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[摘 要]在油田开采中， 普遍采用API标准钻挺螺纹， 它具有密封性高、承载能力强、上却速度快等优点。但随着定向井、重腐蚀井、深井及超深井等开采的日渐增多， API 钻挺螺纹的可靠性、密封性已难以满足油气井的开采需求， 由钻挺螺纹失效而引起的事故时常发生。本文建立螺纹连接的有限元分析模型， 对其应力情况加以分析计算，根据计算结果， 提出了改善螺纹结构工作特性的结构优化方案。
[关键词]钻挺螺纹；有限元分析；失效；应力集中
中图分类号：TG943 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）03-0048-01
前言
通过众多钻井事故的分析， 不难发现由钻挺疲劳失效所引发的事故占据了很大的比例。
实践表明， 钻挺螺纹失效的原因大多是由疲劳所致， 疲劳失效又主要是由于钻挺交变荷载过大。在钻挺中， 其与螺纹的连接部位较为脆弱， 所以较容易在该部位产生较高的交变应力， 发生严重的应力集中， 故在该部位极易发生疲劳断裂。所以分散螺纹连接处的应力集中， 是提高螺纹工作特性， 降低钻挺失效率的关键所在。据钻挺失效的相关统计表明， 螺纹断裂
位置主要集中螺纹根部的第1-3扣处，失效断口处较光滑，可判定为疲劳断裂。针对螺纹连接处容易失效这一情况，笔者根据井下钻挺的特点，使用软件针对钻挺螺纹连接处，建立起有限元分析模型，对其应力进行计算、分析。计算结果表明， 在钻挺螺纹的第一个螺纹处，应力最大，钻挺螺纹的第1、第2、第3个螺纹处是失效的主要部位，据此可判定这就是钻挺螺纹疲劳失效的关键原因。
1 有限元计算与分析
有限元方法是对钻挺螺纹进行数值计算的最有效、最重要的一种方法。该方法的原理是： 将一个复杂的对象划分为若千个简单的单元， 将无限自由度转化为有限自由度，将连续场函数的微分方程转化为多个参数的代数方程组， 通过对代数方程组的计算， 来获得复杂对象的最终计算结果。.
1.1 模型参数分析
本研究采用API（NC50） 标准钻挺螺纹。钻挺的内、外径分别为72mm、203.2mm ，螺纹牙型为V-0.05。钻挺材料的屈服强度为758M Pa、钢级TllO，泊松比为0.3，弹性模量为216 G Pa， 锥度1：6。为了便于计算，对小导程角的影响忽略不计， 按照轴对称对接头进行处理，同时仅对钻柱受到的轴向拉伸载荷作用加以考虑， 仅考虑弹性范围内的结构变形， 最终将钻柱分析转变为二维的弹性接触问题分析。
1.2 结果分析
使用软件计算后， 可得出：公扣应力主要集中在螺纹台肩面的第1、第2扣， 母扣应力主要集中在螺纹孔直径小端的第1、第2扣，公扣台肩过渡处的应力最大，也是断裂易发部位。在相同工作状况下，B结构（API应力槽结构）的应力值比A 结构（API普通结构）更低，在轴向压力F=1000kN时，应力降幅为12.83 %。
2 結构优化方案
2.1 应力分散槽的优化
通过有限元模型的计算、分析，可得出B结构比A结构的应力更低，B结构优于A结构，但若要获得最优的结构，还需对B结构加以改进，进一步降低应力水平。将B结构的优化结构标记为C，优化目标是将B结构中的应力，达到最小。通过分析应力槽应力与应力槽倒角半径Rl和R2间的曲线关系，得出Rl=8mm，R2=13mm时，的取值最小，螺纹应力分散结构能将应力值降到最低，在相同工况下，螺纹连接处的应力达到最小。所以，螺纹应力分散槽结构的改进，不能一味增大结构过渡圆角来实现，这是因为过渡圆角变化与应力变化不呈线性相关，故应当找出过渡圆角的最优值。与A结构相比，C结构的应力降幅21.6%与B结构相比，c结构的应力降幅为10.1%。
2.2 强度分析
