超深井小鉆工具接頭螺紋結(jié)構(gòu)研制與應(yīng)用

練章華梁紅軍施太和盧強王延民馮少波.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室；. 中石油塔里木油田公司

超深井小鉆工具接頭螺紋結(jié)構(gòu)研制與應(yīng)用

練章華1梁紅軍2施太和1盧強2王延民2馮少波2
1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室；2. 中石油塔里木油田公司

為適應(yīng)塔里木油田深井和超深井勘探與開發(fā)的惡劣工況，同時針對其深井、超深井小鉆工具的疲勞失效問題，研制了一種特殊螺紋（TMXT36）結(jié)構(gòu)的超深井小鉆工具，該特殊螺紋結(jié)構(gòu)減少了每英寸的牙數(shù)，加長了外螺紋接頭最末完全扣到外臺肩的距離，比常規(guī)的螺紋多設(shè)計了3扣，減小其剛性，增加了彈性，從而提高其抗疲勞壽命（2.5倍）；該螺紋結(jié)構(gòu)將扣根的最大應(yīng)力轉(zhuǎn)移到了接觸面較寬的螺紋導(dǎo)向面上，降低了螺紋根部的疲勞缺口敏感系數(shù)（3.5）。該特殊螺紋與油田現(xiàn)有的NC38、TX60和TH90螺紋有限元對比分析得出：TMXT36的應(yīng)力集中系數(shù)和其疲勞缺口敏感系數(shù)為最小，其抗疲勞壽命比其他螺紋接頭提高了2.5倍，其試制成品在塔里木油田得到了應(yīng)用和驗證。

超深井；小鉆工具；TMXT36螺紋；疲勞缺口敏感系數(shù)；有限元

ISO-10407-1（2004）［1］和API-RP-7G（1998）［2］規(guī)定的API NC型接頭及螺紋的根本弱點是扣根的圓角半徑0.965 2 mm，在不可避免的旋轉(zhuǎn)彎曲工況下，其應(yīng)力集中系數(shù)大，缺口敏感系數(shù)大。林元華（2005）［3］、陳勇（2006）［4-5］的研究結(jié)果表明：API減應(yīng)力槽不能從根本上解決疲勞斷裂問題。呂拴錄（2013）［6］、崔順賢（2010）［7］和王新虎（2007）［8］指出很多接頭都在外螺紋最末完全扣根處先發(fā)生疲勞裂紋，然后裂紋擴展，導(dǎo)致刺穿或斷裂。國外Michael（2010）［9］和Guillaume（2012）［10］等提到某些廠家認識到上述問題，在現(xiàn)有接頭螺紋中將API扣根圓角半徑改為雙圓弧半徑1.32 mm+1.52 mm，格蘭特也將其TT型螺紋扣根圓角半徑改為1.52 mm +1.65 mm雙圓弧半徑。這一設(shè)計使應(yīng)力集中系數(shù)和缺口敏感系數(shù)大幅度降低。再加上材料的少許改進，使其疲勞壽命比API NC型提高8～9倍。在提高鉆工具接頭螺紋結(jié)構(gòu)的抗疲勞壽命方面，國內(nèi)外學(xué)者林元華（2005）［3］、陳勇（2006）［4-5］、Michael（2010）、Guillaume（2012）以及Tomoya（2014）等對其開展了大量的實驗研究和理論研究［9-18］，其主要研究方向為鉆工具本身的材質(zhì)問題、螺紋結(jié)構(gòu)［4-5，9-11］以及Bailey（1998）［15］、Vaisberg（2002）［16］不同螺紋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中系數(shù)和缺口敏感系數(shù)等，從而為鉆工具接頭結(jié)構(gòu)的改進和提高其抗疲勞壽命提供了理論依據(jù)。在前人的研究基礎(chǔ)上，為提高塔里木油田深井、超深井小鉆工具的抗疲勞壽命，同時在國家重大專項（2011ZX05046）的資助下，研究設(shè)計和試制了接頭外徑為120.65mm的小鉆工具特殊螺紋結(jié)構(gòu)，并命名為TMXT36，滿足了塔里木油田深井、超深井的勘探與開發(fā)。

1 TMXT36螺紋有限元力學(xué)模型建立Building of finite-element mechanic model for TMXT36 screw

TMXT36牙型結(jié)構(gòu)見圖1所示，其創(chuàng)新結(jié)構(gòu)特征主要體現(xiàn)在：每英寸3牙，錐度為1∶16，牙側(cè)角為45°和30°，同時加長了外螺紋接頭最末完全扣到外臺肩的距離，比常規(guī)的螺紋多設(shè)計了3扣，減小其剛性，增加了彈性，從而提高其抗疲勞壽命。

