小井眼開窗側(cè)鉆用高抗彎鉆具接頭性能分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

況雨春 陳永龍 閔桃源

西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都,610500

0 引言

近年來，隨著油田的不斷開發(fā)以及生產(chǎn)作業(yè)井年限的不斷增長，我國大多數(shù)油田已進(jìn)入中后期開發(fā)階段。一方面，由于部分老井出現(xiàn)工程事故、套管損壞等原因?qū)е聼o法采用常規(guī)修井技術(shù)使破損井得到恢復(fù)；另一方面，在對井網(wǎng)進(jìn)行調(diào)整時，為了降低綜合開發(fā)成本，利用小井眼開窗側(cè)鉆技術(shù)，在原有井筒基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，極大地減少了資金投入[1]。但小井眼開窗側(cè)鉆中容易出現(xiàn)“兩小一高”(即排量小、扭矩小、壓耗高)的問題，使得鉆進(jìn)動力不足，循環(huán)壓耗高，作業(yè)成本高，鉆井效率低?？紤]到φ139.7 mm套管連續(xù)鉆井技術(shù)在國內(nèi)技術(shù)配套尚不成熟，且無法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)來降低有效側(cè)鉆深度[2]，故采用φ80 mm直連型鉆桿，以有效提高鉆井效率，提升鉆井液攜巖能力，有效傳遞工作扭矩，提升油氣開采效率。

隨著小井眼開窗側(cè)鉆技術(shù)的廣泛應(yīng)用，由井下彎曲段引起的鉆具接頭失效問題日益突出。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國外64%的油套管失效事故發(fā)生在螺紋處，國內(nèi)則高達(dá)86%[3-4]，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。究其原因，主要是鉆具接頭在承受緊扣扭矩的同時還要承受彎曲段彎曲載荷作用，彎曲段斜率不同，接頭螺紋承受的彎曲應(yīng)力也不同，因此，分析彎曲載荷作用下接頭力學(xué)性能就顯得尤為重要。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對油套管接頭進(jìn)行了大量試驗(yàn)和理論研究，得到了較為準(zhǔn)確的結(jié)果。BAHAI[5]利用二維軸對稱模型分析軸向力和彎曲載荷作用下鉆具接頭應(yīng)力集中因子；蘭洪波等[6]設(shè)計(jì)了新型雙臺肩鉆具接頭，分析了螺紋在不同工況下的應(yīng)力；陳守俊等[7]采用二維圓錐管螺紋模型，分析不同過盈量下套管螺紋的應(yīng)力變化情況；SHAHANI等[8]通過三維和二維有限元模型對比，研究不同載荷作用下鉆桿接頭的接觸應(yīng)力分布; FUKUOKA等[9]對帶有螺旋升角的接頭螺紋三維模型進(jìn)行了有限元分析；祝效華等[10]建立了套管接頭三維有限元模型，分析拉彎復(fù)合載荷下的力學(xué)行為。然而，由于二維軸對稱模型不帶螺旋升角，故無法模擬螺紋上扣且無法準(zhǔn)確表征偏執(zhí)載荷作用下的應(yīng)力變化情況，雖然部分文獻(xiàn)分析了鉆具接頭三維有限元模型，考慮了螺旋升角作用，但是下井前未對接頭施加緊扣扭矩，因此，同樣無法準(zhǔn)確得到接頭的力學(xué)性能以及疲勞壽命。

針對上述問題，本文建立了高抗彎鉆具接頭螺紋的三維有限元模型，采用實(shí)際工況的加載順序，并基于正交優(yōu)化試驗(yàn)方法，對影響螺紋受力的關(guān)鍵因素進(jìn)行正交優(yōu)化，獲得高抗彎鉆具接頭關(guān)鍵參數(shù)，對比計(jì)算優(yōu)化前后接頭的力學(xué)性能，突出其在小井眼開窗側(cè)鉆中的優(yōu)勢。

1 彎曲載荷作用下鉆具接頭受力分析

小井眼開窗側(cè)鉆中，鉆具接頭承受彎矩載荷作用時，彎矩載荷由臺肩和螺紋牙共同承擔(dān)，且臺肩處產(chǎn)生的應(yīng)力對螺紋牙具有一定的增強(qiáng)作用(圖1)。設(shè)鉆具接頭承受的彎矩為M，臺肩處承受的彎矩為M1，螺紋牙根部承受的彎矩為M2，則M=M1+M2?？紤]到M1和M2的相對大小與臺肩及螺紋牙根部的抗彎剛度有關(guān)[11]，有

