祝效華張智

(西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院，成都610500)

5-1/2FH鉆桿接頭極限承載能力研究1)

祝效華2)祝效華，教授，主要從事管柱力學(xué)及井下工具設(shè)計方面的研究工作.E-mail：zxhth113@163.com張智3)張智，碩士研究生.主要從事井下工具及力學(xué)相關(guān)方面的研究.

(西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院，成都610500)

隨著超深井、定向井、水平井、大位移井及大斜度井在石油鉆井工程中的廣泛應(yīng)用，由井下復(fù)雜工況引起的鉆桿接頭過早失效問題日益突出，導(dǎo)致鉆井周期增長，成本增加，成為制約鉆井工程效益的主要因素之一.近年來，不少學(xué)者對鉆桿接頭進行了大量研究，多數(shù)采用二維軸對稱模型，少數(shù)采用三維力學(xué)模型，但并未同時考慮螺紋升角和井眼彎曲作用等因素的影響，而鉆桿接頭的極限承載能力研究更是鮮見報道.針對上述問題，基于虛功原理、von Mises屈服原則及接觸非線性理論，同時考慮螺紋升角和井眼彎曲作用，建立了鉆桿接頭的三維數(shù)值仿真模型與井眼曲率到加載彎矩的轉(zhuǎn)換模型，研究了鉆桿接頭的上扣特性、井眼曲率對連接強度和密封性能的影響，考慮預(yù)緊力、彎曲載荷及動載安全系數(shù)，計算了鉆桿接頭的極限工作拉力和極限工作扭矩.研究結(jié)果表明：上扣扭矩使鉆桿接頭產(chǎn)生一定的初始接觸壓力，保證鉆桿接頭井下作業(yè)過程中的連接強度與密封性能；井眼曲率對鉆桿接頭井下作業(yè)過程中的連接強度與密封性能影響極大，常見的某些工況會導(dǎo)致鉆桿接頭的連接強度和密封性能喪失，考慮服役時的隨機振動與沖擊，常規(guī)的超深井、水平井、定向井、大位移井及大斜度井彎曲段鉆桿接頭的設(shè)計和選型應(yīng)著重考慮井眼曲率的影響；針對設(shè)計的每種鉆桿接頭，都應(yīng)考慮常見的井眼曲率和軸向拉伸載荷進行極限工作拉力和極限工作扭矩的精細化數(shù)值計算，以確保其安全工作.

鉆桿接頭,上扣特性,井眼曲率,連接強度,密封性能,工作安全性

鉆桿接頭的過早失效問題是鉆井工程中常見的難題.在鉆井過程中，鉆桿接頭處于相當(dāng)重要的地位，其工作環(huán)境惡劣，受力十分復(fù)雜，它往往是鉆井工具中最為薄弱的環(huán)節(jié)之一[1].近年來，隨著能源需求量的增加，在超深井、水平井、定向井、大位移井及大斜度井旋轉(zhuǎn)鉆進模式下鉆桿接頭過早失效問題越發(fā)突出.據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計，全國油(氣)田每年至少發(fā)生500起鉆柱失效事故，直接經(jīng)濟損失達4000萬元以上，其中絕大多數(shù)失效事故與鉆桿接頭密切相關(guān)[2].