在钻挺螺纹结构中，应力分散效果与应力分散槽的深度、长度呈正相关， 即应力分散槽的长度、深度越大， 应力分散效果就越好。然而为满足应力分散区的强度要求，不能将分散槽设置得过长、过深，如若不然，就会造成截面的惯性矩太小，若钻压过大，钻挺就容易发生弯曲，容易在切槽处发生断裂。通过计算，优化后的应力分散槽结构（c结构），其截面惯性矩是标准应力分散槽（B 结构）的86.7%，惯性矩的降幅不大，圆角过渡处是应力分散槽应力峰值的发生处，但与螺纹区应力峰值相比，其应力水平远低于螺纹连接处的应力水平，这就说明螺纹连接处为钻挺的薄弱处。虽然应力分散槽比结构本体的应力峰值大，但其仍相对安全。
3 双台肩螺纹连接
双台肩钻挺螺纹与普通钻挺螺纹的区别在于：在外螺纹小端增加了一段光滑平整的椎体，在内螺纹的对应处加工一段撞孔，保持螺纹锥度与撞孔锥度椎体锥度保持的一致，最终使两个螺纹连接形成双台肩。椎体撞孔的长度要根据钻挺尺寸来设计，原则是： 在第一台肩处顶上时，第二台肩留有微小的间隙， 或者同时顶上；在旋合到规定扭矩时，第二台肩能刚好顶紧，连接平滑。该连接方式，使螺纹截面积增大，使螺纹连接外强度增强。同样规格，采用双台肩连接，最小截面积则为20814.2mm2，比普通连接螺纹增加了43%， 所以其应力值会相应地减小21.5%。
4 结束语
钻挺失效的相关统计数据显示，螺纹失效导致钻挺失效的主要因素，这是由于钻挺与螺纹根部的连接处存在较大的应力，在实际操作环境中，螺纹部位在钻挺结构的影响下，其交变应力非常高，从而最终造成螺纹连接处失效。通过软件对螺纹（NC-50）应力情况的计算、分析，发现螺纹的第1个螺纹处的应力最大，第1到第3个螺纹处是螺纹失效的主要部位，也是造成钻挺失效的主要部位。设置应力分散槽是分散螺纹结构应力的有效手段，在优化结构的应力分散槽时，需要在过渡圆角的众多取值中找出最优值，来达到结构所受应力最小的目的。另外，双台肩螺纹连接方法也是减小结构应力的一个有效措施。钻挺失效还有很多的引发因素，本文分析的仅是一部分原因，但只要合理设置螺纹的应力分散槽，也能有效降低螺纹失效的发生率，使钻挺的使用寿命大大延长，从而降低井下事故发生率。
参考文献
[1] 汤云霞，王立军，王文云. 钻铤连接螺纹断裂失效分析及结构优化[J]. 石油矿场机械. 2009（06）.
[2] 安江龙，贾玉峰. 钻铤螺纹粘扣失效有限元分析[J]. 新技术新工艺. 2009（12）.
[关键词]钻挺螺纹；有限元分析；失效；应力集中
中图分类号：TG943 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）03-0048-01
前言
通过众多钻井事故的分析， 不难发现由钻挺疲劳失效所引发的事故占据了很大的比例。
实践表明， 钻挺螺纹失效的原因大多是由疲劳所致， 疲劳失效又主要是由于钻挺交变荷载过大。在钻挺中， 其与螺纹的连接部位较为脆弱， 所以较容易在该部位产生较高的交变应力， 发生严重的应力集中， 故在该部位极易发生疲劳断裂。所以分散螺纹连接处的应力集中， 是提高螺纹工作特性， 降低钻挺失效率的关键所在。据钻挺失效的相关统计表明， 螺纹断裂
位置主要集中螺纹根部的第1-3扣处，失效断口处较光滑，可判定为疲劳断裂。针对螺纹连接处容易失效这一情况，笔者根据井下钻挺的特点，使用软件针对钻挺螺纹连接处，建立起有限元分析模型，对其应力进行计算、分析。计算结果表明， 在钻挺螺纹的第一个螺纹处，应力最大，钻挺螺纹的第1、第2、第3个螺纹处是失效的主要部位，据此可判定这就是钻挺螺纹疲劳失效的关键原因。
1 有限元计算与分析
有限元方法是对钻挺螺纹进行数值计算的最有效、最重要的一种方法。该方法的原理是： 将一个复杂的对象划分为若千个简单的单元， 将无限自由度转化为有限自由度，将连续场函数的微分方程转化为多个参数的代数方程组， 通过对代数方程组的计算， 来获得复杂对象的最终计算结果。.
