S135钻杆接头螺纹三维参数化建模及力学特性分析

作     者：赵宽 崔强 李金平 彭腊梅 ZHAO Kuan;CUI Qiang;LI Jinping;PENG Lamei

作者机构：西安科技大学机械工程学院陕西西安710054 长安大学高速公路筑养装备与技术教育部工程研究中心陕西西安710054 陕西太合智能钻探有限公司陕西西安710086 

出 版 物：《西安科技大学学报》 (Journal of Xi’an University of Science and Technology)

年 卷 期：2024年第44卷第2期

页      面：391-399页

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 082001[工学-油气井工程] 08[工学] 

基　　金：国家自然科学基金项目(52075551) 高速公路筑养装备与技术教育部工程研究中心(长安大学)开放基金项目(300102253512) 

主　　题：钻杆 接头螺纹 参数化建模 力学特性 井眼曲率 

摘      要：S135钢级钻杆在矿井勘探、探放水、瓦斯抽采等钻孔施工中得到了广泛使用。然而,由于钻杆接头螺纹承受轴向拉压、扭转、弯曲及其复合载荷的循环作用,导致接头螺纹的使用寿命远远低于其设计寿命,是整个钻杆结构中最薄弱的环节。因此,通过万能拉伸试验获得钻杆接头材料的力学性能参数,经计算转化得到其本构参数,对钻杆接头进行有限元分析。为了提高有限元分析效率,推导垂直于钻杆接头轴线的螺纹截面轮廓几何表达式,基于旋转、抬升、缩径和连接节点的设计思路,提出了一种考虑钻杆接头锥度和台肩的三维螺纹参数化建模方法,并根据单元和节点之间的关系开发了钻杆接头连接的参数化三维六面体网格建模程序,通过与交互式建模方法计算结果的对比验证了其有效性和可行性。此外,对上扣扭矩、压扭及压弯扭复合载荷作用下接头外螺纹的力学特性进行了分析。结果表明:3种工况下钻杆接头外螺纹上的应力近似呈现“浴盆形态,第1螺纹牙上的应力最大;随着圈次的增加,螺纹牙上的应力迅速下降,最后一圈螺纹牙上的应力呈现上升趋势;在弯矩的作用下,螺纹牙上的应力具有非对称特征。在接头螺纹设计时,必须考虑井眼曲率的影响并且需要重点关注接头压缩边第1螺纹牙上的应力。