API圓螺紋接頭力學(xué)性能的數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本文在詳細(xì)闡述國內(nèi)外關(guān)于API圓螺紋油套管接頭性能研究現(xiàn)狀及發(fā)展的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地論述了作者對API油套管圓螺紋接頭抗失效性能的研究成果.主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新如下:(1)提出油套管粘扣失效影響因素的分析方法和判定準(zhǔn)則.在歸納總結(jié)了油套管的失效形式,失效原因和油氣田采取的相應(yīng)對策的基礎(chǔ)上,建立了油套管失效分析流程框圖;通過分析現(xiàn)場油套管失效案例,建立了油套管螺紋接頭粘扣失效故障樹,確定出粘扣影響因素的判定準(zhǔn)則;采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對油套管粘扣失

2、效的各種影響因素的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行了定量評價(jià),為確定出影響油套管螺紋粘扣失效的主要因素提供了理論依據(jù).(2)系統(tǒng)地建立了錐管螺紋連接幾何參數(shù)、接觸應(yīng)力、連接應(yīng)力和載荷分布的數(shù)學(xué)模型.采用圓錐螺紋幾何學(xué)分析方法,建立了空間圓錐螺旋線和API圓螺紋牙圓錐螺旋面的數(shù)學(xué)模型;應(yīng)用經(jīng)典力學(xué)和微分理論推導(dǎo)出嚙合螺紋牙的載荷分布函數(shù),結(jié)果表明嚙合螺紋牙的載荷分布呈馬鞍型分布,影響這種分布的主要因素是內(nèi)外螺紋接頭截面積之和與螺紋牙柔度;應(yīng)用彈性理論建立了油套

3、管圓錐螺紋連接在機(jī)緊扭矩、內(nèi)壓和軸向拉力作用下的徑向接觸壓力和連接應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)出油套管螺紋接頭的泄漏判據(jù),確定出機(jī)緊扭矩作用下外螺紋端部內(nèi)表面達(dá)到屈服時(shí)所需機(jī)緊圈數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式.(3)建立了不同幾何參數(shù)和復(fù)合載荷作用下油管、套管螺紋連接的非線性數(shù)值模型.以J55API不加厚圓螺紋油管接頭和長圓螺紋套管接頭作為研究對象,應(yīng)用API圓螺紋接頭的理論分析結(jié)果,建立油套管的力學(xué)模型、材料物理模型和有限元模型.采用非線性有限元軟件Marc

4、對油套管API圓螺紋連接進(jìn)行數(shù)值模擬.(4)提出一種錐管螺紋接頭內(nèi)外螺紋副接觸應(yīng)力場和溫度場的動態(tài)測試方法,利用該方法得出螺紋粘扣失效的溫度判據(jù)和失效機(jī)理.(5)提出適合于套管鉆井的套管疲勞失效控制措施和特殊螺紋接頭設(shè)計(jì)概要.對套管鉆井中套管疲勞的影響因素、失效形式、檢測方法、疲勞壽命及疲勞失效的控制方法進(jìn)行了研究,為套管的疲勞設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ);應(yīng)用對API圓螺紋接頭理論、數(shù)值分析及試驗(yàn)所獲得的結(jié)果,并結(jié)合套管鉆井技術(shù)對套管及其接頭的新要求