國內(nèi)外油(氣)井鉆桿接頭的失效問題相當(dāng)嚴重，在整個鉆桿組件失效中，鉆桿接頭失效約占60%，其他部位失效約占40%[3].一旦發(fā)生失效事故，輕則停工打撈，費時耗力；重則導(dǎo)致全井報廢，造成嚴重的經(jīng)濟損失.國內(nèi)外很早就對鉆桿接頭作了大量研究，在大量理論與實驗的基礎(chǔ)上建立了較為合理的力學(xué)模型，可以對鉆桿接頭的力學(xué)性能進行比較準(zhǔn)確的預(yù)測.狄勤豐等[4]建立了雙臺肩鉆桿接頭的三維力學(xué)模型，研究了雙臺肩鉆桿接頭在上扣扭矩、軸向拉力與彎矩作用下的力學(xué)性能；李明等[5]建立了鉆具接頭的二維軸對稱模型，對鉆具接頭螺紋應(yīng)力分布與結(jié)構(gòu)優(yōu)化展開了深入研究；明鑫等[6]針對氣體攜巖對鉆桿接頭的沖蝕規(guī)律進行了深入研究；莊泳等[7]建立了鉆桿接頭二維軸對稱力學(xué)模型，分析了鉆桿接頭在不同緊扣圈數(shù)及拉伸載荷下的受力；Shahani等[8]對鉆桿接頭接觸應(yīng)力和拉伸應(yīng)力集中系數(shù)進行了數(shù)值模擬研究；Korin等[9]提出在接頭應(yīng)力最大處引入可控的殘余壓應(yīng)力，以緩解疲勞裂紋的產(chǎn)生；Akyildiz等[10]通過實驗的方法研究了加工參數(shù)對螺紋接頭連接強度的影響；Tikhonov等[11]研究了超深井中鉆桿接頭的腐蝕問題，通過實驗得出了材料的S-N曲線，定義了鉆桿接頭的應(yīng)力集中系數(shù)，通過數(shù)值計算獲得了接觸面和交界面的摩擦系數(shù).上述研究主要集中于二維軸對稱模型，少數(shù)采用三維力學(xué)模型，但并未同時考慮螺紋升角和井眼彎曲作用，無法準(zhǔn)確反映實際工況條件下的力學(xué)性能.針對鉆桿接頭的極限承載能力研究更是鮮有報道.

針對上述問題，基于虛功原理、von Mises屈服原則及接觸非線性理論，同時考慮螺紋升角和井眼彎曲作用，建立了鉆桿接頭的三維數(shù)值仿真模型和井眼曲率到加載彎矩的理論轉(zhuǎn)換模型，研究了鉆桿接頭的上扣特性，井眼曲率對連接強度和密封性能的影響，綜合考慮預(yù)緊力、彎曲載荷和動載安全系數(shù)，通過大量數(shù)值計算，繪制鉆桿接頭的極限工作拉力圖版和極限工作扭矩圖版.

1 鉆桿接頭分析力學(xué)原理

鉆井過程中，鉆桿接頭受力一般處于彈性范圍內(nèi)，在井下多工況作用下的力學(xué)行為可視為復(fù)雜的空間彈性問題.考慮工程安全性，以屈服極限為判別標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)值計算時采用Hook定理.假定整個過程受力連續(xù)穩(wěn)定，且將鉆桿接頭視為各向同性的均質(zhì)體，根據(jù)廣義虎克定律可推導(dǎo)出鉆桿接頭的彈性應(yīng)變增量本構(gòu)方程[12]

式中，G為剪切模量，Pa；Sij為Kirchho ff應(yīng)力張量，Pa；σm為靜水壓力，Pa；K為體積彈性模量，Pa；δij為Kronecker符號.

根據(jù)Euler應(yīng)力張量和Kirchho ff應(yīng)力張量表示的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，可推導(dǎo)出鉆桿接頭連接螺紋的有限元控制方程[13]

式中,σij為Euler應(yīng)力張量，Pa；δεij為虛應(yīng)變；A為現(xiàn)時構(gòu)型中的表面積，m2；V0為初始構(gòu)型中的體積，m3；fi為單位表面力載荷，N；δui為虛位移，m.

2 鉆桿接頭數(shù)值仿真模型

2.1 鉆桿接頭三維數(shù)值仿真模型

以API 5 1/2 FH(φ177.8mm×101.6mm)鉆桿接頭[14]為對象，基于螺紋接頭三維分析評價技術(shù)，建立鉆桿接頭的三維數(shù)值仿真模型.鉆桿接頭材料為37CrMnMo，彈性模量為206GPa，泊松比為0.28，屈服強度為931MPa，抗拉強度為1080MPa.考慮螺紋脂的影響，在數(shù)值計算過程中，摩擦系數(shù)取0.08[15].