(1)

其中，J1為臺肩截面慣性矩，J2為公螺紋牙根部截面慣性矩，E為接頭材料彈性模量，則有

M=M1+M2=M2(1+J1/J2)=M1(1+J1/J2)

(2)

圖1 鉆具接頭外螺紋彎曲應(yīng)力分布示意圖Fig.1 Bending stress distribution chart of the tool joint

在鉆井過程中，鉆桿接頭往往處于復(fù)雜的交變載荷作用下，為保證接頭臺肩面在工作時不分離，由彎曲載荷在臺肩面引起的最大應(yīng)力σmax不應(yīng)大于預(yù)壓力σ1，假設(shè)

σmax=ασ1

(3)

σmax=M1/W1

(4)

M1=2J1ασ1/D

(5)

式中，W1為抗彎截面模量。

其中，常數(shù)α(α≤1)表征鉆桿受彎曲載荷的程度；D為鉆具接頭外徑。由式(4)可求得臺肩處所能承受的彎矩。由式(1)和式(5)可求得公螺紋所承受的彎矩為

(6)

鉆具接頭在承受彎曲載荷時，公螺紋承受的最大彎曲應(yīng)力在第一圈螺紋牙根處，其彎曲應(yīng)力

σpin=D1ασ1/D

(7)

式中，D1為螺紋齒頂圓直徑。

母扣螺紋牙根處因彎曲產(chǎn)生的最大應(yīng)力

(8)

式中，Jβ為母螺紋牙根部β截面上的最大彎曲應(yīng)力；d為接頭內(nèi)徑。

由上述分析結(jié)果可知，若減小因彎曲載荷在螺紋牙根部產(chǎn)生的應(yīng)力即減小彎矩M2，可通過設(shè)計(jì)雙臺肩鉆具接頭和改變螺紋參量的方式，利用主副臺肩共同承擔(dān)彎曲載荷，增強(qiáng)螺紋牙抗彎能力，以達(dá)到減小峰值彎曲應(yīng)力、提高鉆具接頭抗彎性能的目的。

基于鉆桿用雙臺肩矮牙特錐扣模型(圖2)，利用有限元軟件對鉆具接頭受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，并采用正交優(yōu)化方法對螺紋錐度、牙型角、螺距等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在不減小鉆具接頭抗拉/壓、抗扭能力的前提下，提高接頭抗彎能力，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，旨在設(shè)計(jì)出能滿足小井眼開窗側(cè)鉆的鉆具接頭。

2 鉆具接頭彈塑性有限元模型

2.1 鉆具接頭本構(gòu)模型試驗(yàn)

鉆具接頭所用材料為SAE4137H合金鋼，系各向同性彈塑性材料。使用對接頭材料(3個相同的試樣，即試樣①～試樣③)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得了應(yīng)力應(yīng)變曲線，從中可以得出：材料彈性模量為210 GPa, 屈服強(qiáng)度為860 MPa，抗拉強(qiáng)度為975 MPa，泊松比為0.29?？紤]到含40%～60%質(zhì)量鋅粉末的螺紋脂的影響，配合面間(包括

(a) 公螺紋

(b) 母螺紋

(c) 螺紋牙型

螺紋之間和臺肩面之間)的摩擦因數(shù)取0.08[12]。

螺紋接頭在受到復(fù)雜載荷作用，當(dāng)某一位置應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限時，該位置就會發(fā)生一定的彈塑性變形。在螺紋接頭有限元分析時，為了真實(shí)反映出螺紋受力，有必要定義其在彈塑性階段的應(yīng)力應(yīng)變，在workbench中采用真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來定義塑性階段的變化，它與名義應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系為[13]

ε=ln (1+εnom)

(9)

σ=σnom(1+εnom)

(10)

其中，εnom為名義應(yīng)變，σnom為名義應(yīng)力。材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。

圖3 真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 True stress-strain curve

2.2 鉆具接頭模型的網(wǎng)格劃分

本文以矮牙特錐扣鉆具接頭為研究對象，為了構(gòu)建高計(jì)算精度和高效率的有限元模型，在臺肩和螺紋牙接觸部分劃分精細(xì)網(wǎng)格，在遠(yuǎn)端(即未接觸部分)采用相對稀疏的網(wǎng)格。采用Solid185六面體單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為879 260，節(jié)點(diǎn)數(shù)為951 179。

