一种钻柱双台肩接头台肩优化设计方法技术

本发明专利技术提供了一种钻柱双台肩接头台肩优化设计方法，包括：首先确定所要计算的钻柱双台肩接头，记录该钻柱双台肩接头的材料力学参数和结构参数；然后确定钻柱双台肩接头中的钻具类型；根据不同的钻具类型使用对应的强度计算方法，根据力学参数和结构参数计算出钻具的强度和内、外台肩的变形量，再通过双台肩法尔公式计算出钻柱双台肩接头的上扣扭矩；最后根据计算的内、外台肩的变形量和双台肩的上扣扭矩，得到内台肩的间隙设计尺寸和上扣扭矩大小的最优设计参数组合；本发明专利技术有效解决了带扭矩台肩的钻柱螺纹接头上、卸扣过程中台肩塑形变形难观察、上扣扭矩难确定等问题，实现了钻柱螺纹接头上扣扭矩的高效和精确的设计。螺纹接头上扣扭矩的高效和精确的设计。螺纹接头上扣扭矩的高效和精确的设计。

【技术实现步骤摘要】
一种钻柱双台肩接头台肩优化设计方法


[0001]本专利技术涉及钻具接头
，具体涉及一种钻柱双台肩接头台肩优化设计方法。

技术介绍

[0002]在石油钻井过程中，需要使用钻杆来提供高压泥浆进入通道、传递拉力和扭矩，通过钻铤的部分重力给钻头施加钻压，保证在压缩情况下压力中性面在钻铤上，以承受交变应力，减轻钻头的振动、摆动和跳动，使得钻杆工作平稳以及控制井斜，钻杆和钻铤均由多段组成，需要保证两段螺纹连接的紧密性，而在钻头钻进过程中需要通过钻铤提供钻压，钻杆和钻铤传递扭矩，要保证在螺纹连接处有足够的强度，接头主要失效形式有过量变形、断裂和表面损伤，前两种失效形式都与螺纹连接部位的弹塑性有关。
[0003]为了满足越来越苛刻的钻井工况要求，目前普遍使用增加了内台肩结构形成的双台肩钻杆接头，内台肩结构具有辅助上扣定位、承担部分载荷的功能，可以合理改善接头的应力分布，并提升接头的抗扭性能。在钻具双台肩接头公差设计中在要符合公差设计独立原则、最大实体原则、包容原则基础上结合实际经验判断来完成设计，而且公差设计经验往往需要通过结合大量的实际工程经验，才能有所进展。
[0004]在实际公差计算中需要根据不同材料的力学性质和加工工艺可行性等因素来综合判断，但在本专利技术之前还未曾有关于钻具双台肩间隙系统性的设计方法。本专利技术设计了一种可以快速得到台肩间隙及其上扣扭矩，让台肩贴合处间隙更合理。对比之前的设计可以发现其中的缺陷：
[0005]①
台肩间隙设计复杂，在实际设计中需要明确实际的功能需求、根据功能和应用，先前的设计中大量使用有限元分析得到变形量，且建立的模型不具有普遍性，还对设计人员的设计水平要求高，才能保证模型的计算精度，也没有形成一套完整的设计方法。
[0006]②
不同设计人员所设计思路不同，会导致设计标准不统一，后期维护不便。