圖1　TMXT36螺紋接頭牙型Fig.1 Teeth configuration of the TMXT36 screwed joint

根據(jù)文中研制的TMXT36螺紋結(jié)構(gòu)尺寸，研究中建立的TMXT36螺紋加長3扣螺紋的有限元力學(xué)模型見圖2所示。圖2中TMXT36 “加長3扣”是指外螺紋扣基面后有三牙“非嚙合扣”的結(jié)構(gòu)，目的是降低外螺紋扣大端剛度，改善應(yīng)力分布，降低應(yīng)力集中。圖2a中外螺紋接頭完全扣最末端到臺肩的距離為L，L比常規(guī)的螺紋接頭長度長2～4倍。

圖2　TMXT36加長扣有限元力學(xué)模型Fig.2 Finite-element mechanic model for the prolonged TMXT36 thread

模型中外臺肩AB和內(nèi)臺肩CD處承受上扣后的接觸壓力，分別為p1和p2，其數(shù)值大小可以用API標準RP7G的推薦理論計算公式——法爾公式計算出［1］。式中，p為臺肩之間的接觸壓力，kN，Tn為旋緊所需的扭矩，kN；h為螺紋的螺距，mm；Rt為螺紋的平均中間半徑，mm；f為螺紋臺肩接觸表面的摩擦因數(shù)；Rs為臺肩的平均半徑，mm；θ為螺紋牙型半角，°。

有限元模型中，外螺紋和內(nèi)螺紋之間為接觸邊界條件，由于螺紋接頭為回轉(zhuǎn)體，在軸向力作用下，可以簡化為軸對稱問題的力學(xué)模型，接頭上的鉆壓（軸向壓力）為T，接頭下部為軸向約束邊界。螺紋牙齒附近的網(wǎng)格劃分較密，其余地方較稀。

在外臺肩AB處外螺紋頂部和內(nèi)螺紋外臺肩的接觸面上是分別施加的一對作用力和反作用力p1，同樣在內(nèi)臺肩CD處的外接頭和內(nèi)螺紋接頭的接觸面上分別施加的也是一對作用力和反作用力p2，見圖2a所示。當模型上的壓力T=0時，即無軸向鉆壓，此時接頭內(nèi)的應(yīng)力全部由上扣扭矩所產(chǎn)生。

2 TMXT36螺紋接頭有限元結(jié)果分析Finite-element analysis results for the TMXT36 screwed joint

根據(jù)建立的有限元模型，用ANSYS軟件所計算出的結(jié)果分別見圖3和圖4所示。圖3a中可知，該結(jié)構(gòu)模型接頭內(nèi)的最大應(yīng)力主要發(fā)生在螺紋的兩端部，螺紋中間的應(yīng)力較小，從這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布大小來看，TMXT36加長3扣的結(jié)構(gòu)能更好地改善螺紋內(nèi)的應(yīng)力分布。且整個應(yīng)力分布中，最大主應(yīng)力沒有發(fā)生在扣根，而是轉(zhuǎn)移到了接觸面較寬的導(dǎo)向面上。

圖3　TMXT36接頭應(yīng)力及其螺紋面上壓力Fig.3 Stresses on the TMXT36 screwed joint and pressures on the screw surface

圖3b為該模型中螺紋承載面上的接觸壓力分布大小，該螺紋接頭總共有8個承載的接觸面，其接觸壓力的數(shù)值大小見圖4所示，圖4為不同位置螺紋上的接觸壓力分布。從這些曲線上可以看出第1牙和第8牙分別為螺紋兩端部的位置，這2個位置的平均接觸壓力最大，而中部第3牙～第6牙的接觸壓力最小，而且趨于相等。第2牙和第7牙接觸壓力為中等大小，因此螺紋的破壞或失效應(yīng)該首先發(fā)生在螺紋的兩端部。圖4中給出了T=0 kN、T=40 kN、T=100 kN的3條接觸壓力曲線，從這些曲線中可以看出，隨著軸向壓力T的增加，螺紋接頭內(nèi)的接觸壓力隨之減小，即抵消了部分上扣扭矩產(chǎn)生的接觸壓力。這就是為什么工程實際中必須對鉆具施加一定的上扣扭矩。

圖4　TMXT36螺紋承載面上平均接觸壓力曲線Fig.4 Average contact pressures on loading plane of TMXT36 screw

