﻿ 复杂载荷条件下钻具接头台肩作用机理研究

1. 上海大学理学院, 上海市应用数学和力学研究所, 上海 200072 ;
2. 克拉玛依红山油田有限责任公司, 新疆克拉玛依 834000

The Functional Mechanism of Drilling Tool Shoulder under Complex Load Conditions
DI Qinfeng1, JIN Zezhong1, WANG Tao2, CHEN Feng1, WANG Wenchang1
1. Science College of Shanghai University, Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics, Shanghai, 200072, China ;
2. Karamay Hongshan Oilfield Co. Ltd., Karamay, Xinjiang, 834000, China
Abstract: To clarify the effects of the shoulder on the load bearing of connection threads, FEM models are built based on φ139.7 mm FH connection under four conditions, i.e. no shoulder, only primary shoulder, only secondary shoulder and double shoulders, respectively, and analyzed the mechanical properties under complex loads. Research results showed that the primary and secondary shoulders could play vital roles for ensuring the stability while making up connections; the primary shoulder can make the pin connection generating tensile effects under pre-tightening torsion, whereas the secondary shoulder can make the pin connection produce compressive pre-tightening effects, which, eventually, will affect the load bearing characteristics and ultimate torsion resistance. Under the same axial tension, the ultimate torsion resistance with only secondary shoulder is 12% higher than that when it has only primary shoulder, whereas the double-shoulder connection is 69% higher than when it has only a primary shoulder connection. Research results could provide references for development and the structure design of a new high-performance drilling tool connections.
Key words: drilling tool connection     shoulder     geometry model     mathematical model     finite element method (FEM)     contact stress

1 几何模型特征

 图 1双台肩钻具接头示意 Fig.1Schematic diagram of double-shoulder drilling tool connection

 图 24种结构钻具接头的连接示意 Fig.2Schematic diagram for four kinds of drilling tool connections
2 数学模型与模拟工况 2.1 数学模型

 (1)

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2.2 材料参数

 真实应力/MPa 塑性应变/10－3 735.36 0 750.61 0.20 807.57 1.22 832.47 1.97 858.24 3.14 877.15 4.37 884.25 5.85 904.43 7.86 936.70 12.10 952.60 15.20 974.79 19.70 993.44 22.90 1 002.52 25.10 1 025.25 31.20 1 039.07 35.10 1 052.19 40.70 1 062.38 45.60 1 069.44 50.80 1 078.52 55.70 1 088.86 71.00
2.3 模拟工况

3 结果分析 3.1 上扣预紧 3.1.1 钻具接头的位移

 图 3上扣预紧状态下钻具接头母扣合位移云图 Fig.3Resultant displacement nephogram of box drilling tool connection under makeup pre-tightening state
 图 4上扣预紧状态下母扣轴向位移云图 Fig.4Axial displacement nephogram of the box threads under makeup pre-tightening state

3.1.2 钻具接头的接触应力分布

 图 5上扣预紧状态下4种结构钻具接头的接触应力分布 Fig.5Contact stress nephogram for four kinds of connection under makeup pre-tightening state

3.1.3 钻具接头母扣啮合螺纹牙的载荷分布

 图 6上扣预紧状态下钻具接头母扣啮合牙的载荷 Fig.6Loads of engaged box threads for the drilling tool connection under makeup pre-tightening state

1) 在预紧力作用下结构二钻具接头的第1啮合牙的载荷远大于其他结构钻具接头，这是因为结构二钻具接头没有台肩的限制，公扣旋进的轴向位移大于其他结构钻具接头，造成其第1啮合牙过盈量远大于其他结构钻具接头，导致其第1啮合牙的载荷大幅增加。

2) 结构一钻具接头的母扣主台肩处受力方向为x轴正向，所有啮合牙受力方向均为x轴负向，整个母扣受拉伸作用。其中，第2啮合牙的载荷最大(约为320 kN，约是结构二钻具接头最大载荷的3倍)，第3—第15啮合牙的载荷依次降低，第16啮合牙的载荷比第15啮合牙稍高。

3) 结构二钻具接头的母扣两端受压，中间部分受拉(第1啮合牙受力约为100 kN，方向为x轴正向，第2—第9啮合牙受力方向为x轴负向，第10啮合牙的载荷为0，第11—第15啮合牙的受力方向为x轴正向，第16啮合牙受力方向为x轴负向)，考虑到力的相互作用，公扣在预紧后应该两端受拉，中间受压。