1.1 模型参数分析
本研究采用API（NC50） 标准钻挺螺纹。钻挺的内、外径分别为72mm、203.2mm ，螺纹牙型为V-0.05。钻挺材料的屈服强度为758M Pa、钢级TllO，泊松比为0.3，弹性模量为216 G Pa， 锥度1：6。为了便于计算，对小导程角的影响忽略不计， 按照轴对称对接头进行处理，同时仅对钻柱受到的轴向拉伸载荷作用加以考虑， 仅考虑弹性范围内的结构变形， 最终将钻柱分析转变为二维的弹性接触问题分析。
1.2 结果分析
使用软件计算后， 可得出：公扣应力主要集中在螺纹台肩面的第1、第2扣， 母扣应力主要集中在螺纹孔直径小端的第1、第2扣，公扣台肩过渡处的应力最大，也是断裂易发部位。在相同工作状况下，B结构（API应力槽结构）的应力值比A 结构（API普通结构）更低，在轴向压力F=1000kN时，应力降幅为12.83 %。
2 結构优化方案
2.1 应力分散槽的优化
通过有限元模型的计算、分析，可得出B结构比A结构的应力更低，B结构优于A结构，但若要获得最优的结构，还需对B结构加以改进，进一步降低应力水平。将B结构的优化结构标记为C，优化目标是将B结构中的应力，达到最小。通过分析应力槽应力与应力槽倒角半径Rl和R2间的曲线关系，得出Rl=8mm，R2=13mm时，的取值最小，螺纹应力分散结构能将应力值降到最低，在相同工况下，螺纹连接处的应力达到最小。所以，螺纹应力分散槽结构的改进，不能一味增大结构过渡圆角来实现，这是因为过渡圆角变化与应力变化不呈线性相关，故应当找出过渡圆角的最优值。与A结构相比，C结构的应力降幅21.6%与B结构相比，c结构的应力降幅为10.1%。
2.2 强度分析
在钻挺螺纹结构中，应力分散效果与应力分散槽的深度、长度呈正相关， 即应力分散槽的长度、深度越大， 应力分散效果就越好。然而为满足应力分散区的强度要求，不能将分散槽设置得过长、过深，如若不然，就会造成截面的惯性矩太小，若钻压过大，钻挺就容易发生弯曲，容易在切槽处发生断裂。通过计算，优化后的应力分散槽结构（c结构），其截面惯性矩是标准应力分散槽（B 结构）的86.7%，惯性矩的降幅不大，圆角过渡处是应力分散槽应力峰值的发生处，但与螺纹区应力峰值相比，其应力水平远低于螺纹连接处的应力水平，这就说明螺纹连接处为钻挺的薄弱处。虽然应力分散槽比结构本体的应力峰值大，但其仍相对安全。
3 双台肩螺纹连接
双台肩钻挺螺纹与普通钻挺螺纹的区别在于：在外螺纹小端增加了一段光滑平整的椎体，在内螺纹的对应处加工一段撞孔，保持螺纹锥度与撞孔锥度椎体锥度保持的一致，最终使两个螺纹连接形成双台肩。椎体撞孔的长度要根据钻挺尺寸来设计，原则是： 在第一台肩处顶上时，第二台肩留有微小的间隙， 或者同时顶上；在旋合到规定扭矩时，第二台肩能刚好顶紧，连接平滑。该连接方式，使螺纹截面积增大，使螺纹连接外强度增强。同样规格，采用双台肩连接，最小截面积则为20814.2mm2，比普通连接螺纹增加了43%， 所以其应力值会相应地减小21.5%。
4 结束语
钻挺失效的相关统计数据显示，螺纹失效导致钻挺失效的主要因素，这是由于钻挺与螺纹根部的连接处存在较大的应力，在实际操作环境中，螺纹部位在钻挺结构的影响下，其交变应力非常高，从而最终造成螺纹连接处失效。通过软件对螺纹（NC-50）应力情况的计算、分析，发现螺纹的第1个螺纹处的应力最大，第1到第3个螺纹处是螺纹失效的主要部位，也是造成钻挺失效的主要部位。设置应力分散槽是分散螺纹结构应力的有效手段，在优化结构的应力分散槽时，需要在过渡圆角的众多取值中找出最优值，来达到结构所受应力最小的目的。另外，双台肩螺纹连接方法也是减小结构应力的一个有效措施。钻挺失效还有很多的引发因素，本文分析的仅是一部分原因，但只要合理设置螺纹的应力分散槽，也能有效降低螺纹失效的发生率，使钻挺的使用寿命大大延长，从而降低井下事故发生率。
参考文献
[1] 汤云霞，王立军，王文云. 钻铤连接螺纹断裂失效分析及结构优化[J]. 石油矿场机械. 2009（06）.
[2] 安江龙，贾玉峰. 钻铤螺纹粘扣失效有限元分析[J]. 新技术新工艺. 2009（12）.