3 4種螺紋齒根應(yīng)力分析Stress analysis for the four screw teeth roots

3.1齒根有限元力學(xué)模型

Finite-element mechanic model for the four teeth roots

為進一步研究TMXT36螺紋結(jié)構(gòu)，首先對TMX T36和另外3種螺紋結(jié)構(gòu)TX60、NC38和TH90共4種螺紋進行了有限元數(shù)值模擬研究，并系統(tǒng)地分析其齒根的應(yīng)力分布、應(yīng)力集中系數(shù)Kt和缺口疲勞敏感系數(shù)Kf。

有限元力學(xué)模型如圖5所示，其齒根局部放大的有限元實體模型見圖6所示，其齒根部基本結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)見表1。圖5中各模型的EF端固定約束，CD端施加拉力σ0，在拉力σ0的作用下，在齒根A附近將產(chǎn)生的最大彈性應(yīng)力為σmax，根據(jù)（2）式的定義可得其應(yīng)力集中系數(shù)Kt。

圖5　4種螺紋齒根有限元力學(xué)模型Fig.5 Finite-element mechanic model for the four screw teeth roots

表1　4種螺紋齒根結(jié)構(gòu)尺寸mmTable 1 Dimensions of the four screw teeth roots

圖6　齒根結(jié)構(gòu)局部放大圖Fig.6 Amplified local structure of teeth roots

3.2齒根附近的應(yīng)力分析

Analysis for stresses in vicinity of teeth roots

在力學(xué)模型圖5中施加σ0=400 MPa，在4種模型中齒根附近的Von Mises應(yīng)力分布結(jié)果見圖7所示，4種齒根A附近均進入了塑性變形，即圖中紅色區(qū)為塑性變形區(qū)，塑性區(qū)域主要發(fā)生在距齒根0.5 mm的范圍內(nèi)，當超過0.3 mm后沿AB上的應(yīng)力均為彈性應(yīng)力，因此齒根附近的應(yīng)力最大，均超過σ0名義應(yīng)力400 MPa。

圖7　4種螺紋齒根應(yīng)力等值線分布（σ0=400 MPa，圖中紅色為塑性區(qū)）Fig.7 Distribution of stress contour for four screw teeth roots （σ0=400 MPa， with the plastic zones highlighted in red）

由于應(yīng)力集中系數(shù)Kt是定義為彈性范圍內(nèi)的最大彈性應(yīng)力與名義應(yīng)力之比值，因此在力學(xué)模型5a、b和c中施加σ0=150 MPa的名義拉力，則4種螺紋從齒根開始沿AB路徑上的應(yīng)力分布曲線見圖8所示。

圖8　4種螺紋AB路徑的應(yīng)力分布曲線Fig.8 Distribution of stresses for the four screw AB routes

從曲線中可見最大應(yīng)力均小于135鉆具屈服應(yīng)力931 MPa，從圖8可知，齒根處TMXT36的螺紋應(yīng)力最小，為559 MPa，其次是TH90為577.9 MPa和NC38為644.4 MPa，而TX60螺紋齒根的應(yīng)力最大，為727 MPa，因此TMXT36螺紋結(jié)構(gòu)比其他3種更合理，達到了研制的目的和預(yù)期結(jié)果。

為進一步地分析這4種螺紋結(jié)構(gòu)齒根的最大應(yīng)力值，將圖5中的載荷σ0從50 MPa逐漸施加到500 MPa，這4種齒根的最大應(yīng)力隨軸向拉力σ0的變化曲線見圖9所示。從圖9中可見，在相同的拉力作用下，TX60齒根內(nèi)的應(yīng)力最大，TH90齒根內(nèi)的應(yīng)力次之，而TMTX36齒根內(nèi)的應(yīng)力最小，因此TMTX36的螺紋結(jié)構(gòu)最好。

圖9　4種螺紋齒根 σmax與σ0的關(guān)系Fig.9 orrelation between σmaxand σ0for the four screw teeth roots

4 應(yīng)力集中系數(shù)與缺口疲勞敏感系數(shù)分析Analysis for stress concentration coefficients and notch fatigue sensitivity coefficients

缺口應(yīng)力集中系數(shù)Kt定義為最大局部彈性應(yīng)力 與名義應(yīng)力 之比，即（2）式，對于簡單的螺紋結(jié)構(gòu)可以用下式進行計算［16］式中，Kt為應(yīng)力集中系數(shù)；t為螺紋牙深，mm；ρ為扣根圓角半徑，mm。

對于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)和載荷位移邊界條件，Kt可以用有限元法方便地求出（2）式中 σmax，然后根據(jù)（1）式計算出Kt。