為了提高計算效率和保證計算結(jié)果精度，對模型進行假設(shè)：(1)鉆桿接頭視為各向同性、連續(xù)的均質(zhì)體；(2)不考慮鉆桿接頭硬化和蠕變帶來的影響.采用Abaqus/explicit有限元程序中的C3D8R六面體單元對鉆桿接頭進行網(wǎng)格單元劃分.由于螺紋部分屬于高應(yīng)力區(qū)，因此對其進行網(wǎng)格細化處理，以確保計算精度，其最小控制尺寸為1，非螺紋連接部分的最大控制尺寸設(shè)為10，以提高計算效率.鉆桿接頭共劃分網(wǎng)格單元106080個，公扣54720個，母扣51360個，數(shù)值仿真模型如圖1所示.

圖1 鉆桿接頭數(shù)值仿真模型

邊界條件：在外螺紋非螺紋端面中心建立參考點，使其與端面進行kinematic耦合，在該參考點施加固支邊界，消除自由度.在內(nèi)螺紋非螺紋端面中心建立參考點，將其與端面kinematic耦合，在該參考點施加外載荷.考慮幾何非線性和接觸非線性的存在，計算中將幾何非線性開關(guān)打開，采用罰函數(shù)法定義庫倫摩擦形式的接觸條件.由于鉆桿接頭在受扭矩載荷作用時，其接觸表面是不斷變化的，呈現(xiàn)高度接觸非線性狀態(tài).Abaqus/explicit為解決這類高度接觸非線性問題提供了兩種接觸處理：一種是面面接觸；另一種是通用接觸.本文采用通用接觸來設(shè)置接頭嚙合面間的接觸關(guān)系，控制表面間的容納極限，從而使整個接觸分析精確穩(wěn)定.

2.2 數(shù)值仿真模型驗證

為了確保計算結(jié)果的可靠性，首先建立了與文獻[16]規(guī)格相同的連接螺紋數(shù)值仿真模型，研究了實驗工況(軸向拉力1200.96kN)下接箍外緣處的應(yīng)力分布，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比如圖2所示.從圖中可以看出，模擬結(jié)果和實驗結(jié)果趨勢相同，最大誤差為5.75%，進而驗證了本文三維數(shù)值仿真模型建模方法的精確性.

圖2 模擬結(jié)果和實驗結(jié)果對比

3 鉆桿接頭上扣特性分析

3.1 上扣過程與受力特征

為了保證鉆桿接頭在井下作業(yè)時的連接強度和密封能力，首先對鉆桿接頭進行預(yù)緊上扣，上扣如圖3所示.上扣過程控制：(1)保證公扣與母扣的對中性，防止因?qū)χ行圆蛔阍斐傻倪^上扣；(2)控制上扣扭矩達到最佳上扣扭矩，防止上扣不足.

圖3 鉆桿接頭上扣過程示意圖

鉆桿接頭二維軸對稱模型忽略了螺紋牙的螺旋升角，各螺紋牙相互獨立，在扭矩載荷作用下，公扣將相對于母扣持續(xù)轉(zhuǎn)動，無法完成鉆桿接頭上扣特性分析.鉆桿接頭三維力學(xué)模型的優(yōu)點在于考慮了螺紋牙的螺旋升角，可以有效模擬扭矩載荷作用下的應(yīng)力特性.在上扣扭矩作用下，公扣沿著母扣螺旋方向運動直到擰緊，從而實現(xiàn)鉆桿接頭的預(yù)緊上扣，鉆桿接頭受力特征如圖4所示.