2.3 有限元仿真模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為了確保數(shù)值仿真結(jié)果的可靠性，本文通過鉆具接頭脹扣試驗(yàn)，利用拆裝架液壓裝置對螺紋接頭施加緊扣扭矩(圖4a)，對比研究不同緊扣扭矩下接頭外緣的膨脹變化規(guī)律。試驗(yàn)以API標(biāo)準(zhǔn)NC31型特殊扣為研究對象，建立與圖4b中相同規(guī)格的連接螺紋力學(xué)模型。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，改變接頭螺紋錐度和外徑，分別測得3組不同結(jié)構(gòu)接頭脹扣數(shù)據(jù)，如圖5中結(jié)構(gòu)①～結(jié)構(gòu)③。利用有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比(圖5)。試驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果變化趨勢相同，峰值差異不超過30%，可以忽略不計(jì)?？傮w上兩者結(jié)果吻合性較好，驗(yàn)證了三維模型建模的準(zhǔn)確性以及仿真結(jié)果的可靠性，表明所建模型及分析方法能滿足鉆具接頭力學(xué)性能研究的需要。

(a) 試驗(yàn)臺架

(b) 螺紋接頭

圖5 試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果對比Fig.5 Comparison of experimental results and finite element results

3 彎曲載荷對鉆具接頭連接強(qiáng)度和密封性能的影響

接頭螺紋在下井前須承受一定的上扣扭矩，對于需要開窗側(cè)鉆的老井和破損井，扭矩載荷和彎曲載荷是其在井下承受的主要載荷。由于螺紋在上扣之后將持續(xù)影響其在后續(xù)工況中的受力，彎曲載荷作用下接頭臺肩和螺紋牙嚙合面接觸狀態(tài)以及受力狀況將變得極其復(fù)雜，故這種受力變形將決定接頭的連接強(qiáng)度和密封性能。為更有效地模擬鉆具接頭在井下受力情況，對鉆具接頭進(jìn)行三維有限元分析，為避免數(shù)值振蕩，采用光滑的加載曲線進(jìn)行加載(圖6)[14]。第一步施加緊扣扭矩，加載完畢后卸載；第二步施加彎曲載荷，加載完畢后保持作用不卸載[15]。

圖6 加載曲線Fig.6 Loading curve

3.1 彎曲載荷對鉆具接頭連接強(qiáng)度的影響

在小井眼開窗側(cè)鉆中，彎曲載荷作用對鉆具接頭連接強(qiáng)度的影響是不容忽視的。對比鉆具接頭僅承受緊扣扭矩、承受緊扣扭矩并施加不同彎曲載荷和軸向載荷時連接螺紋最大等效應(yīng)力的變化情況，如圖7所示?？梢钥闯?，鉆具接頭僅承受緊扣扭矩時，螺紋牙部分最大等效應(yīng)力為597 MPa；當(dāng)施加100 kN彎曲載荷時，螺紋部分最大等效應(yīng)力增大了125 MPa；在材料彈性階段，應(yīng)力呈線性增加趨勢，當(dāng)彎曲載荷超過200 kN時，應(yīng)力變化趨勢減緩，在300 kN時達(dá)到材料的拉伸極限，總體變化規(guī)律滿足材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系。施加軸向載荷時，螺紋部分最大等效應(yīng)力增速明顯減小，最大等效應(yīng)力增大35 MPa，僅為施加彎曲載荷時的10%，表明鉆具接頭對彎曲載荷更加敏感，它對連接螺紋應(yīng)力狀態(tài)影響很大，因此，在小井眼開窗側(cè)鉆中須考慮彎曲載荷的影響。

圖7 彎曲載荷作用下連接螺紋最大等效應(yīng)力Fig.7 Maximum equivalent stress of the threaded connection under bending load

