專利名稱：一種鉆桿接頭性能的評價(jià)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油田鉆井技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供一種鉆桿接頭性能評價(jià)方法。
背景技術(shù)：
鉆桿是用于傳遞動力、輸送鉆井液的主要工具，在油氣田鉆井過程中扮演著重要的角色，鉆桿失效事故往往給油田帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)鉆柱失效事故統(tǒng)計(jì)分析，65% 的失效事故發(fā)生在鉆桿接頭部位。鉆桿接頭在使用中的應(yīng)力分布狀態(tài)直接決定了鉆桿的連接強(qiáng)度、密封性能等。因此，對鉆桿接頭的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究，是提升鉆桿使用性能的關(guān)鍵。目前大部分研究人員普遍采用二維軸對稱有限元分析對鉆桿接頭的受力進(jìn)行分析，以評價(jià)其使用性能。然而，由于上扣扭矩作用下公扣、母扣螺紋嚙合面間將產(chǎn)生相對滑動，使得接頭發(fā)生一定程度的緊扣，而二維軸對稱模型由于各螺紋牙相互獨(dú)立而無法有效地模擬上扣扭矩作用下螺紋接頭的應(yīng)力特征。此外，彎矩對鉆桿接頭來說不是軸對稱載荷， 因此也無法用二維軸對稱模型模擬彎矩作用下螺紋接頭的應(yīng)力特征。

發(fā)明內(nèi)容
針對當(dāng)前鉆桿接頭性能評價(jià)方法中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種鉆桿接頭性能評價(jià)方法，以更好的反映接頭在各種載荷工況作用下的應(yīng)力特征，保證接頭具有良好的使用性能。采用三維有限元分析方能有效地模擬螺紋接頭在各種復(fù)雜外載荷作用下的應(yīng)力特征，從而實(shí)現(xiàn)鉆桿接頭性能的有效評價(jià)。其對提高鉆桿接頭的使用性能、延長鉆桿的使用壽命、降低作業(yè)成本具有十分重要的意義。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種鉆桿接頭性能評價(jià)方法，根據(jù)鉆桿接頭在上扣扭矩、軸向拉力、彎矩等外載荷綜合作用下的應(yīng)力特征，采用三維有限元計(jì)算方法，具體步驟如下
1)利用CAD幾何建模軟件建立鉆桿接頭三維幾何模型；
2)利用有限元前處理軟件對鉆桿接頭進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立鉆桿接頭三維有限元模型； 包含螺紋、母扣鏜孔、公扣鼻端、主臺肩、副臺肩等；
3)利用非線性有限元分析軟件ABAQUS定義螺紋嚙合面和主、副臺肩接觸面之間的接觸關(guān)系，包括法向接觸關(guān)系和切向接觸關(guān)系；定義材料屬性、邊界條件、載荷工況等，所述載荷工況包括上扣扭矩、軸向拉伸、彎矩等外載荷單獨(dú)作用或聯(lián)合作用；隨后利用ABAQUS進(jìn)行計(jì)算；
4)得到鉆桿接頭的vonMises應(yīng)力分布云圖，考察其峰值及分布狀態(tài)對接頭連接性能的影響；得到接觸面的接觸壓力分布云圖，考察其分布狀態(tài)對接頭密封性能的影響。上述鉆桿接頭性能指鉆桿接頭的連接性能和密封性能。所述連接性能由應(yīng)力大小、應(yīng)力分布規(guī)律表示；所述密封性能由接觸壓力表示。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明提供一種鉆桿接頭性能的評價(jià)方法，其特征在于采用三維有限元分析技術(shù)對各種載荷工況作用下鉆桿接頭的力學(xué)性能進(jìn)行綜合評估。相比二維有限元評價(jià)方法，三維有限元評價(jià)方法能更好的反映接頭在上扣扭矩、軸向拉力、彎矩等載荷作用下的應(yīng)力特征。本方法適用于任何一種目前使用的鉆桿接頭。


圖1是鉆桿接頭性能評價(jià)方法的流程2是鉆桿接頭三維幾何模型示意圖3是鉆桿接頭三維有限元模型示意圖4是鉆桿接頭材料的真實(shí)應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線；
圖5各種載荷作用下鉆桿接頭von Mises應(yīng)力分布云其中(a)上扣扭矩，(b)上扣扭矩+軸向拉力，(c)上扣扭矩+軸向拉力+彎矩； 圖6各種載荷作用下鉆桿接頭接觸壓力分布云其中(a)上扣扭矩_臺肩，(b)上扣扭矩_螺紋，(c)上扣扭矩+軸向拉力_臺肩， (d)上扣扭矩+軸向拉力_螺紋，(e)上扣扭矩+軸向拉力+彎矩_臺肩，(f)上扣扭矩+ 軸向拉力+彎矩_螺紋。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明方法進(jìn)一步說明。一種鉆桿接頭性能的評價(jià)方法，其根據(jù)三維有限元分析，確定鉆桿接頭在上扣扭矩、軸向拉力、彎矩等外載荷作用下的應(yīng)力特征，確保鉆桿接頭具有優(yōu)良的使用性能。如圖1所示，所述的三維有限元分析包括如下過程