技术实现思路

[0007]针对上述问题，本专利技术提供一种钻柱双台肩接头台肩优化设计方法,通过使用公差变形数据，实现对钻具双台肩接头设计中基本结构尺寸、钻铤的弯曲强度比、上扣扭矩、接头公差和变形优化设计。
[0008]本专利技术采用下述的技术方案：
[0009]一种钻柱双台肩接头台肩优化设计方法，具体包括以下步骤：
[0010]步骤一：确定所要计算的钻柱双台肩接头，记录该钻柱双台肩接头的材料力学参数和结构参数；
[0011]步骤二：确定步骤一中钻柱双台肩接头中的钻具类型；根据不同的钻具类型使用对应的强度计算方法，根据步骤一中的力学参数和结构参数计算出钻具螺纹强度；
[0012]步骤三：根据步骤二计算出来的强度参数，进行理论分析，计算出双台肩的变形
量，所述双台肩包括内台肩和外台肩，再通过双台肩法尔公式计算出双台肩的上扣扭矩；
[0013]步骤四：根据步骤三计算的外台肩和内台肩的变形量和双台肩的上扣扭矩，得到外台肩和内台肩的间隙设计尺寸和上扣扭矩大小的最优设计参数组合。
[0014]进一步的，步骤一中输入的钻柱双台肩接头的材料力学参数和结构参数包括螺纹类型、内外台肩距离、内台肩角度、内外径、基面螺纹节圆直径、母扣镗孔直径、母扣至端面长度、公扣长度、公扣大小端直径、螺纹每英寸牙数、螺纹锥度、螺纹截底高度、螺纹不截顶高度和牙型半角角度。
[0015]进一步的，步骤二中强度计算包括钻柱螺纹连接扭矩强度计算，钻柱螺纹连接扭矩强度计算包括内台肩和外台肩的抗扭强度，所述抗扭强度通过双台肩法尔公式计算。
[0016]进一步的，步骤二中钻具确定为钻杆时，需要进行钻杆螺纹处的抗拉强度计算、抗内压强度计算和扭矩强度计算。
[0017]进一步的，所述步骤二中钻具确定为钻铤时，需要进行钻铤弯曲强度比计算、钻铤螺纹处的抗拉强度计算、抗内压强度计算和扭矩强度计算。
[0018]进一步的，步骤三具体为：根据步骤二中计算的强度数据，设定公扣第一扣的应力S1的值，先计算出双台肩的变形量，上扣至内台肩刚好接触时产生外台肩变形量ΔL，内台肩还没有产生接触力，所述外台肩附近变形量ΔL包括公扣根部产生的变形ΔL1、公扣3P处外台肩处螺纹产生的变形ΔL2、母扣端部产生的变形ΔL3和母扣3P处外台肩处螺纹产生的变形ΔL4；
[0019]外台肩变形量计算公式如下：
[0020][0021][0022][0023][0024]ΔL＝ΔL1+ΔL2+ΔL3+ΔL4ꢀꢀꢀ
(5)
[0025]继续上扣后再产生内台肩变形量ΔL
′
，包括公扣鼻尖的变形ΔL5、公扣3P处根部内台肩处螺纹产生的变形ΔL6、母扣根部产生的变形ΔL7和母扣3P处内台肩处螺纹产生的变形ΔL8；内台肩变形量计算公式如下：
[0026][0027][0028][0029][0030]ΔL
′
＝ΔL5+ΔL6+ΔL7+ΔL8ꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0031]具体计算公式如下：
[0032][0033][0034][0035][0036][0037][0038][0039][0040][0041][0042][0043][0044][0045][0046][0047][0048][0049]当计算出来的公扣鼻尖处的应力S5超过了材料的屈服强度，则减小设定的公扣第一扣的应力S1，重复操作，直到满足材料的屈服强度，最后通过双台肩法尔公式计算钻柱螺纹接头上扣扭矩。
[0050]进一步的，步骤三中的上扣扭矩通过双台肩法尔公式计算，计算公式如下：
[0051]内台肩上扣扭矩计算公式：
[0052][0053]外台肩上扣扭矩计算公式：
[0054][0055]总上扣扭矩：
[0056]T
n
＝T+T
′ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(30)。
[0057]一种高压接头，其特征在于，所述高压接头设有所述的间隙计算方法设计的公扣和母扣。
[0058]进一步的，所述接头的公扣和母扣为高强度螺纹密封；通过公扣和母扣的变形实现螺纹密封，该螺纹密封可用于高压工况。