不同橫向載荷作用時各螺紋牙最大等效應(yīng)力變化情況如圖8所示(規(guī)定靠近主臺肩第一圈螺紋牙為第1牙，依次向右類推)。等效應(yīng)力是評價(jià)鉆具接頭各螺紋牙連接強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)，可以看出，隨著彎曲載荷逐漸增大，各螺紋牙應(yīng)力呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，最大應(yīng)力集中在第一圈及最后一圈牙根處，而中間段螺紋牙應(yīng)力變化平緩，總體上呈現(xiàn)出“中間低，兩邊高”的特點(diǎn)。當(dāng)彎曲載荷為250 kN時，靠近主副臺肩處的螺紋牙根部應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到材料的屈服極限，繼續(xù)增大外載荷容易導(dǎo)致鉆具接頭出現(xiàn)疲勞破壞，螺紋牙根部產(chǎn)生裂紋。

圖8 不同橫向載荷作用下螺紋牙最大等效應(yīng)力Fig.8 Maximum equivalent stress of thread teeth under different transverse loads

不同彎曲載荷下第一圈及最后一圈螺紋牙周向應(yīng)力變化情況如圖9、圖10所示。可以看出，在彎曲載荷作用下螺紋牙應(yīng)力逐漸增大的同時，沿周向分布不均勻性也在增大。當(dāng)僅承受緊扣扭矩時，螺紋牙沿周向應(yīng)力分布較均勻；當(dāng)施加彎曲載荷時，公扣第一圈螺紋牙應(yīng)力主要集中在拉伸端附近。施加300 kN彎曲載荷時，公扣第一圈螺紋牙拉伸端附近應(yīng)力達(dá)到了材料的屈服極限，但在壓縮端附近應(yīng)力值較小，導(dǎo)致產(chǎn)生周向應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象。公扣最后一圈螺紋牙周向應(yīng)力較第一圈螺紋牙相比相差較大，其最大應(yīng)力主要集中在壓縮端和拉伸端之間，其余部位為低應(yīng)力值區(qū)域，最后一圈螺紋牙同樣在300 kN時發(fā)生屈服。根據(jù)鉆具接頭在彎曲載荷作用下的受力狀態(tài)，彎曲載荷對連接螺紋性能影響很大，進(jìn)行小井眼開窗側(cè)鉆時，應(yīng)充分考慮井眼曲率對接頭連接強(qiáng)度的影響，進(jìn)而減小因外載荷過大而導(dǎo)致鉆具接頭擠毀的概率。

圖9 公扣第一圈螺紋牙應(yīng)力Fig.9 Stress on the first circle of pin thread tooth

圖10 公扣最后一圈螺紋牙應(yīng)力Fig.10 Stress on the last circle of pin thread tooth

3.2 彎曲載荷對鉆具接頭密封性能的影響

為了研究小井眼開窗側(cè)鉆中彎曲載荷對鉆具接頭密封性能的影響，分析了其在彎曲載荷作用下主副臺肩面以及螺紋牙嚙合面上接觸壓力沿周向變化的情況。鉆具接頭在不同彎曲載荷作用時第一圈及最后一圈螺紋牙接觸壓力如圖11、圖12所示。在未承受彎曲載荷時，螺紋牙嚙合面沿周向接觸壓力分布較均勻。雖然彎曲載荷作用時螺紋牙一端受壓一端受拉，但此時第一圈及最后一圈螺紋牙接觸壓力并未受到劇烈影響，且接觸壓力變化幅度較小，表明螺紋牙嚙合面密封良好。在300 kN橫向載荷作用下，第一圈及最后一圈螺紋牙接觸壓力保持在450 MPa以上，雖然起到了較好的密封效果，但最大接觸壓力值達(dá)到了750 MPa，考慮到井下工況復(fù)雜，動載荷持續(xù)作用下易導(dǎo)致嚙合面因壓力過高而產(chǎn)生粘扣，破壞其密封性能。

圖11 公扣第一圈螺紋牙接觸壓力Fig.11 Contact pressure on the first circle of pin thread tooth

圖12 公扣最后一圈螺紋牙接觸壓力Fig.12 Contact pressure on the last circle of pin thread tooth

鉆具接頭主、副臺肩面周向接觸壓力如圖13、圖14所示?？梢钥闯?，主副臺肩嚙合面接觸壓力主要集中在壓縮段，導(dǎo)致受壓段接觸壓力過大。當(dāng)橫向載荷為200 kN時，副臺肩部分嚙合面已經(jīng)達(dá)到材料的屈服極限，且增長速度高于主臺肩處接觸壓力。由于接觸壓力往壓縮端偏移，導(dǎo)致周向壓力分布極不均勻，拉伸端在100 kN載荷下出現(xiàn)部分嚙合面脫離現(xiàn)象。由此可見，彎曲載荷越大，主副臺肩嚙合面密封失效面積越大，對鉆具接頭密封性能影響越嚴(yán)重，且過大的接觸壓力容易致使嚙合面受壓一側(cè)產(chǎn)生黏接以及過度磨損，受拉一側(cè)(即低接觸壓力區(qū)域)出現(xiàn)密封失效，鉆井液通過臺肩或螺紋牙進(jìn)入鉆具接頭內(nèi)部而出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕，因此，彎曲載荷不僅對鉆具接頭連接強(qiáng)度影響很大，對其密封性能的影響也不容忽視。

