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新型随钻安全接头及其强度有限元分析

发布于:2020-03-30 18:47
有限元分析

       对安全接头的有限元分析时,常规安全接头主要由上接头、下接头和密封圈组成,其工作原理为:锯齿形安全接头的宽锯齿形螺纹为左旋螺纹,相互间配合较松,上紧后靠凹凸斜面锁紧。当上、下接头锁紧后可传递轴向负荷和正向扭矩,尤如一整体。当反转管柱时,首先使上、下接头接触面解锁,进而使公母螺纹退开,从而使上部管柱与被卡工具脱开。常规安全接头关键是上、下接头的正扣连接,一般可满足卡钻事故处理的要求,但使用中发现它工作不可靠,主要表现在:一是在偶然停钻时,钻柱弹性恢复,连接在不要求倒开时而倒开;二是沿井深长钻柱各处的摩擦力是随机的,倒扣时不能保证连接处倒扣矩最大,从而不能保证在连接处倒开。为了解决常规安全接头的不可靠问题,研制新型随钻安全接头是十分必要的。
       为此,研制的新型随钻安全接头是从实际出发,在对钻井事故处理不断探索和总结的基础上,迈出的重要一步。根据钻井卡钻特点,确定卡钻频繁出现的部位,新型随钻安全接头既起到接头的连接作用,又可在特殊清况下,需要将其倒开时,随时可倒开。由于该随钻安全接头置于整个钻具的底部区域,且在钻井当中一直处于随钻状态,故需承受高泵压、高抗拉、高抗扭、高抗压(挂卡时要大力上提钻具,下钻当中可能出现突然的阻卡现象)等各种复杂受力。因此,该产品应具有较高的强度指标,技术上都应给予很好的满足。并且要求一次性倒扣成功,安全可靠,不出现意外退扣使钻具掉落井底。保证各种技术数据齐全、准确,误差在要求范围之内。
       新型随钻安全接头工作原理为:在正常钻井作业中,它连接在钻具的易卡部分的上端,当遇卡钻事故时,停钻、停泵,折下回压凡尔以上工具(钻具内水眼需畅通)向钻具内投入钢球,接上方钻杆,开泵憋压使钢球入座滑套上端,由于泵压的上升,推动中心滑套剪断定压定位螺钉,使中心滑套上月牙键脱离键槽,当泵压下降后停泵,然后正转钻具,使上下反扣接头处分开,提升、取出钻具。再进行下一次下套铣、打捞工作。在钻井过程中,一旦发生活动钻具无法解除的卡钻事故,可利用该产品的独特优势,迅速从卡点处将卡点上部钻具倒出,从而将钻井卡钻事故转化为井下落物事故,大大地简化了事故处理的工艺措施,缩短了事故处理的时间,同时将事故处理的损失降低到最小。最终达到提高钻井速度,降低钻井成本的目的。
       本分析中使用的软件为有限元前后处理软件MSC.Patran,Mentat,有限元计算分析软件MARC Patran及Mentat主要用于建立有限元分析模型并进行处理,MARC进行计算分析。结构全部采用8节点6面体单元进行计算。分析结构为随钻安全接头的中轴受剪模型,分两种几何模型进行分析,以讨论模型受剪的最优方式:①上下滑键非对称模型,扭矩通过外套传给上滑键端部;②上下滑键对称模型,扭矩通过8个销孔施加。计算扭矩Mt=40.6 N.m,模型网格分别见如图,计算中采用两种材料,材料参数见表。上下滑键非对称模型仅用材料计算;上下滑键对称模型则分别用两种材料计算。对应材料1,2分别标记为模型1和模型2。
       表2和表3分别给出了两种模型的主要结果数据。通过对安全接头的两种不同模型的接触有限元计算,分析其应力、变形的分布发现:①对于上下滑键非对称模型,其高应力主要集中在上滑键与外套的连接处;从表2中可以看出轴上最大应力只有392.8 MPa,远没有达到受剪轴的承载极限,而外套和上滑键的连接处其局部应力均已超过材料的极限承载能力。也即是说,外套和上滑键已经破坏,整个结构已经失效,而此时受剪轴还处于完全弹性状态。②对于上下滑键对称模型,由于材料选取的不同,导致两种模型的应力值差别较大,模型2的材料屈服应力高,得到的应力分布结果也较大;但是其应力分布无明显差别,中轴的受剪效果均很明显。③对于上下滑键对称模型,外套的位移随轴向的变化趋势在沿销孔缘和远离销孔缘处有明显的区别:在销孔缘处的位移存在较大尖角,而远离销孔缘的位移不存在尖角,这是因为在销孔缘处的扭矩作用对销孔缘的位移影响很大;同时,接近对称面的销孔,其位移尖角更加突出,这是说明接近对称面处,轴的扭转变形对上下滑键销孔缘的位移影响较大,轴与上下滑键的相互作用主要集中在这一部分。

 

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