圖4 上扣扭矩作用下鉆桿接頭受力特征

3.2 上扣扭矩下的應(yīng)力特征

根據(jù)API RP-7G規(guī)定[17]：計算過程中鉆桿接頭上扣推薦水平為496.6MPa，上扣扭矩是基于上扣到危險截面發(fā)生屈服的60%基礎(chǔ)上的，在正常上扣過程中螺紋本身并不會發(fā)生破壞.對鉆桿接頭施加45kN·m的上扣扭矩，采用平滑的直線加載，利用Abaqus/explicit模擬鉆桿接頭的上扣過程，完成鉆桿接頭的上扣特性分析，結(jié)果如圖5所示.

圖5 最大Mises應(yīng)力和接觸壓力分布

圖5給出了上扣扭矩作用下鉆桿接頭各有效嚙合螺紋牙的最大Mises應(yīng)力和接觸壓力.從圖中可以看出，在上扣扭矩作用下，鉆桿接頭上的Mises應(yīng)力分布極其不均勻，公扣和母扣第一有效嚙合螺紋牙根附近呈現(xiàn)顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象.在上扣扭矩作用下，鉆桿接頭的最大Mises應(yīng)力為493.78MPa.根據(jù)API RP 7G推薦，上扣扭矩在鉆桿接頭上產(chǎn)生的初始應(yīng)力為504MPa[18].數(shù)值模擬計算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定之間的彈性應(yīng)力誤差約為2.03%，進一步驗證了模型的精確性.上扣扭矩使鉆桿接頭接觸面間產(chǎn)生了一定的初始接觸壓力，保證了鉆井過程中的連接強度與密封性能.

4 彎曲段鉆桿接頭力學(xué)特性

4.1 彎曲段鉆桿接頭彎矩載荷計算

在鉆井過程中，當(dāng)鉆桿接頭經(jīng)過彎曲段時，會承受井眼軌跡形成的彎矩載荷.為了分析井眼曲率對鉆桿接頭力學(xué)性能的影響，需將井眼曲率轉(zhuǎn)化為彎矩，從而在鉆桿接頭載荷邊界條件上施加彎矩載荷.假設(shè)鉆桿接頭與井眼軌跡同軸線，根據(jù)經(jīng)典平面彈性梁理論，可得井眼彎曲段鉆桿接頭的曲率計算模型[19]

式中，ρ為井眼曲率半徑，m；M為鉆桿接頭承受彎矩，N·m；E為彈性模量，Pa；Iz為鉆桿接頭極慣性矩，m4.

式(3)是純彎曲條件下的模型，且此處僅僅是為了將井眼曲率轉(zhuǎn)換為可施加的彎矩載荷，并不受其他條件限制，因而適用于此.鉆桿接頭在井眼彎曲段的彎曲情形可視為與梁結(jié)構(gòu)相同的彎曲狀態(tài)，通過圖6可計算出鉆桿接頭在彎曲井段的曲率半徑ρ.將曲率半徑計算式(4)代入式(3)，可推導(dǎo)出0?/(30m)～90?/(30m)井眼曲率到加載彎矩的轉(zhuǎn)換模型，如式(5)所示

式中,k為井眼曲率，(?/(30m)).

圖6 井眼曲率半徑計算模型示意圖

實際工程中，φ177.8mm×101.6mm的鉆桿接頭常用于鉆直徑為φ311mm的井眼，這種井眼的造斜率極少超過10?/(30m)，但考慮到中長半徑井眼的造斜率一般為2?/(30m)～20?/(30m)，因此通過彎矩載荷計算模型計算出了20?/(30m)以內(nèi)井眼曲率對應(yīng)的彎矩，如表1所示.表中數(shù)據(jù)將作為后續(xù)分析的彎矩載荷，也可為現(xiàn)場中長半徑井眼曲率井眼鉆桿接頭的設(shè)計和選型提供理論依據(jù).