圖13 主臺肩面接觸壓力Fig.13 Contact pressure of the main shoulder surface

圖14 副臺肩面接觸壓力Fig.14 Contact pressure of the side shoulder surface

4 高抗彎鉆具接頭主要結(jié)構(gòu)參數(shù)正交優(yōu)化

本文基于雙臺肩特殊扣型鉆具接頭，考慮螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)間相互耦合作用，引入正交優(yōu)化試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)出承載性能較優(yōu)的高抗彎鉆具接頭。通過此前建立的雙臺肩鉆具接頭，對影響螺紋承載性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)(錐度、螺距及牙型角等)進(jìn)行正交優(yōu)化，利用正交表“均衡搭配”和“整齊可比”的基本原則，設(shè)定4個結(jié)構(gòu)參數(shù)為試驗(yàn)因素，每個因素包含5種水平，在一定范圍內(nèi)使各水平均勻取值，總共進(jìn)行25次正交試驗(yàn)，使得計(jì)算結(jié)果和取值更加合理和具有代表性。

以鉆具接頭抗彎性能為分析指標(biāo)，在不減小接頭抗扭性能和抗拉/壓性能的前提下進(jìn)行正交優(yōu)化，基于表1中設(shè)定的試驗(yàn)因素和試驗(yàn)水平，設(shè)計(jì)了4因素5水平的正交表，在橫向彎曲載荷作用下，對不同參數(shù)組合下螺紋接頭應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行了極差分析，極差大小即體現(xiàn)試驗(yàn)因素對接頭抗彎性能的影響程度，試驗(yàn)結(jié)果分析表見表2?？梢钥闯?，各試驗(yàn)因素對抗彎性能影響的主次順序分別為螺距、導(dǎo)向側(cè)角度、承載側(cè)角度及錐度。在試驗(yàn)水平范圍內(nèi)，其最優(yōu)組合為：錐度1∶10，螺距7牙/英寸，承載側(cè)角度20°，導(dǎo)向側(cè)角度14°。

表1 鉆具接頭試驗(yàn)因素水平表

表2 正交優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析表

4.1 鉆具接頭抗拉/壓性能對比分析

對比計(jì)算高抗彎鉆具接頭與API鉆具接頭在不同軸向拉/壓力作用下的最大等效應(yīng)力。API結(jié)構(gòu)與ST高抗彎結(jié)構(gòu)性能對比如圖15所示，可以看出，在相同軸向拉力作用下，高抗彎鉆具接頭最大等效應(yīng)力小于API接頭最大等效應(yīng)力，且母扣螺紋牙應(yīng)力明顯小于公扣螺紋牙應(yīng)力。兩種鉆具接頭在不同軸向拉力作用時最大應(yīng)力滿足材料彈塑性變化規(guī)律，在1 MN時達(dá)到材料的屈服極限。API鉆具接頭公扣和母扣最大等效應(yīng)力大于高抗彎鉆具接頭應(yīng)力，表明在抗拉性能方面，ST抗彎接頭優(yōu)于API接頭。

圖15 API結(jié)構(gòu)與ST結(jié)構(gòu)抗拉性能對比Fig.15 Comparison of tensile properties between API structure and ST structure

不同壓力下API結(jié)構(gòu)與ST高抗彎結(jié)構(gòu)性能對比如圖16所示，可以看出，兩種鉆具接頭變化趨勢基本相同，在2 MN壓縮載荷作用時應(yīng)力呈線性關(guān)系變化，當(dāng)外力超過2.5 MN時最大等效應(yīng)力增速減緩，且達(dá)到材料的屈服極限?？傮w上API鉆具接頭公扣和母扣最大等效應(yīng)力大于ST高抗彎接頭最大等效應(yīng)力，表明ST接頭在抗壓性能方面優(yōu)于API接頭。