應(yīng)力集中對疲勞強度有顯著影響，但用理論應(yīng)力集中系數(shù)不足以描述其影響，研究者們提出了一個缺口對疲勞強度影響的系數(shù)—疲勞缺口敏感系數(shù)Kf，也稱為疲勞應(yīng)力集中系數(shù)或疲勞強度下降系數(shù)，其定義為式中，Se為光滑試樣疲勞強度，Sw為缺口試樣疲勞強度。

試驗研究表明，材料的塑性是影響Kf的主要原因之一。塑性好的材料，Kf遠小于Kt，即疲勞強度對缺口不敏感。脆性材料，Kf接近Kt，即疲勞對缺口敏感。在平均應(yīng)力模型的基礎(chǔ)上，R. E. Peterson假設(shè)從缺口根部向內(nèi)應(yīng)力線性減小，見圖10所示，考慮應(yīng)力相對較低的材料對高應(yīng)力材料的支撐效應(yīng)，認為缺口根部a內(nèi)的平均應(yīng)力等于或大于光滑試樣疲勞強度時疲勞破壞發(fā)生，即得到Kf和Kt的關(guān)系式。式中，a為材料常數(shù)。對于調(diào)質(zhì)鋼 a=0.635 mm，對于正火鋼 a=0.254 mm。

圖10　構(gòu)件缺口示意圖Fig.10 Notch on the structural element

從理論上，式（3）可以計算出簡單螺紋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中系數(shù)，但實際上石油行業(yè)中鉆具接頭的螺紋結(jié)構(gòu)均比較復(fù)雜，無法用式（3）準確計算出Kt，因此，文中將用有限元法計算出螺紋缺口處最大應(yīng)力 σmax，根據(jù)式（2）再計算出Kt，最后根據(jù)式（5）計算出Kf，為提高螺紋結(jié)構(gòu)的抗疲勞壽命提供理論依據(jù)。

由有限元力學(xué)模型圖6a、b和c，在彈性范圍內(nèi)，經(jīng)過有限元計算，然后由式（2）～式（5）可得本研究的TMXT36、TX60和NC38三種螺紋結(jié)構(gòu)的Kt和Kf見表2所示，而TH90不適合于用式（3）和式（5）計算其應(yīng)力集中系數(shù)和缺口疲勞敏感系數(shù)，因為其底部為梯形，齒根半徑σ不確定，只能通過有限元法計算其應(yīng)力集中系數(shù)，有限元法計算出的應(yīng)力集中系數(shù)比理論公式計算出的更合理，因為理論公式是按壁厚無限大推導(dǎo)的，而有限元法是按螺紋接頭實際壁厚計算的。

表2　應(yīng)力集中系數(shù)和缺口疲勞敏感系數(shù)計算結(jié)果Table 2 Calculated stress concentration coefficients and notch fatigue sensitivity coefficients

從表2中可知其應(yīng)力集中系數(shù)TMXT36為3.59 為4種結(jié)構(gòu)中最小的應(yīng)力集中系數(shù)，其次為TH90，而TX60的應(yīng)力集中系數(shù)為4.85為最大的應(yīng)力集中系數(shù)，因此從應(yīng)力集中系數(shù)來看，TMXT36螺紋結(jié)構(gòu)最好，其次是TH90，而TX60結(jié)構(gòu)最差。從表2中缺口疲勞敏感系數(shù)來看也是TMXT36結(jié)構(gòu)最好，能有效提高接頭螺紋的抗疲勞壽命。TX60的疲勞敏感系數(shù)最大，因此其結(jié)構(gòu)最差。

根據(jù)表2有限元法計算出的應(yīng)力集中系數(shù)可知，在相同條件下，螺紋壽命由高到低排序為：TMXT36> TH90> NC38> TX60。

5 TMXT36螺紋接頭的試制與應(yīng)用Fabrication and application of the TMXT36 screwed joint

TMXT36螺紋接頭牙型見圖1所示，其試制產(chǎn)品見圖11所示。

圖11　TMXT36螺紋接頭試制產(chǎn)品Fig.11 Prototypes of the TMXT36 screw joint

該螺紋在結(jié)構(gòu)設(shè)計原理方面具有創(chuàng)新性，加上高強度和高韌性材料，在塔里木油田實驗、實踐和應(yīng)用結(jié)果證明：其旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命高于塔里木油田現(xiàn)有使用的其他螺紋接頭，其疲勞壽命高于塔里木油田使用的常規(guī)螺紋接頭。TMXT36牙型改變了常規(guī)的API和現(xiàn)有各大石油公司鉆具接頭的螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)，文中研究結(jié)果表明（見表2所示）：NC38螺紋的應(yīng)力集中系數(shù)為4.581，缺口敏感系數(shù)為3.16，而TMXT36螺紋應(yīng)力集中系數(shù)為3.5，缺口敏感系數(shù)為2.8，因此TMXT36螺紋顯著降低了這2種系數(shù)。TMXT36螺紋接頭已在塔里木油田推廣應(yīng)用，與在塔里木油田應(yīng)用的其他螺紋接頭相比較，其抗疲勞壽命提高了2.5倍，該產(chǎn)品同樣適用于其他深井、超深井油田。