[0059]本专利技术的有益效果是：
[0060]本专利技术的设计方法能快速得到公差范围，让台肩贴合处间隙更合理，提高了钻柱双台肩接头的强度和使用寿命；克服了常规而复杂的经验设计方法所不可避免的缺陷，便于进行统一的设计，有利于后期的维护和更换；本专利技术设计方法简单明了，使用方便，具有通用化高、成本低的优点，有利于广泛使用。
附图说明
[0061]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本专利技术的一些实施例，而非对本专利技术的限制。
[0062]图1为本专利技术模块结构框图；
[0063]图2为本专利技术外台肩变形示意图；
[0064]图3为本专利技术内台肩变形示意图；
[0065]图4为本专利技术公扣基本结构尺寸示意图；
[006本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钻柱双台肩接头台肩优化设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤一：确定所要计算的钻柱双台肩接头，记录该钻柱双台肩接头的材料力学参数和结构参数；步骤二：确定步骤一中钻柱双台肩接头中的钻具类型；根据不同的钻具类型使用对应的强度计算方法，根据步骤一中的力学参数和结构参数计算出钻具螺纹强度；步骤三：根据步骤二计算出来的强度参数，进行理论分析，计算出双台肩的变形量，所述双台肩包括内台肩和外台肩，再通过双台肩法尔公式计算出双台肩的上扣扭矩；步骤四：根据步骤三计算的外台肩和内台肩的变形量和双台肩的上扣扭矩，得到外台肩和内台肩的间隙设计尺寸和上扣扭矩大小的最优设计参数组合。2.根据权利要求1所述的一种钻柱双台肩接头台肩优化设计方法，其特征在于，步骤一中输入的钻柱双台肩接头的材料力学参数和结构参数包括螺纹类型、内外台肩距离、内台肩角度、内外径、基面螺纹节圆直径、母扣镗孔直径、母扣至端面长度、公扣长度、公扣大小端直径、螺纹每英寸牙数、螺纹锥度、螺纹截底高度、螺纹不截顶高度和牙型半角角度。3.根据权利要求1所述的一种钻柱双台肩接头台肩优化设计方法，其特征在于，步骤二中强度计算包括钻柱螺纹连接扭矩强度计算，钻柱螺纹连接扭矩强度计算包括内台肩和外台肩的抗扭强度，所述抗扭强度通过双台肩法尔公式计算。4.根据权利要求3所述的一种钻柱双台肩接头台肩优化设计方法，其特征在于，步骤二中钻具确定为钻杆时，需要进行钻杆螺纹处的抗拉强度计算、抗内压强度计算和扭矩强度计算。5.根据权利要求3所述的一种钻柱双台肩接头台肩优化设计方法，其特征在于，所述步骤二中钻具确定为钻铤时，需要进行钻铤弯曲强度比计算、钻铤螺纹处的抗拉强度计算、抗内压强度计算和扭矩强度计算。6.根据权利要求1所述的一种钻柱双台肩接头台肩优化设计方法，其特征在于，步骤三具体为：根据步骤二中计算的强度数据，设定公扣第一扣的应力S1的值，先计算出双台肩的变形量，上扣至内台肩刚好接触时产生外台肩变形量ΔL，此时内台肩还没有产生接触力，所述外台肩附近变形量ΔL包括公扣根部产生的变形ΔL1、公扣3P处外台肩处螺纹产生的变形ΔL2、母扣端部产生的变形ΔL3和母扣3P处外台肩处螺纹产生的变形ΔL4；外台肩变形量计算公式如下：外台肩变形量计算公式如下：外台肩变形量计算公式如下：外台肩变形量计算公式如下：ΔL＝ΔL1+ΔL2+ΔL3+ΔL
4 (5)继续上扣后再产生内台肩变形量ΔL
′
包括公扣鼻尖的变形ΔL5、公扣3P处根部内台肩
处螺纹产生的变形ΔL6、母扣根部产生的变形ΔL7和母扣3P处内台肩处螺纹产生的变形ΔL8；内台肩变形量计算公式如下：；内台肩变形量计算公式如下：；内台肩变形量计算公式如下：；内台肩变形量计算公式如下：ΔL
′
＝ΔL5+ΔL6+ΔL7+ΔL
8 (10)式中，E为材料弹性模量，单位为psi；P为螺纹螺距，单位为in...

【专利技术属性】
技术研发人员：练章华，万智勇，林铁军，张强，于浩，赵朝阳，彭先波，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：