圖16 API結(jié)構(gòu)與ST結(jié)構(gòu)抗壓性能對比Fig.16 Comparison of compressive properties between API structure and ST structure

4.2 緊扣扭矩對比

對比計(jì)算高抗彎鉆具接頭與API鉆具接頭在緊扣扭矩作用下的最大等效應(yīng)力，結(jié)果如圖17所示?？梢钥闯?，兩種鉆具接頭最大等效應(yīng)力變化趨勢大致相同，在緊扣扭矩作用下，API結(jié)構(gòu)鉆具接頭最大等效應(yīng)力大于ST結(jié)構(gòu)鉆具接頭等效應(yīng)力，且公扣上產(chǎn)生的應(yīng)力均大于其對應(yīng)母扣的最大應(yīng)力。隨著緊扣扭矩逐漸增大，兩種扣型鉆具接頭應(yīng)力變化規(guī)律趨近于材料的彈塑性變化規(guī)律，在6 kN·m緊扣扭矩下，API接頭已經(jīng)達(dá)到屈服極限，與API鉆具接頭相比，高抗彎鉆具接頭抗扭性能提高約10%。

圖17 API結(jié)構(gòu)與ST結(jié)構(gòu)抗扭性能對比Fig.17 Comparison of torque properties between API structure and ST structure

4.3 抗彎性能對比

圖18 API結(jié)構(gòu)與ST結(jié)構(gòu)抗彎性能對比Fig.18 Comparison of bending properties between API structure and ST structure

對比計(jì)算高抗彎鉆具接頭與API鉆具接頭在彎曲載荷作用下的最大等效應(yīng)力，結(jié)果如圖18所示?？梢钥闯?，在彎曲載荷作用下，兩種鉆具接頭中公扣最大等效應(yīng)力均大于母扣承受的應(yīng)力，且彎曲載荷相同時，與API鉆具接頭相比，高抗彎鉆具接頭抗彎性能提高15%，減少了因造斜率過高而導(dǎo)致的螺紋失效事故。為了研究高抗彎鉆具接頭在彎曲載荷作用下的密封特性，對比計(jì)算緊扣扭矩作用下兩種鉆具接頭的接觸壓力特征，考慮到僅對螺紋參數(shù)進(jìn)行正交優(yōu)化，因此，分析第一圈及最后一圈螺紋牙嚙合面接觸壓力變化情況，如圖19所示?？梢钥闯?，第一圈及最后一圈螺紋牙接觸壓力變化較均勻，雖然彎曲載荷作用時螺紋牙一端受壓一端受拉，但此時第一圈及最后一圈螺紋牙接觸壓力并未受到劇烈影響，且接觸壓力變化幅度較小，表明螺紋牙嚙合面密封良好，且均未達(dá)到材料的屈服極限。與API鉆具接頭相比，高抗彎鉆具接頭密封性能提高約11%。

圖19 API結(jié)構(gòu)與ST結(jié)構(gòu)密封性能對比Fig.19 Comparison of sealing performance between API structure and ST structure

5 結(jié)論

(1)本文基于鉆具接頭受彎時彈塑性關(guān)系，利用正交優(yōu)化試驗(yàn)方法，綜合考慮連接螺紋在井下的連接強(qiáng)度和密封性能，設(shè)計(jì)了一種高抗彎鉆具接頭，該鉆具接頭在滿足抗拉/壓、扭矩性能前提下可提高抗彎性能。得出各因素對抗彎性能影響的主次順序分別為螺距、導(dǎo)向側(cè)角度、承載側(cè)角度及錐度。經(jīng)正交優(yōu)化方法計(jì)算出各彎曲載荷下各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的較優(yōu)組合，分別為：錐度1∶10，螺距7牙/英寸，承載側(cè)角度20°，導(dǎo)向側(cè)角度14°。

(2)對比計(jì)算了API鉆具接頭和ST高抗彎鉆具接頭在拉/壓、扭矩、彎曲作用下的應(yīng)力，其等效應(yīng)力滿足材料的彈塑性變化規(guī)律，且在外載荷作用下連接強(qiáng)度以及密封性能方面，高抗彎鉆具接頭均優(yōu)于常規(guī)鉆具接頭，表明設(shè)計(jì)的高抗彎鉆具接頭能有效地滿足小井眼開窗側(cè)鉆的鉆井條件。