开窗侧钻对钻柱螺纹应力与密封性能的影响分析

丁宇奇, 李康健, 范清泉, 芦烨, 吕奇霖, 贾威

丁宇奇,李康健,范清泉,等. 开窗侧钻对钻柱螺纹应力与密封性能的影响分析[J]. 石油钻探技术,2024,52(4):75-86. DOI: 10.11911/syztjs.2024063
引用本文: 丁宇奇,李康健,范清泉,等. 开窗侧钻对钻柱螺纹应力与密封性能的影响分析[J]. 石油钻探技术,2024,52(4):75-86. DOI: 10.11911/syztjs.2024063
DING Yuqi, LI Kangjian, FAN Qingquan, et al. Effect of window sidetrack drilling on thread stress and sealing performance of drill strings [J]. Petroleum Drilling Techniques, 2024, 52(4):75-86. DOI: 10.11911/syztjs.2024063
Citation: DING Yuqi, LI Kangjian, FAN Qingquan, et al. Effect of window sidetrack drilling on thread stress and sealing performance of drill strings [J]. Petroleum Drilling Techniques, 2024, 52(4):75-86. DOI: 10.11911/syztjs.2024063

开窗侧钻对钻柱螺纹应力与密封性能的影响分析

基金项目: 中国石油重大科技专项“侧钻井示范与推广”(编号:2019D-4209)、黑龙江省自然科学基金项目“天然气掺氢管道泄漏燃爆的多场耦合破坏机理研究”(编号:LH2022A003)联合资助。
详细信息
    作者简介:

    丁宇奇(1982—),男,黑龙江肇东人,2004年毕业于大庆石油学院过程装备与控制工程专业,2014年获东北石油大学石油与天然气工程专业博士学位,教授,博士生导师,主要从事油气储运装备强度评定与优化分析方面的研究工作。E-mail: jslx2004@163.com

    通讯作者:

    芦烨,luye_nepu@163.com

  • 中图分类号: TE921+.2

Effect of Window Sidetrack Drilling on Thread Stress and Sealing Performance of Drill Strings

  • 摘要:

    为分析开窗侧钻过程对钻柱螺纹接头强度与密封性能的影响,考虑螺纹在倒划眼和开窗侧钻时的工作状态,建立了钻柱螺纹接头三维有限元模型,分析了复杂载荷下螺纹接头应力和接触压力的分布规律,研究了不同材料和不同公差配合下螺纹接头的应力和密封性能,并与文献计算结果进行对比,验证了模型的准确性。研究表明:开窗侧钻时,螺纹接头受到的弯矩最大,主副台肩拉伸侧密封性能只有压缩侧的52.0%;倒划眼作业时,井口处钻柱受到的轴向载荷最大,外螺纹前两圈齿根应力超过屈服强度,存在断裂风险,主台肩面脱离、螺纹接头密封失效;随着材料弹性模量降低,螺纹接头在开窗侧钻时承受的弯矩减小,当材料弹性模量降至50.0%时,螺纹最大应力减小了17.0%,最小接触压力减小了19.6%;在极限公差下,螺纹接头主要由副台肩承受接触压力转变为主要由主台肩承受接触压力,副台肩应力得到改善,但密封性能完全失效。根据开窗侧钻过程中螺纹结构应力状态的研究结果,可通过改变螺纹材料和公差配合提高钻柱接头的安全性与密封性。

    Abstract:

    In order to analyze the influence of the window sidetrack drilling process on the strength and sealing performance of the threaded joints of the drill strings, a three-dimensional finite element model of the threaded joints of the drill strings was established by considering the working state of the threads in the inverted hole redressing and the window sidetrack drilling. The distribution laws for the stresses and contact pressures of the threaded joints under the complex loads were analyzed, and the stress and sealing performance of the threaded joints with different materials and under different tolerance fits were discussed. The accuracy of the model was verified by comparison with the calculation results in a literature. The study shows that during window sidetrack drilling, the threaded joint is subjected to the maximum bending moment, and the sealing performance of the tension side of the main and auxiliary shoulders is only 52% of that of the compression side. The drill string is subjected to the maximum axial load at the wellhead during inverted hole redressing, and the stresses of the root of the teeth of the first two turns of the external threads exceed the yield strength, so there is a risk of fracture. The main shoulder surface is detached, and the sealing of the threaded joint is not effective. As the elasticity modulus of the material decreases, the bending moment of the threaded joint during window sidetrack drilling is smaller. When the elasticity modulus of the material decreases to 50%, the maximum stress of the thread is reduced by 17%, and the minimum contact pressure is reduced by 19.6%. In the limiting tolerance, the threaded joint is changed from the auxiliary shoulder bearing the main contact pressure to the main shoulder bearing the main contact pressure, and the stress on the auxiliary shoulder is improved, but the sealing performance is completely invalidated. According to the study on the stress state of thread structure during window sidetrack drilling in this paper, the safety and sealing performance of the drill string joint can be improved by changing the thread material and tolerance fit.

  • 图  1   钻柱螺纹接头模型示意

    Figure  1.   Threaded joint model of drill string

    图  2   钻柱外螺纹断口的形貌[22]

    Figure  2.   Fracture morphology of external thread of drill string[22]

    图  3   NC31接头工作时的应力分布

    Figure  3.   Stress distribution of NC31 joint during operation

    图  4   外螺纹的等效应力分布

    Figure  4.   Distribution of equivalent stress of external thread

    图  5   不同工作状态下的钻柱受力示意

    Figure  5.   Force on drill string in different working states

    图  6   开窗侧钻结构参数示意

    Figure  6.   Structure parameter of window sidetrack drilling

    图  7   钻柱在套管内通过斜向器的过程

    Figure  7.   Process of drill string passing through whipstock inside casing

    图  8   开窗侧钻过程最大弯矩计算流程

    Figure  8.   Calculation flow chart of maximum bending moment during window sidetrack drilling

    图  9   不同材料钻柱通过斜向器过程中所受的弯矩

    Figure  9.   Bending moment of drill string made of different materials passing through whipstock

    图  10   主副台肩密封性能评定路径

    Figure  10.   Sealing performance evaluation path of main (auxiliary) shoulders

    图  11   外螺纹的等效应力分布

    Figure  11.   Distribution of equivalent stress of external thread

    图  12   受拉侧沿母线方向的应力曲线(路径1)

    Figure  12.   Stress curve along bus bar on tension side (path 1)

    图  13   内螺纹的等效应力分布

    Figure  13.   Distribution of equivalent stress of internal thread

    图  14   受拉侧沿母线方向的应力曲线(路径3)

    Figure  14.   Stress curve along bus bar on tension side (path 3)

    图  15   主副台肩的接触压力曲线

    Figure  15.   Contact pressure curves of main and auxiliary shoulders

    图  16   螺纹不同齿面的平均接触压力曲线

    Figure  16.   Average contact pressure curve of different tooth surfaces of thread

    图  17   不同材料外螺纹受拉侧沿母线方向的应力曲线

    Figure  17.   Stress curve along bus bar on tension side of external thread with different materials

    图  18   不同材料主台肩的接触压力

    Figure  18.   Contact pressure of main shoulder with different materials

    图  19   不同公差外螺纹受拉侧沿母线方向的应力曲线

    Figure  19.   Stress curve along bus bar on tension side of external thread with different tolerances

    图  20   不同公差主台肩的接触压力

    Figure  20.   Contact pressures of main shoulder with different tolerances

    表  1   螺纹外径最大变化量的对比

    Table  1   Comparison of maximum variations of outer diameter of thread

    计算工况 承受的扭矩/(kN·m) 外径最大变化量/mm 相对差值,%
    文献[22] 本文
    60%屈服扭矩 11.60 0.143 0.150 4.9
    断裂70%屈服扭矩 13.43 0.236 0.247 4.7
    在事故断裂位置所能承受的最大扭矩 17.00 0.378 0.397 5.0
    896.35 MPa屈服强度的屈服扭矩 19.40 0.610 0.641 5.1
    1.06×896.35 MPa屈服强度的屈服扭矩 20.60 1.088 1.145 5.2
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    表  2   螺纹材料的力学参数