表1 不同井眼曲率時鉆桿接頭彎矩載荷

4.2 井眼曲率對鉆桿接頭的影響

以NP1-86井為例，當(dāng)評價NP1-86井東一段產(chǎn)能時，計算得出彎曲段鉆桿接頭承受的軸向拉伸載荷為1000kN，工作扭矩為15kN·m，造斜率平均為1.6?/(30m).考慮井底敞口和鉆井液的冷卻作用，忽略內(nèi)外壓差和井眼溫度的影響.對緊扣(上扣扭矩45kN·m)后的鉆桿接頭施加拉、彎、扭復(fù)合載荷(軸向拉力1000kN、扭矩15kN·m、井眼曲率分別取0?/(30m),4?/(30m),8?/(30m),12?/(30m), 16?/(30m)和20?/(30m))，分析井眼曲率對鉆桿接頭連接強度與密封性能的影響，結(jié)果如圖7～圖9所示.

圖7給出了不同井眼曲率時鉆桿接頭的最大Mises應(yīng)力和軸向位移.從圖中可以看出，公扣最大Mises應(yīng)力大于母扣最大Mises應(yīng)力，公扣最大軸向位移大于母扣最大軸向位移，在井眼曲率20?/(30m)時情形相反.隨著井眼曲率的增大，公扣最大Mises應(yīng)力、母扣最大Mises應(yīng)力、公扣最大軸向位移及母扣最大軸向位移均呈現(xiàn)不斷增大的趨勢.當(dāng)井眼曲率從0?/(30m)～20?/(30m)變化時，公扣最大Mises應(yīng)力增大11.38%，母扣最大Mises應(yīng)力增大15.49%，公扣最大軸向位移增大77.78%，母扣最大軸向位移增大363.64%.由此可見，井眼曲率對鉆桿接頭的連接性能影響極大.

圖7 不同井眼曲率時最大Mises應(yīng)力與軸向位移

圖8給出了不同井眼曲率時公扣第一有效嚙合螺紋牙周向Mises應(yīng)力分布.從圖中可以看出，井眼曲率使鉆桿接頭螺紋一邊受拉，一邊受壓.最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在拉伸邊中軸附近，最小Mises應(yīng)力出現(xiàn)在壓縮邊中軸附近.隨著井眼曲率的增加，鉆桿接頭螺紋牙周向Mises應(yīng)力分布波動越劇烈，拉伸邊應(yīng)力逐漸增大，壓縮邊應(yīng)力逐漸減小.這種周向應(yīng)力分布不均的現(xiàn)象可能會降低鉆桿接頭抗擠壓能力.由此可見，超深井、水平井、定向井、大位移井及大斜度井彎曲段鉆桿接頭的設(shè)計和選型應(yīng)著重考慮井眼曲率的影響.

圖8 公扣第一有效嚙合螺紋牙周向Mises應(yīng)力

圖9給出了不同井眼曲率時鉆桿接頭臺肩上的周向接觸壓力分布.從圖中可以看出，井眼曲率使臺肩預(yù)緊力一側(cè)被釋放，一側(cè)被加強.最大接觸壓力出現(xiàn)在加強側(cè)中軸附近，最小接觸壓力出現(xiàn)在釋放側(cè)中軸附近.隨著井眼曲率增大，臺肩上的周向接觸壓力分布不均勻性加劇，臺肩上釋放側(cè)的接觸壓力逐漸減小，加強側(cè)的接觸壓力逐漸增大.當(dāng)井眼曲率從0?/(30m)～20?/(30m)變化時，臺肩上的最小接觸壓力降為119.22MPa，最大接觸壓力增大到750.80MPa.這種周向接觸壓力的過度非均勻性分布降低了鉆桿接頭的密封性能.

圖9 臺肩周向接觸壓力分布

4.3 極限工作拉力圖版

在正常鉆井作業(yè)中，考慮內(nèi)外壓差的平衡性和鉆井液的冷卻作用，忽略內(nèi)外壓差和井眼溫度的影響.由于井眼曲率對鉆桿接頭的井下作業(yè)安全性影響較大，為了給現(xiàn)場安全施工提供理論依據(jù)，計算了不同井眼曲率時鉆桿接頭的極限工作拉力.考慮鉆井時的動載作用，取1.3的安全系數(shù)[20]，界定出鉆桿接頭的工作安全區(qū)、警告區(qū)和危險區(qū)，鉆桿接頭的極限工作拉力圖版如圖10所示.

