趙旻昕

(中國電子科技集團公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引 言

鉆鋌主要用來給鉆頭提供鉆壓，使鉆桿處于受壓狀態(tài)，并以其較大的剛度扶正鉆頭，保持井眼軌跡。普通鉆鋌為光滑的厚壁圓管，兩端加工有連接螺紋;但在特殊情況下，需要將鉆鋌連接螺紋扣形進行改動，以滿足使用要求。在石油鉆井過程中，鉆鋌承受非常復(fù)雜的載荷，鉆鋌接頭幾乎同時承受內(nèi)壓、外壓、軸力、彎矩和扭矩的作用，在鉆井過程中因泥漿的循環(huán)和鉆柱的振動使得這些載荷都屬于動載，在這些復(fù)雜載荷作用下，鉆鋌連接處有可能失效，因此常需要對其進行校核。符合API 規(guī)范鉆鋌的各項指標(biāo)，比如彎曲強度比，最小上扣扭矩，允許狗腿度等可以通過鉆井工具手冊查到，而非API鉆鋌沒有手冊可查，為保證非API 鉆鋌在允許的條件下正常工作，需要對其彎曲強度比等進行強度校核。特別是隨著隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)的研制，比如電磁波隨鉆和電阻率隨鉆測量系統(tǒng)等，為滿足儀器使用要求，時有改變鉆鋌的尺寸以及螺紋扣型，這樣就會削弱鉆鋌的連接強度，嚴(yán)重時引起鉆鋌事故。因此，對非API 鉆鋌進行強度校核對減少鉆井事故的發(fā)生有重要意義。根據(jù)對以往API 鉆鋌文獻的研究，本文總結(jié)了非API 鉆鋌的強度校核方法。

1 基本模型及受力分析

非API 標(biāo)準(zhǔn)的鉆鋌連接模型如圖1 所示，假設(shè)根據(jù)設(shè)計要求，鉆鋌外徑和內(nèi)徑需要改變，錐螺紋根據(jù)設(shè)計要求(比如連接螺紋噴涂絕緣層)需要改變螺紋尺寸。

圖1 基本模型

圖1 中，d1為內(nèi)螺紋大端直徑，mm;d2為鉆鋌內(nèi)徑，mm;d3為外螺紋末端Ab處的內(nèi)螺紋牙底直徑，mm;d4為距離臺肩面3/8 in(AB)處內(nèi)螺紋錐孔直徑，mm;D1為鉆鋌外徑，mm;D2為距離臺肩面3/4 in(AP)處外螺紋牙底直徑，mm。(1 in=25.4 mm)

1.1 非API 標(biāo)準(zhǔn)鉆鋌的彎曲強度比校核

式中:Zb、ZP為內(nèi)、外螺紋接頭的截面模數(shù)。

由于鉆鋌內(nèi)螺紋外徑比外螺紋大徑磨損要快得多，這就會使抗彎強度比不斷下降。當(dāng)抗彎強度比小于2時，鉆鋌內(nèi)螺紋就會出現(xiàn)問題，比如內(nèi)螺紋脹大、開裂或螺紋最后一牙出現(xiàn)疲勞裂紋等。當(dāng)增大到3.2:1 以上時，可能引起外螺紋斷裂。從(1)式中可以看出彎曲強度比值表明了母扣和公扣的強度或壽命的相對值，其大小主要取決于接頭內(nèi)、外徑和連接螺紋的尺寸。各油田地層巖性不一，鉆鋌磨損情況也不盡相同。因此，適用于某一油田的鉆鋌最小抗彎強度比，對于其他油田不一定適用，各油田應(yīng)根據(jù)本地區(qū)的實踐經(jīng)驗及其他一些條件來確定適用于本地區(qū)的抗彎強度比。

1.2 公接頭和母接頭危險截面的控制

母扣壓縮面面積SB是緊扣后距臺肩面3/8 in(AB)處母扣斷面面積為:

公扣拉伸面面積SP是緊扣后距臺肩面3/4 in(AP)處公扣斷面面積為:

臺肩預(yù)緊力是由緊扣扭矩產(chǎn)生的，當(dāng)SB/SP為1 時，臺肩橫向應(yīng)力分布最理想。當(dāng)SB/SP大于1 時，緊扣后母扣強、公扣弱，臺肩面兩側(cè)的壓縮應(yīng)力值小于公扣上的拉伸應(yīng)力值。這種情況下，可以通過改變扣型來減小臺肩面，即不增加較大的拉伸應(yīng)力值，而增加較小的壓縮應(yīng)力值，使得臺肩壓緊負荷增加。當(dāng)SB/SP小于1 時，緊扣后母扣弱，公扣強，臺肩面兩側(cè)的壓縮應(yīng)力值大于公扣上的拉伸應(yīng)力值，這種情況下，可以通過改變扣型來增大臺肩面，即不增加較大的壓縮應(yīng)力值，而增加較小的拉伸應(yīng)力值，使得臺肩壓緊負荷增加［2、3］。

1.3 最小上扣扭矩的計算

因為臺肩面是鉆鋌螺紋唯一的密封面，只有在足夠的負荷下，才能保證鉆鋌的密封性能，也不會因臺肩面分離而導(dǎo)致疲勞應(yīng)力陡升。鉆鋌螺紋臺肩負荷是由緊扣扭矩作用產(chǎn)生的，根據(jù)API RP 7G 推薦旋轉(zhuǎn)臺肩連接上扣扭矩公式［4］為:

式中，

T 為最小上扣扭矩(N·m);p 為螺距(mm);f 為摩擦系數(shù)(0.08);θ 為螺紋牙半角(°);Rt為螺紋牙平均半徑(mm);RS-臺肩接觸面的平均半徑(mm);S 為鉆鋌危險截面面積(mm2);(取SB和SP較小值);σt為截面應(yīng)力(MPa);API 連接(正規(guī)型、數(shù)字型、貫眼型和內(nèi)平型)為431 MPa;2連接為603 MPa;H90 連接為387 MPa)。

上式中除了T、σt、f 以外，其余參數(shù)均為螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)。在實際使用中，可變的也只有T、σt、f。如果按照標(biāo)準(zhǔn)的API 緊螺紋扭矩值T 緊螺紋，使用的螺紋潤滑脂的摩擦系數(shù)f 若大于標(biāo)準(zhǔn)值，則臺肩負荷F 就會小于標(biāo)準(zhǔn)值，在臺肩接觸面上不能產(chǎn)生足夠的彈性變形，不能形成足夠的液力密封，可能導(dǎo)致螺紋刺漏等失效。若f 小于標(biāo)準(zhǔn)值，則臺肩負荷F 就會大于標(biāo)準(zhǔn)值，如此以來，在臺肩接觸面上將產(chǎn)生一定的塑性變形，也不能形成足夠的液力密封，導(dǎo)致螺紋刺漏等失效。因此，選用適當(dāng)?shù)穆菁y潤滑脂，涂滿在連接螺紋和臺肩面上。推薦的螺紋脂是含有40% ～60%(重量百分比)金屬鋅粉末或者含有60%(重量百分比)鉛粉末、活性硫含量不超過0.3%的螺紋脂。

1.4 鉆鋌最大狗腿度計算

對狗腿度(全角變化率)定義為“單位井段長度井眼軸線在三維空間的角度變化”，而單位井段長度取決于生產(chǎn)實際中測斜需要。它既包含了井斜角的變化又包含著方位角的變化。常用“°/30m”表示。井眼全角變化率引起的管桿彎曲，降低了管桿的自由度，將發(fā)生應(yīng)力的集中釋放，使固定閥在下沖程中有開啟過程，造成漏失，降低了泵效。井的全角變化率過大會增加鉆井和采油作業(yè)的困難，易導(dǎo)致井下事故。

設(shè)井眼狗腿度為β(°/30m)，則鉆鋌上的最大應(yīng)力為［5］:

式中，E 為鉆鋌材料彈性模量;D1為鉆鋌外徑;k 為螺紋應(yīng)力集中系數(shù)(可根據(jù)neuber 法計算彎曲載荷作用時內(nèi)螺紋和外螺紋的應(yīng)力集中系數(shù))。

假設(shè)最大應(yīng)力達到材料屈服極限，σmax= σs，則井眼最大狗腿度為:

假設(shè)鉆鋌允許狗腿度γ，n 為設(shè)計安全系數(shù)，則鉆鋌允許的最大狗腿度:

2 算例

以隨鉆測量儀器用的鉆鋌為例，已知鉆鋌外徑D1=71 mm，內(nèi)徑d2=30 mm，材料為QBe2，API 推薦的連接螺紋無法使用，需要根據(jù)鉆鋌實際尺寸設(shè)計螺紋。

首先根據(jù)鉆鋌內(nèi)徑和外徑確定合適的螺紋牙型、錐度、螺距等參數(shù)，參見圖2，計算得出基面中徑C =53.817 mm，外螺紋長度Lpc=65 mm，距離臺肩面3/4 in處外螺紋牙底直徑D2=50.26 mm，內(nèi)螺紋大端直徑d1=59.2 mm，外螺紋末端處的內(nèi)螺紋牙底直徑d3=49.1 mm;距離臺肩面3/8 in 處內(nèi)孔直徑d4=59.1 mm，螺距p=6.35 mm，摩擦系數(shù)f = 0.08 ，螺紋牙半角θ = 30° ，螺紋平均半徑Rt=24.9 mm，臺階接觸的平均半徑RS=32.55 mm，鉆鋌臺肩面應(yīng)力σt=431 MPa。

圖2 螺紋牙型和錐度

鉆鋌的彎曲強度比

彎曲強度比1.9 ≤BSR = 2.5 ≤3.2 ，在彎曲強度比的許可變化范圍內(nèi)且接近2.5:1，避免了早期失效。

母扣壓縮面面積SB為:

公扣拉伸面面積SP為:

則SB/SP= 0.95 接近于1，臺肩橫向應(yīng)力分布較為合理。

鉆鋌最小上扣扭矩:

只要上扣扭矩滿足鉆鋌的最小上扣扭矩，即可保證鉆鋌的密封和連接強度。

3 結(jié) 論

在設(shè)計非API 鉆鋌時，為保證鉆鋌具有較高的強度和使用壽命，需要對鉆鋌進行分析計算。通過分析得出以下結(jié)論:(1)首先是鉆鋌的彎曲強度比校核，大小主要取決于接頭內(nèi)、外徑和連接螺紋尺寸，設(shè)計時應(yīng)盡量使彎曲強度比接近2.5:1，實現(xiàn)接頭的平衡連接，避免早期失效;(2)公接頭和母接頭危險截面之比應(yīng)越接近1 越合理;(3)由于鉆鋌尺寸和螺紋尺寸的改變，需要計算鉆鋌的最小上扣扭矩，保證臺肩面有足夠的預(yù)緊力，只有在足夠的預(yù)緊力下，才能保證鉆鋌的密封性能;(4)通過計算非API 規(guī)范鉆鋌允許的最大狗腿度，為在鉆井過程中減少井下事故提供參考。

［1］杜曉瑞. 鉆井工具手冊［M］. 北京:石油工業(yè)出版社，2000，1.

［2］吳永澤，歐陽奘孺.如何合理選擇鉆鋌扣型［J］. 石油鉆采工藝，1985，7(5):39 -44.

［3］屈 展，王建軍.石油鉆鋌接頭受力與彎曲強度比關(guān)系討論［J］. 寧夏工學(xué)院學(xué)報，1996，59 -62.

［4］美國石油學(xué)會.API RP 7G 鉆柱設(shè)計與操作限度的推薦作法［S］. 北京:石油工業(yè)出版社，1995.

［5］王建軍，張紹槐，狄勤豐.鉆柱抗彎強度分析［J］. 西安石油學(xué)院學(xué)報，1995，(2):29 -31.