6 結(jié)論Conclusions

（1）API NC型接頭及螺紋的根本弱點是扣根的圓角半徑0.9652 mm，旋轉(zhuǎn)彎曲工況下，其應(yīng)力集中系數(shù)大，缺口敏感系數(shù)大。API減應(yīng)力槽不能從根本上解決疲勞斷裂問題。

（2）TMXT36螺紋結(jié)構(gòu)減少了每英寸的牙數(shù)，加長了外螺紋接頭最末完全扣到外臺肩的距離，比常規(guī)的螺紋多設(shè)計了3扣，減小其剛性，增加了彈性，從而提高其抗疲勞壽命。

（3）TMXT36螺紋結(jié)構(gòu)將扣根的最大應(yīng)力轉(zhuǎn)移到了接觸面較寬的螺紋導(dǎo)向面上，降低了螺紋根部的疲勞缺口敏感系數(shù)。

（4）TMXT36螺紋與NC38、TX60和TH90螺紋對比分析和研究結(jié)果表明，TMXT36的應(yīng)力集中系數(shù)和其疲勞缺口敏感系數(shù)為最小，具有最高的抗疲勞壽命，適應(yīng)塔里木油田深井和超深井的勘探與開發(fā)的惡劣工況。在塔里木油田的應(yīng)用結(jié)果表明，與在塔里木油田應(yīng)用的其他螺紋接頭相比較，其抗疲勞壽命提高了2.5倍。

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（修改稿收到日期 2016-01-26）

〔編輯 薛改珍〕

Development and application of screw structure of miniature drilling tool for super-deep wells
LIAN Zhanghua1， LIANG Hongjun2， SHI Taihe1， LU Qiang2， WANG Yanmin2， FENG Shaobo2

1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation， Southwest Petroleum University， Chengdu， Sichuan 610500， China；2. PetroChina Tarim Oilfield Company， Korla， Xinjiang 841000， China

A miniature drilling tool with special screw （TMXT36） structure was developed to cope with unfavorable exploration and development conditions in deep and super-deep wells in the Tarim Oilfield and to prevent fatigue failure of miniature drilling tool in such wells. The special screw has the number of teeth in every inch reduced， and the distance between the end of external screwed joint and the external shoulder increased. Moreover， with three threads more than conventional screws， the new screw has rigidity reduced and elasticity enhanced to promote the fatigue-resistant service life. The new screw structure can effectively transfer the maximum stress onto the relatively wide guiding surface of screw to minimize fatigue notch sensitivity coefficients at the root section of the screw. Finite-element comparative analysis was made for performances of the new screw with NC38， TX60 and TH90 screws currently used in the oilfield. The results show that TMXT36 has the minimum stress concentration coefficient and fatigue notch sensitivity coefficient，whereas the fatigue-resistant service life is 2.5 times longer than other screwed joints. Prototypes of the screw have been deployed and vilified in the Tarim Oilfield.

super-deep well； miniature drilling tool； TMXT36 screw； fatigue notch sensitivity coefficient； finite-element

LIAN Zhanghua， LIANG Hongjun， SHI Taihe， LU Qiang， WANG Yanmin， FENG Shaobo. Development and application of screw structure of miniature drilling tool for super-deep wells［J］.Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 160-165.

TE921

A

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0160-06

10.13639/j.odpt.2016.02.006

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”子課題“塔里木盆地庫車前陸沖斷帶油氣開發(fā)示范工程”（編號：2011ZX05046）。

練章華（1964-），教授，博士生導(dǎo)師，1994年博士畢業(yè)于西南石油學(xué)院機械工程專業(yè)，現(xiàn)從事油氣井工程科研與教學(xué)。通訊地址：（610500）四川省成都市新都區(qū)。電話：028-83032210。E-mail： cwctlzh@swpu.edu.cn

引用格式：練章華，梁紅軍，施太和，盧強，王延民，馮少波. 超深井小鉆工具接頭螺紋結(jié)構(gòu)研制與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：160-165.