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鉆挺接頭的有限元分析及延長使用的措施

發布于:2022-04-08 20:10
有限元分析

      在石油鉆探時使用的大量鉆具,如鉆桿、鉆挺等,在鉆井過程中,起著傳遞扭矩、施加鉆壓的作用。隨著鉆井深度的不斷增加,鉆具受力情況更加復雜和嚴重,斷裂常有發生。作為鉆具的重要組成部分—鉆挺,破壞尤翔吐重,據統計,目前我國每年有近2萬米的鉆挺被埋地下,其中絕大部分是疲勞破壞所引起的。鉆挺的斷裂將導致嚴重的后果,有時甚至可使一口井報廢,造成巨大的經濟損失。因此,對鉆挺接頭的破壞原因和受力情況進行有限元分析討論,采取相應的措施,以提高鉆挺的疲勞強度,延長其使用壽命。
      鉆挺又稱加重鉆桿,在石油鉆探時,與下面的鉆頭相聯,用自身的重量給鉆頭施加壓因鉆力,它具有壁厚、強度和剛度大,不易彎曲的特點,也就是說它具有足夠的抗靜載能力。此,鉆挺的斷裂并非是由于本身的強度不夠所造成的,而是由于它的疲勞失效而引起的。具在鉆進過程中,處于彎曲狀態,受到交變應力的作用協由于鉆挺接頭處的杭彎剛度小于本體剛度,故常發生疲勞破壞。工作時,螺紋連接部位是最薄弱的環節,特別是螺紋根部承受著最大的交變應力,故最容易產生應力集中和疲勞破壞,F場使用證明:鉆挺的斷裂,幾乎都發生在公接頭螺紋的根部。據華北油田抽樣檢測,出現疲勞裂紋的占檢測總數的10.3%,而裂紋幾乎全部都是發生在接頭螺紋的根部。
      此外,接頭螺紋根部未嚙合的不完整扣形浸在泥漿中,還將造成螺紋根部的腐蝕,從而形成尖銳的腐蝕斑痕或溝槽,同樣也加深了該處的應力集中,引起腐蝕疲勞,其破壞性也是相當大的,從某種意義來說,它的嚴重性比應力疲勞的破壞性還要大。腐蝕疲勞在任何腐蝕環境及交變應力的聯合作用下,都會出現腐蝕疲勞斷裂現象,這就要求接頭螺紋部分不但有足夠的疲勞強度,而且還要有較好的抗腐蝕能力。
      鉆挺接頭不僅要有足夠的強度,而且還要有良好的密封性能,因而在接頭連接時要求在鉆挺的臺肩面,確保有足夠的臺肩載荷,此載荷是由施加上扣力矩所產生的。機加工時為了防止刀傷臺肩,在車公接頭螺紋時提前退刀,致使螺紋根部一、二扣螺紋扣形不完整。為了防止這些非完整扣形干擾同母接頭螺紋的正常嚙合,在母接頭大端相應處車出一空腔,公接頭根部最后一、二扣螺紋與母接頭的螺紋不發生接觸。鉆挺接頭在彎曲的情況下作旋轉運動時,在公、母接頭上產生“B”、“A”兩應力區(見圖1),由于母接頭“A”處的截面積比公接頭“B”處的截面積大2~3倍,所以最先斷裂必然發生在公接頭的“B”處(即螺紋根圖l因此我們這里僅討論公接頭的受力情況。


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