专利名称：一种改进型特殊螺纹石油钻杆接头的制作方法
技术领域：
本实用新型以接触非线性有限元理论为基础，对钻杆接头的特殊螺纹进行细致的理论分析，建立接头螺纹非线性有限元分析的力学模型，得出接头螺纹关键区域的应力、应变等分布情況。通过分析石油钻杆接头的过渡圆半径，钻杆管外径，钻杆接头外径，钻杆管内径，钻杆接头螺纹牙底部倒圆半径，螺纹牙顶部倒圆半径，接头螺纹锥度值等參数，改善特殊螺纹的螺纹牙受カ情况，优化出一种改进型特殊螺纹石油钻杆接头。
背景技术：
随着人类科技的发展和社会文明的不断进步，人类社会对石油、煤炭、金属、非金属等矿产资源的依赖逐渐加强，其消耗量显著增加。地球上已探明的石油矿产资源也会随之逐渐減少。早期发现并已开采的油井有的已经枯竭。如果不进一步寻求和发现地球内部可能存在的石油矿产资源，未来人类的生存将面临着严重的威胁。石油是当今世界人类发展最重要的能源之一，随着人口的不断増加和社会的进步，人类对石油的消耗量也将会大 幅度也増加。在现代国际关系中，为获得和控制石油资源所发生的对抗、冲突乃至战争从未停止过，各国对石油的控制和争夺已经很自然地上升到一个决定国家的长远战略走向的高度。石油钻杆用于石油油井钻探，钻杆是钻柱的基本组成部分，钻杆属于易耗型不可替代型エ业类产品，是油气田钻探井钻柱的重要组成部分和损耗件，钻杆的特点是壁薄，单位长度重量轻，在钻进过程中能够承受拉伸、压缩、扭转、弯曲应カ及冲击载荷，并输送钻井液，在钻井过程中通过钻杆接头螺纹连接钻杆，以达到不断加深井眼的目的。20世纪初以来，标准API石油钻杆螺纹接头在油田得到广泛应用。随着现代油井的深井化，同时钻探位置从陆地转向深海，地下作业环境的恶化和钻杆本身重量的増加，对钻杆管体与接头之间的连接強度要求也不断増加，标准API接头就逐渐暴露其大缺点连接强度低，易发生滑脱失效。为了克服这ー缺点，20世纪40年代，API又推出了连接强度较高的偏梯形螺纹接头。随着油、气井钻井环境的日益苛刻和油气开采技术的迅速发展，普通的API接头(包括圆螺纹和偏梯形螺纹)已不能满足现有的工程技术要求。为此，国外ー些先进的套管生产厂纷纷成功开发了ー些特殊螺纹接头。与普通API接头相比，特殊螺纹接头最突出的优点是具有良好的強度和力学性能，应用的范围也不断扩大。因此，国内外钢管企业都非常重视特殊螺纹接头的研究与开发。目前公认性能最好、应用最广泛的特殊螺纹接头，主要来自德国、美国、日本等少数国家，他们占了世界特殊螺纹产量的绝大多数。目前国内的宝钢、天津钢管公司、无锡西姆莱斯等也开发了自己的特殊螺纹接头产品，并有一定的使用量，但所占市场份额很小，还无法与上述厂家竞争。加强对钻杆接头特殊螺纹的设计原理，如密封设计、強度设计、防粘扣设计等方面的基础研究工作对于国内进行特殊螺纹产品开发的意义就显得迫切而重要。由于强度和力学性能是特殊螺纹接头设计的难点和核心问题，而采用计算机有限元仿真方法对特殊螺纹进行模型求解仿真可以为开发出具有自主知识产权的特殊螺纹产品提供理论指导。
实用新型内容本实用新型的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种改进型特殊螺纹石油钻杆接头。通过优化钻杆接头过渡圆半径、钻杆管外径、钻杆接头外径、钻杆管内径、螺纹牙顶部倒圆半径、螺纹牙底部倒圆半径以及锥度等參数，改善特殊螺纹的螺纹牙受カ情況。为了实现上述目的，本实用新型的构思是通过參数化建模方法，建立石油钻杆接头三维參数化模型，考虑到石油钻杆接头螺纹的螺旋升角很小，手紧啮合平面的螺旋升角只有1.00273°，所以简化为ニ维轴对称模型，并以接触非线性有限元理论为基础，为了保证计算机仿真的求解精度，保证有限元単元质量在98%以上的情况下，建立有限元模型如
图1，对钻杆接头的特殊螺纹进行细致的理论分析，建立接头螺纹非线性有限元分析的力学模型，得出接头螺纹关键区域的应力、应变等 分布情況，根据承受拉伸カ810KN，内压27. 86MPa，预紧扭矩62368N. m的恶劣エ况的应力、应变云图，可以得出，整个钻杆接头应カ和应变最大值发生在公扣台肩开始第一个啮合齿的齿根部位，分析的结果和实际螺纹牙损毁的部位相吻合，如果要提高钻杆接头螺纹牙力学性能，可以考虑将公扣台肩开始第一个啮合齿的齿根部位的最大应カ降低。分别计算出钻杆接头过渡圆半径、钻杆管外径、钻杆接头外径、钻杆管内径、螺纹牙顶部倒圆半径、螺纹牙底部倒圆半径以及锥度等參数对石油钻杆接头螺纹牙最大应カ的影响，通过优化以上參数，得出优化后的尺寸，并验证优化后的结果，其中钻杆外形主要尺寸及外加载荷输入參数见表I。表I钻杆外形主要尺寸及外加载荷输入參数
输入參数名 I输入參数物理意义I原始值 .
