钻杆螺纹接头仿真应力分析及密封性能研究

发布时间：2017-10-17 00:25

  本文关键词：钻杆螺纹接头仿真应力分析及密封性能研究

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【摘要】：小井眼钻井可大幅度地降低成本,提高开发经济效益,是钻井的发展方向,应用于小井眼的小直径钻杆具有良好的发展前景[1]。钻进过程中受到扭矩、轴向拉压力以及与井壁摩擦力作用,其螺纹部分结构脆弱,容易发生强度不足,密封失效,造成泄露。接头螺纹啮合时的应力大小及其分布规律是提高其气密性的关键所在,本文针对这一问题,开展了小直径钻具接头的设计与研究工作。根据小井眼钻井需要,设计了一种外径为ф68的钻杆以及锥螺纹接头,将钻具接头任意轴向位置的截面简化为厚壁圆筒,利用Lame厚壁筒理论,建立了接头螺纹在荷载作用下的接触应力模型。提出了螺纹密封的判据,即公母螺纹接触压力之和应该大于钻杆内外的压差,且应保持接触面的平整度。随后,基于三维建模软件SolidWork和有限元分析平台Ansys Workbench,构建2D仿真模型,将钻进所受扭矩等效成上扣扭矩,对接头副在外力条件下的接触应力分布规律进行了仿真研究,结合前述数学模型和气密性判据,确定了影响气密性的关键因素,预测了接头气密效果,并模拟计算了该型螺纹最佳上扣扭矩等参数,为实验研究和后续应用提供了参考依据。加工出所设计的螺纹接头,根据仿真模型所得到的结果,确定了接头气密性实验方案,针对模拟中的各种不同加载及上扣状态进行了实验测试,并与模拟结果进行对比,实验结果表明:(1)上扣状态对密封性起决定性作用,选择合适上扣扭矩能大大提高接头密封强度;(2)相比于压差对于接头密封强度的判定作用,接触面的平整度在维持接头气密性方面也起着决定性作用;(3)台肩面的过盈对于保持轴向荷载下接头的稳定以及气密性有着重要作用。通过对实验和仿真结果进行对比研究,进一步验证了气密性判据,同时,螺纹接触面的平整度也对整体气密性具有较大影响,需要严格控制加工精度和质量。论文的研究成果将为下一步优化设计小直径钻具接头结构奠定了基础,同时,也可为其他接头的设计提供借鉴。
【关键词】：钻杆接头 气密性 强度 上扣扭矩 仿真分析
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE921.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-13
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 研究目的与意义10
• 1.3 国内外研究现状10-11
• 1.4 存在的问题11
• 1.5 研究内容与研究方法11-13
• 1.5.1 研究内容11-12
• 1.5.2 研究方法12-13
• 第二章 相关基本理论13-17
• 2.1 API螺纹密封机理及特点13-14
• 2.2 特殊螺纹密封机理及特点14-17
• 第三章 理论模型的建立17-24
• 3.1 理论基础与假设17-18
• 3.2 接触力学模型18-23
• 3.2.1 轴向力对上扣扭矩的影响18-19
• 3.2.2 接头螺纹表面接触压力模型19-20
• 3.2.3 接头螺纹周向应力模型20-22
• 3.2.4 接头螺纹径向应力模型22-23
• 3.3 接头密封模型与判据23-24
• 第四章 接头有限元模拟分析24-47
• 4.1 分析模块的选择与接触问题分析方法24-25
• 4.1.1 模块的选取24
• 4.1.2 接触问题的分析方法24-25
• 4.2 接头模型的建立25-29
• 4.2.1 平面模型的建立25-26
• 4.2.2 Ansys中模型的建立26-27
• 4.2.3 加载方式与过盈量的计算27-29
• 4.3 参数设置29-31
• 4.3.1 材料的选取29
• 4.3.2 接触对设置与网格划分29-30
• 4.3.3 加载方式与边界条件的设定30-31
• 4.4 计算结果与分析31-40
• 4.4.1 手紧状态31-34
• 4.4.2 台肩面接触不过盈状态34-37
• 4.4.3 台肩接触过盈状态37-40
• 4.5 最佳上扣扭矩的计算40-47
• 4.5.1 最佳上扣状态判定条件40-44
• 4.5.2 最佳上扣状态及上扣扭矩的计算44-47
• 第五章 螺纹承载力实验研究47-55
• 5.1 实验方案47
• 5.2 实验装置的设计与加工47-49
• 5.3 相关实验设备与实验步骤49-51
• 5.3.1 实验设备49-50
• 5.3.2 实验流程图50
• 5.3.3 实验步骤50-51
• 5.4 实验结果与有限元模拟综合分析51-55
• 5.4.1 实验结果分析51-53
• 5.4.2 位移曲线与气压终值曲线综合分析53-55
• 第六章 结论与展望55-57
• 6.1 结论55-56
• 6.2 展望56-57
• 6.2.1 下一步的工作56
• 6.2.2 接头强度改进建议56-57
• 致谢57-58
• 参考文献58-59

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