1)利用CAD幾何建模軟件建立鉆桿接頭三維幾何模型，如圖2所示。2)利用有限元前處理軟件對鉆桿接頭進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立螺紋接頭三維有限元模型，如圖3所示。3)利用非線性有限元分析軟件ABAQUS定義螺紋嚙合面、臺肩接觸面之間的接觸關(guān)系，包括法向接觸關(guān)系和切向接觸關(guān)系；定義材料屬性、邊界條件、載荷工況等。載荷工況包括上扣扭矩、軸向拉伸、彎矩等外載荷單獨(dú)作用或聯(lián)合作用；隨后利用ABAQUS進(jìn)行計(jì)算。4)給出鉆桿接頭的von Mises應(yīng)力分布云圖，考察其峰值及分布狀態(tài)對接頭連接性能的影響。給出接觸面的接觸壓力分布云圖，考察其分布狀態(tài)對接頭密封性能的影響。實(shí)施例利用三維有限元分析技術(shù)評價(jià)鉆桿接頭的性能
利用本評價(jià)方法對某鉆桿接頭進(jìn)行評價(jià)，該鉆桿接頭的主要參數(shù)如表1所示。表1鉆桿接頭主要參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種鉆桿接頭性能評價(jià)方法，其特征在于，根據(jù)鉆桿接頭在上扣扭矩、軸向拉力、彎矩等外載荷綜合作用下的應(yīng)力特征，采用三維有限元計(jì)算方法，具體步驟如下1)利用CAD幾何建模軟件建立鉆桿接頭三維幾何模型；2)利用有限元前處理軟件對鉆桿接頭進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立鉆桿接頭三維有限元模型； 包含螺紋、母扣鏜孔、公扣鼻端、主臺肩、副臺肩等；3)利用非線性有限元分析軟件ABAQUS定義螺紋嚙合面和主、副臺肩接觸面之間的接觸關(guān)系，包括法向接觸關(guān)系和切向接觸關(guān)系；定義材料屬性、邊界條件、載荷工況等，所述載荷工況包括上扣扭矩、軸向拉伸、彎矩等外載荷單獨(dú)作用或聯(lián)合作用；隨后利用ABAQUS進(jìn)行計(jì)算；4)得到鉆桿接頭的vonMises應(yīng)力分布云圖，考察其峰值及分布狀態(tài)對接頭連接性能的影響；得到接觸面的接觸壓力分布云圖，考察其分布狀態(tài)對接頭密封性能的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆桿接頭性能評價(jià)方法，其特征在于，所述鉆桿接頭性能包括鉆桿接頭的連接性能和密封性能，所述連接性能由應(yīng)力大小、應(yīng)力分布規(guī)律表示；所述密封性能由接觸壓力表示。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆桿接頭性能評價(jià)方法，其特征在于，所述三維有限元計(jì)算時(shí)可以施加單獨(dú)作用或聯(lián)合作用的上扣扭矩、軸向拉伸、彎矩等載荷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆桿接頭性能評價(jià)方法，其特征在于，所述的鉆桿接頭為任何一種目前使用的鉆桿接頭。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鉆桿接頭性能評價(jià)方法，其利用有限元前處理軟件對鉆桿接頭三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立鉆桿接頭三維有限元模型，并利用非線性有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行計(jì)算，得到鉆桿接頭的vonMises應(yīng)力分布云圖，考察其峰值及分布狀態(tài)對接頭連接性能的影響，得到接觸面的接觸壓力分布云圖，考察其分布狀態(tài)對接頭密封性能的影響。本評價(jià)方法可以評價(jià)鉆桿接頭在上扣扭矩、軸向拉力、彎矩等復(fù)雜外載荷單獨(dú)或聯(lián)合作用下的應(yīng)力特征，從而實(shí)現(xiàn)對鉆桿接頭性能的有效評價(jià)。其對提高鉆桿接頭的使用性能、延長鉆桿的使用壽命、降低作業(yè)成本具有十分重要的意義。
文檔編號E21B47/007GK102410011SQ20111023663
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月18日
發(fā)明者狄勤豐, 王文昌, 袁鵬斌, 陳鋒 申請人:上海大學(xué)