    Table  2   Mechanical parameters of thread material

    螺纹材料弹性模量/MPa泊松比屈服强度/MPa
    材料1206 0000.29897
    材料2110 0000.34827
    N80钢210 0000.30552
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    表  3   外螺纹最大等效应力评定结果

    Table  3   Evaluation results of maximum equivalent stress of external thread

    外螺纹 最大等效应力出现位置 应力/
    MPa
    屈服强度/
    MPa
    强度
    评定
    整体 主台肩第一圈齿根处 725 897 未屈服
    路径1 主台肩第一圈齿根处 725 897 未屈服
    路径2 主台肩第一圈齿根处 684 897 未屈服
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    表  4   内螺纹最大等效应力评定结果

    Table  4   Evaluation results of maximum equivalent stress of internal thread

    内螺纹 最大等效应力出现位置 应力/
    MPa
    屈服强度/
    MPa
    强度
    评定
    整体 副台肩第二圈齿根处 632 897 未屈服
    路径3 副台肩第二圈齿根处 632 897 未屈服
    路径4 副台肩第二圈齿根处 629 897 未屈服
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    表  5   最小接触压力评定结果

    Table  5   Evaluation results of minimum contact pressure

    接触位置 最小接触压力
    出现位置
    接触
    压力/MPa
    临界泄露
    压力/MPa
    密封性能评定
    主台肩 路径6的90° 159 35.7 满足要求
    路径5 90° 305 35.7 满足要求
    路径6 90° 159 35.7 满足要求
    副台肩 路径7的90° 264 35.7 满足要求
    路径7 90° 264 35.7 满足要求
    路径8 90° 504 35.7 满足要求
    螺纹齿面 第四圈180° 97 35.7 满足要求
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    表  6   螺纹最大等效应力评定结果(倒划眼)

    Table  6   Evaluation results of maximum equivalent stress of thread (inverted hole redressing)

    螺纹部位 最大等效应力出现位置 应力/
    MPa
    屈服强度/
    MPa
    强度
    评定
    外螺纹 主台肩第一圈齿根处 946 897 屈服
    路径1 主台肩第一圈齿根处 946 897 屈服
    路径2 主台肩第二圈齿根处 918 897 屈服
    内螺纹 副台肩第二圈齿根处 860 897 未屈服
    路径3 副台肩第一圈齿根处 831 897 未屈服
    路径4 副台肩第二圈齿根处 860 897 未屈服
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    表  7   最小接触压力评定结果(倒划眼)

    Table  7   Evaluation results of minimum contact pressure (inverted hole redressing)

    接触位置 最小接触压力
    出现位置
    接触
    压力/MPa
    临界泄露
    压力/MPa
    密封性能评定
    主台肩 0 10.08 不满足要求
    路径5 0 10.08 不满足要求
    路径6 0 10.08 不满足要求
    副台肩 路径8的184.5° 118 10.08 满足要求
    路径7 166.5° 134 10.08 满足要求
    路径8 184.5° 118 10.08 满足要求
    螺纹齿面 第五圈193.5° 90 10.08 满足要求
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    表  8   不同材料螺纹最大等效应力评定结果

    Table  8   Evaluation results of maximum equivalent stress of thread with different materials

    螺纹部位 材料 最大等效应力出现位置 应力/MPa 相对差值,% 屈服强度/MPa 强度评定
    外螺纹 1 主台肩第一圈齿根处 725 −17.0 897 未屈服
    2 602 827 未屈服
    路径1 1 主台肩第一圈齿根处 725 −17.0 897 未屈服
    2 602 827 未屈服
    路径2 1 主台肩第一圈齿根处 684 −14.0 897 未屈服
    2 588 827 未屈服
    内螺纹 1 副台肩第一圈齿根处 632 −11.9 897 未屈服
    2 557 827 未屈服
    路径3 1 副台肩第一圈齿根处 632 −11.9 897 未屈服
    2 557 827 未屈服
    路径4 1 副台肩第一圈齿根处 629 −15.4 897 未屈服
    2 532 827 未屈服
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    表  9   不同材料螺纹最小接触压力评定结果