4) 结构三钻具接头的母扣副台肩处受力方向为x轴正向，所有啮合牙受力方向均为x轴负向，整个母扣受拉伸作用(第16啮合牙的载荷最大，约为400 kN，第3—第15啮合牙的载荷依次升高，第2啮合牙的载荷比第3啮合牙稍高)，同样考虑到力的相互作用，相应的公扣在预紧后呈压缩状态。

5) 结构四钻具接头的所有啮合牙的载荷大致对称分布(如第2啮合牙与第16啮合牙、第3啮合牙与第15啮合牙、第4啮合牙与第14啮合牙)，靠近台肩的2个啮合牙的载荷大于其他螺纹牙,但都比结构一和结构三钻具接头的相应啮合牙小。母扣在台肩处的受力方向为x轴正向，所以上扣预紧状态下母扣在主台肩段受压，在副台肩段受拉，可见公扣在主台肩段呈拉伸状态，在副台肩段为压缩状态。

3.2 上扣预紧+轴向拉力作用 3.2.1 钻具接头的位移

 图 7上扣预紧+轴向拉力作用下钻具接头母扣轴向位移云图 Fig.7Axial displacement nephogram of box drilling tool connection under makeup pre-tightening and axial tension

3.2.2 钻具接头的接触应力分布

 图 8上扣预紧+轴向拉力作用下不同结构钻具接头的接触应力分布 Fig.8Distribution of contact stress over drilling tool connections under makeup pre-tightening and axial tension
3.2.3 钻具接头母扣啮合牙的载荷分布

 图 9上扣预紧+轴向拉力作用下4种结构钻具接头母扣啮合牙的载荷 Fig.9Loads of engaged box threads for four kinds of drilling tool connection under makeup pre-tightening and axial tension
3.3 钻具接头的薄弱位置和极限扭矩 3.3.1 钻具接头的薄弱位置

 图 104种结构钻具接头的等效塑性应变 Fig.10Equivalent plastic strains for four kinds of drilling tool connection
3.3.2 钻具接头的极限工作扭矩

 图 114种结构钻具接头的工作扭矩的加载过程 Fig.11Loading process of working torque for four kinds of drilling tool connection

1) 稳定上升阶段。钻具接头因预紧接触平衡状态的存在，加载曲线平滑上升。

2) 波动上升阶段。随着工作扭矩增大，上扣预紧平衡被打破，加载曲线小幅回落，直至接头再次形成新的接触平衡，加载曲线又小幅升高，然后新的平衡又被打破，加载曲线又小幅回落，如此反复多个回合，在这一阶段钻具接头的工作扭矩依然在增大。

3) 振荡失效阶段。对接头施加的工作扭矩已达到其承载极限，接头很难再形成新的、稳定的接触平衡，加载曲线上下大幅波动，直至最终接头连接发生失效。

4 结论

1) 台肩对钻具接头的变形有平衡缓冲作用，但主、副台肩的存在又会显著提高台肩附近啮合螺纹牙的载荷。

2) 在上扣预紧之后，无台肩钻具接头因仅有螺纹承受预紧载荷会造成接头发生弯曲，而台肩可以有效缓解这一不利效应。

3) 仅主台肩钻具接头对公扣的预紧效果为拉伸，仅副台肩钻具接头对公扣的预紧效果为压缩，双台肩钻具接头啮合牙的载荷关于中间啮合牙呈类对称方式分布，呈抛物线状。

4) 双台肩钻具接头在施加轴向拉力后2个台肩都发生了分离，应适当提高上扣扭矩，还可以通过调节副台肩间隙来调整双台肩钻具接头的连接性能。

5) 无台肩钻具接头的薄弱位置为前几个啮合牙及靠近公扣小端的啮合牙；仅主台肩钻具接头的薄弱位置位于主台肩附近区域和中间几个啮合牙；仅副台肩和双台肩钻具接头的薄弱位置都位于副台肩附近。

6) 双台肩钻具接头的抗扭能力最强，比无台肩钻具接头高148.5%，比仅主台肩钻具接头高69.4%，比仅副台肩钻具接头高51.4%。

#### 文章信息

DI Qinfeng, JIN Zezhong, WANG Tao, CHEN Feng, WANG Wenchang

The Functional Mechanism of Drilling Tool Shoulder under Complex Load Conditions

Petroleum Drilling Techniques, 2016, 44(04): 27-34.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201604006