圖10 鉆桿接頭極限工作拉力圖版

圖10給出了不同井眼曲率時鉆桿接頭的極限工作拉力圖版.從圖中可以看出，圖版分為3個區(qū)域：黑色對應(yīng)危險區(qū)，白色對應(yīng)警告區(qū)、灰色對應(yīng)安全區(qū).灰色和白色區(qū)域之間的分界線即為鉆桿接頭的軸向極限工作拉力.通過極限工作拉力可以計算出造斜點以下的極限鉆進深度.隨著井眼曲率的增大，軸向極限工作拉力逐漸降低.考慮服役時的隨機振動與沖擊，針對設(shè)計的每種鉆桿接頭，都應(yīng)考慮常見的井眼曲率進行極限工作拉力的精細化數(shù)值計算，以判斷該型接頭能否滿足設(shè)計井筒長度的懸掛能力要求.在實際應(yīng)用中，應(yīng)盡可能使實際軸向工作拉力落在圖中灰色區(qū)域.對圖中安全區(qū)與警告區(qū)的分界線進行二次多項式擬合，可擬合得到鉆桿接頭在不同彎曲井眼中的極限工作拉力連續(xù)型理論計算模型

4.4 極限工作扭矩圖版

卡鉆是鉆井過程中最為常見的井下難題之一.在卡鉆時的解卡作業(yè)中，大軸向載荷上提鉆柱是普遍的做法.頂驅(qū)的出現(xiàn)使得上提過程同時旋轉(zhuǎn)鉆桿成為可能，提高了解卡作業(yè)能力，但不當(dāng)?shù)慕饪ㄗ鳂I(yè)扭矩會導(dǎo)致鉆桿接頭失效.針對上述問題，計算出了鉆桿接頭的極限工作扭矩，為卡鉆時解卡作業(yè)扭矩的選取提供了理論依據(jù).考慮井下動載作用的影響，取1.3的安全系數(shù)，界定出工作安全區(qū)、警告區(qū)和危險區(qū)，鉆桿接頭的極限工作扭矩圖版如圖11所示.

圖11 鉆桿接頭極限工作扭矩圖版

圖11給出了不同拉伸載荷時鉆桿接頭的極限工作扭矩圖版.從圖中可以看出，圖版黑色對應(yīng)危險區(qū)，白色對應(yīng)警告區(qū)、灰色對應(yīng)安全區(qū).灰色和白色區(qū)域之間的分界線即為鉆桿接頭的極限工作扭矩.通過極限工作扭矩可以合理地進行解卡作業(yè)扭矩與鉆井工作扭矩的選取.隨著軸向拉伸載荷的增大，極限工作扭矩逐漸降低.由此可見，針對設(shè)計的每種鉆桿接頭，都應(yīng)考慮常見的軸向拉伸載荷進行極限工作扭矩的精細化數(shù)值計算，以確保工作扭矩和解卡作業(yè)扭矩處于安全范圍內(nèi).推薦操作：盡可能使實際鉆井作業(yè)扭矩和解卡作業(yè)扭矩落在圖中灰色區(qū)域.對圖中安全區(qū)與警告區(qū)分界線進行二次多項式擬合，可擬合得到鉆桿接頭的極限工作扭矩連續(xù)型理論計算模型

式中,Mmax極限工作扭矩，kN·m；F為軸向拉伸載荷，kN.

5 結(jié)論

(1)考慮螺紋升角和井眼彎曲作用的影響，建立了鉆桿接頭的三維數(shù)值仿真模型與井眼曲率到加載彎矩的轉(zhuǎn)換模型，突破了二維軸對稱模型不能準(zhǔn)確分析彎矩載荷、扭矩載荷及復(fù)合載荷的局限性.

(2)井眼曲率對鉆桿接頭的連接性能影響極大，導(dǎo)致鉆桿接頭螺紋周向Mises應(yīng)力和臺肩周向接觸壓力過度非均勻性分布，大大降低了鉆桿接頭的抗擠壓能力和密封性能.