    Table  9   Evaluation results of minimum contact pressure of threads of different materials

    接触位置 材料 最小接触压力出现位置 接触压力/MPa 相对差值,% 临界泄露压力/MPa 密封性能评定
    主台肩 1 路径6的90° 159 −25.2 35.7 满足要求
    2 119 35.7 满足要求
    路径5 1 90° 305 −23.0 35.7 满足要求
    2 235 35.7 满足要求
    路径6 1 90° 159 −25.2 35.7 满足要求
    2 119 35.7 满足要求
    副台肩 1 路径7的90° 264 −14.0 35.7 满足要求
    2 227 35.7 满足要求
    路径7 1 90° 264 −14.0 35.7 满足要求
    2 227 35.7 满足要求
    路径8 1 90° 504 −21.4 35.7 满足要求
    2 396 35.7 满足要求
    螺纹齿面 1 第四圈180° 97 −19.6 35.7 满足要求
    2 78 35.7 满足要求
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    表  10   不同公差下螺纹最大等效应力评定结果

    Table  10   Evaluation results of maximum equivalent stress of thread with different tolerances

    螺纹部位 尺寸 最大等效应力出现位置 应力/MPa 相对差值,% 屈服强度/MPa 强度评定
    外螺纹 名义尺寸 主台肩第一圈齿根处 725 24.7 897 未屈服
    极限公差 主台肩第一圈齿根处 904 897 未屈服
    路径1 名义尺寸 主台肩第一圈齿根处 725 24.7 897 未屈服
    极限公差 904 897 未屈服
    路径2 名义尺寸 主台肩第一圈齿根处 684 25.4 897 未屈服
    极限公差 主台肩第一圈齿根处 858 897 未屈服
    内螺纹 名义尺寸 副台肩第一圈齿根处 632 −1.4 897 未屈服
    极限公差 主台肩第一圈齿根处 623 897 未屈服
    路径3 名义尺寸 副台肩第一圈齿根处 632 −1.4 897 未屈服
    极限公差 主台肩第一圈齿根处 623 897 未屈服
    路径4 名义尺寸 副台肩第一圈齿根处 629 0.3 897 未屈服
    极限公差 主台肩第一圈齿根处 631 897 未屈服
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    表  11   不同公差螺纹最小接触压力评定结果

    Table  11   Evaluation results of minimum contact pressure of thread with different tolerances

    接触位置 尺寸 最小接触压力出现位置 接触压力/MPa 相对差值,% 临界泄露压力/MPa 密封性能评定
    主台肩 名义尺寸 路径6的90° 159 3.8 35.7 满足要求
    极限公差 路径6的81° 165 35.7 满足要求
    路径5 名义尺寸 90° 305 15.4 35.7 满足要求
    极限公差 352 35.7 满足要求
    路径6 名义尺寸 90° 159 3.8 35.7 满足要求
    极限公差 81° 165 35.7 满足要求
    副台肩 名义尺寸 路径7的90° 264 −100.0 35.7 满足要求
    极限公差 0 35.7 不满足要求
    路径7 名义尺寸 90° 264 −100.0 35.7 满足要求
    极限公差 0 35.7 不满足要求
    路径8 名义尺寸 90° 504 −100.0 35.7 满足要求
    极限公差 0 35.7 不满足要求
    螺纹齿面 名义尺寸 第四圈180° 97 −36.1 35.7 满足要求
    极限公差 第七圈229.5° 62 35.7 满足要求
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-05
  • 修回日期:  2024-07-06
  • 网络出版日期:  2024-07-11
  • 刊出日期:  2024-08-25

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