈性模量;D1為鉆鋌外徑;k 為螺紋應(yīng)力集中系數(shù)(可根據(jù)neuber 法計(jì)算彎曲載荷作用時(shí)內(nèi)螺紋和外螺紋的應(yīng)力集中系數(shù))。

假設(shè)最大應(yīng)力達(dá)到材料屈服極限，σmax= σs，則井眼最大狗腿度為:

假設(shè)鉆鋌允許狗腿度γ，n 為設(shè)計(jì)安全系數(shù)，則鉆鋌允許的最大狗腿度:

2 算例

以隨鉆測量儀器用的鉆鋌為例，已知鉆鋌外徑D1=71 mm，內(nèi)徑d2=30 mm，材料為QBe2，API 推薦的連接螺紋無法使用，需要根據(jù)鉆鋌實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)螺紋。

首先根據(jù)鉆鋌內(nèi)徑和外徑確定合適的螺紋牙型、錐度、螺距等參數(shù)，參見圖2，計(jì)算得出基面中徑C =53.817 mm，外螺紋長度Lpc=65 mm，距離臺肩面3/4 in處外螺紋牙底直徑D2=50.26 mm，內(nèi)螺紋大端直徑d1=59.2 mm，外螺紋末端處的內(nèi)螺紋牙底直徑d3=49.1 mm;距離臺肩面3/8 in 處內(nèi)孔直徑d4=59.1 mm，螺距p=6.35 mm，摩擦系數(shù)f = 0.08 ，螺紋牙半角θ = 30° ，螺紋平均半徑Rt=24.9 mm，臺階接觸的平均半徑RS=32.55 mm，鉆鋌臺肩面應(yīng)力σt=431 MPa。

圖2 螺紋牙型和錐度

鉆鋌的彎曲強(qiáng)度比

彎曲強(qiáng)度比1.9 ≤BSR = 2.5 ≤3.2 ，在彎曲強(qiáng)度比的許可變化范圍內(nèi)且接近2.5:1，避免了早期失效。

母扣壓縮面面積SB為:

公扣拉伸面面積SP為:

則SB/SP= 0.95 接近于1，臺肩橫向應(yīng)力分布較為合理。

鉆鋌最小上扣扭矩:

只要上扣扭矩滿足鉆鋌的最小上扣扭矩，即可保證鉆鋌的密封和連接強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

在設(shè)計(jì)非API 鉆鋌時(shí)，為保證鉆鋌具有較高的強(qiáng)度和使用壽命，需要對鉆鋌進(jìn)行分析計(jì)算。通過分析得出以下結(jié)論:(1)首先是鉆鋌的彎曲強(qiáng)度比校核，大小主要取決于接頭內(nèi)、外徑和連接螺紋尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使彎曲強(qiáng)度比接近2.5:1，實(shí)現(xiàn)接頭的平衡連接，避免早期失效;(2)公接頭和母接頭危險(xiǎn)截面之比應(yīng)越接近1 越合理;(3)由于鉆鋌尺寸和螺紋尺寸的改變，需要計(jì)算鉆鋌的最小上扣扭矩，保證臺肩面有足夠的預(yù)緊力，只有在足夠的預(yù)緊力下，才能保證鉆鋌的密封性能;(4)通過計(jì)算非API 規(guī)范鉆鋌允許的最大狗腿度，為在鉆井過程中減少井下事故提供參考。

［1］杜曉瑞. 鉆井工具手冊［M］. 北京:石油工業(yè)出版社，2000，1.

［2］吳永澤，歐陽奘孺.如何合理選擇鉆鋌扣型［J］. 石油鉆采工藝，1985，7(5):39 -44.

［3］屈 展，王建軍.石油鉆鋌接頭受力與彎曲強(qiáng)度比關(guān)系討論［J］. 寧夏工學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，59 -62.

［4］美國石油學(xué)會.API RP 7G 鉆柱設(shè)計(jì)與操作限度的推薦作法［S］. 北京:石油工業(yè)出版社，1995.

［5］王建軍，張紹槐，狄勤豐.鉆柱抗彎強(qiáng)度分析［J］. 西安石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1995，(2):29 -31.