(3)綜合考慮上扣扭矩、彎曲載荷與動載安全系數(shù)，經(jīng)過大量數(shù)值計算，繪制了鉆桿接頭的極限工作拉力圖版和極限工作扭矩圖版，為計算造斜點以下的極限鉆進深度與解卡作業(yè)扭矩的選取提供了理論依據(jù).

(4)考慮鉆桿使用中的隨機振動與沖擊，設(shè)計每種鉆桿接頭時都應(yīng)考慮常見的井眼曲率和軸向拉伸載荷,進行極限工作拉力和極限工作扭矩的精細化數(shù)值計算，以確保其安全工作.

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18胡辛禾.鉆桿接頭用的螺紋脂試驗.國外石油機械,1994,5(2): 68-72

19劉鴻文.材料力學(xué)(第5版).北京:高等教育出版社,2011

20陳平.鉆井與完井工程.北京:石油工業(yè)出版社,2005

(責(zé)任編輯:周冬冬)

THE ULTIMATE BEARING CAPACITY OF THE 5-1/2 FH DRILL PIPE JOINT1)

ZHU Xiaohua2)ZHANG Zhi3)
(Mechatronical Engineering School,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

With the wide applications of the logging technologies of the ultra-deep well,the horizontal well,the directional well,the extended-reach well and the highly-deviated well in the petroleum drilling engineering,the premature failure of the drill pipe joint caused by underground complex working conditions becomes increasingly a prominent issue,and it results in the increase of the drilling period and the drilling cost,as well as the reduction of the drilling efficiency.In recent years,the drill pipe joint was extensively studied,mainly focusing on the 2D axisymmetric model,with a few on the 3D mechanical model,but without consideration of the in fl uence of the angle of thread and the bending of the hole at the same time.The ultimate bearing capacity of the drill pipe joint was not well studied.In this paper,a 3D numerical simulation model of the drill pipe joint and a model toconvert the borehole curvature to the loading moment are established based on the principle of the virtual work, the von Mises yield criterion and the nonlinear contact theory,taking account of the in fl uence of the angle of thread and the bending of the hole at the same time.The make-up property of the drill pipe joint is studied,as well as the in fl uences of the borehole curvature on the connection strength and the sealing property of the drill pipe joint,and the ultimate working pull and the ultimate working torque of the drill pipe joint are calculated with consideration of the preload,the bending load and the dynamic load safety factor.It is shown that the make-up torque can provide a certain initial contact pressure to ensure the connection strength and the sealing property of the drill pipe joint in the process of the downhole operation.The borehole curvature has a great in fl uence on the connection strength and the sealing property of the drill pipe joint in the process of the downhole operation.The connection strength and the sealing property of the drill pipe joint will be much a ff ected under some common operating conditions.In consideration of the random vibration and the shock of service,the drill pipe joint used for the common ultra-deep well,the horizontal well,the directional well,the extended-reach well and the highly deviated well should be designed and selected with due consideration of the in fl uence of the borehole curvature.For each kind of drill pipe joint to be designed,the accurate numerical calculation of the ultimate working pull and the ultimate working torque should be conducted for the corresponding borehole curvature and the axial tensile load to ensure safety.

drill pipe joint,make-up property,borehole curvature,connection strength,sealing performance, work safety

TE921.2

A

10.6052/1000-0879-16-288

2016–09–05收到第1稿，2016–10–20收到修改稿.

1)國家自然科學(xué)基金(51674214)和四川省青年科技創(chuàng)新團隊項目(2017TD0014)資助.

祝效華,張智.5-1/2 FH鉆桿接頭極限承載能力研究.力學(xué)與實踐,2017,39(2):158-164 Zhu Xiaohua,Zhang Zhi.The ultimate bearing capacity of the 5-1/2 FH drill pipe joint.Mechanics in Engineering, 2017,39(2):158-164