thread—head—r 螺纹牙顶部边倒圆半径0. 508mm
thread r螺纹牙底部边倒圆半径I. 0668mm
pin_o2_接头同钻杆管过渡半径_38. Imm
pin rl钻杆外径63. 5mm
pin r2钻杆接头夕卜径84. 14mm
PressureX钻杆内压27. 86MPa
pin—r4钻杆管内径47. 62Sttitti
Frictional 螺纹牙间的摩擦系数0. 08
taper_钻杆接头螺纹锥度值侄撤 12_
thread pitch 钻杆接头螺纹螺纹牙齿距 7.25mm通过ANSYS进行多目标驱动优化，最后得出各个输入参数对螺纹牙最大应カ的响应图，图2为钻杆内圈半径对螺纹牙最大应カ响应图，从响应图中可以看出，随着钻杆管内径的增加，螺纹牙最大应カ逐渐増大，为了减小螺纹牙最大应力，可以适当的减小钻杆管内径。参数的优化是通过响应图进行对比，最后对每个参数的响应面結果取其中的最优值，实现多目标驱动优化，优化后的最终值如表2。表2參数优化前后的石油钻杆接头尺寸对比结果
权利要求1.一种改进型特殊螺纹石油钻杆接头，包括石油钻杆接头公扣和石油钻杆接头母扣，其特征在于所述石油钻杆接头公扣和石油钻杆接头母扣的优化尺寸如下 钻杆接头外圈同钻杆过渡圆(I)半径为36. 233Imm± I. Omm 钻杆外圈(2)半径为64. 75413mm±0. 8mm 钻杆接头外圈(3)半径为:86. 40555mm± I. Omm 钻杆管内圈(4)半径为42. 98633mm± I. Omm 螺纹牙底部倒圆(5)半径为I. 1807mm±0. Imm 螺纹接头螺纹锥度值的倒数为11±0.5。
专利摘要本实用新型涉及一种改进型特殊螺纹石油钻杆接头。该改进型钻杆接头采用多目标驱动优化，通过优化石油钻杆接头的主要尺寸参数为钻杆接头外圈同钻杆过渡圆(1)半径为:36.2331mm±1.0mm；钻杆外圈(2)半径为:64.75413mm±0.8mm；钻杆接头外圈(3)半径为:86.40555mm±1.0mm；钻杆管内圈(4)半径为:42.98633mm±1.0mm；螺纹牙底部倒圆(5)半径为:1.1807mm±0.1mm；螺纹接头螺纹锥度值的倒数为:11±0.5。相对优化前的钻杆螺纹在承受拉伸力810KN，内压27.86MPa，预紧扭矩62368N.m的恶劣工况下，螺纹牙最大应力从原先的796.7MPa降低到588.45MPa，极大的提升了钻杆接头特殊螺纹的力学强度，延长钻杆接头的使用寿命。
文档编号E21B17/042GK202510046SQ20122001163
公开日2012年10月31日 申请日期2012年1月12日 优先权日2011年4月1日
发明者孙佳, 王秀梅, 翁健 申请人:上海大学