某鉆桿典型復(fù)合載荷工況下結(jié)構(gòu)完整性分析*

秦才會(huì) 李國(guó)玉 朱玉寧 曹云風(fēng) 郭 宇

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 2.國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院)

0 引 言

鉆井是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，鉆桿承受鉆井平臺(tái)和多樣地層結(jié)構(gòu)引起的復(fù)雜載荷作用[1-2]；同時(shí)，為了測(cè)量、記錄和反饋地層結(jié)構(gòu)特性與鉆桿自身響應(yīng)(變形、應(yīng)力和應(yīng)變等)，需要在鉆桿上安裝各種傳感器，因此鉆桿桿體上加工有各種形狀和深度不同的溝槽，以及各槽之間為穿線纜而鉆通的直徑不等的穿線孔等，從而導(dǎo)致了鉆桿的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工困難[3-4]。鉆桿主要承受鉆壓、扭轉(zhuǎn)、彎矩、鉆井液體壓力和井下溫度等多種載荷與環(huán)境的復(fù)合作用。在這些復(fù)雜工況的作用下，鉆桿的結(jié)構(gòu)幾何突變處容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中超過鉆桿材料的強(qiáng)度極限時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而引發(fā)斷裂等結(jié)構(gòu)完整性破壞的嚴(yán)重后果[5]。因此，在鉆井作業(yè)中需要重點(diǎn)關(guān)注鉆桿的剛度、強(qiáng)度或斷裂失效等結(jié)構(gòu)完整性方面的問題。

由于鉆桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜與所承受載荷工況的多樣性，通過物理樣機(jī)試驗(yàn)的方法來評(píng)估鉆桿的結(jié)構(gòu)完整性異常困難，主要是存在物理樣機(jī)上響應(yīng)極值點(diǎn)難以確定和各種響應(yīng)測(cè)量傳感器的安裝空間有限，以及各種復(fù)合載荷工況施加困難等問題。因此，近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常采用有限元數(shù)值模擬方法，從不同的角度對(duì)鉆桿的結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行研究與探討[6-11]。有限元數(shù)值方法評(píng)估鉆桿在典型復(fù)合載荷工況下的結(jié)構(gòu)完整性，需要將材料力學(xué)的基本理論與數(shù)字仿真技術(shù)相結(jié)合[12-14]，以獲取鉆桿在典型復(fù)合載荷工況下的全局響應(yīng)，確定鉆桿響應(yīng)的極值點(diǎn)，進(jìn)而評(píng)估鉆桿在典型復(fù)合載荷工況下的結(jié)構(gòu)完整性。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值方法研究鉆桿的結(jié)構(gòu)完整性時(shí)，所涉及的載荷工況仍較為單一，而實(shí)際應(yīng)用中，鉆桿承受的載荷工況十分復(fù)雜，需要根據(jù)作業(yè)特點(diǎn)，提取典型復(fù)合載荷工況進(jìn)行詳細(xì)研究，以全面評(píng)估鉆桿作業(yè)時(shí)的結(jié)構(gòu)完整性，為鉆井作業(yè)安全性提供保障。這種通過有限元數(shù)值樣機(jī)仿真，確定典型復(fù)合載荷工況作用下鉆桿結(jié)構(gòu)完整性的方法，不僅可以大大地節(jié)省物理樣機(jī)試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，顯著縮短研究周期，還可以為石油鉆桿結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支撐。

為此，筆者以某型號(hào)鉆桿為研究對(duì)象，采用HYPEMESH與MSC.PATRAN2020聯(lián)合建立該鉆桿的有限元模型，從鉆桿工程實(shí)際出發(fā)，采用MSC.NASTRAN2020求解器求解，提取其典型復(fù)合載荷工況，并在這些復(fù)合載荷工況下，分別對(duì)鉆桿的變形場(chǎng)、von Mises應(yīng)力場(chǎng)和von Mises應(yīng)變場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行研究，由此確定鉆桿危險(xiǎn)部位，明確剛度與強(qiáng)度，進(jìn)而評(píng)估其結(jié)構(gòu)完整性，為鉆桿的設(shè)計(jì)、研發(fā)與作業(yè)安全評(píng)估提供技術(shù)支撐。

1 結(jié)構(gòu)及數(shù)值模型

本文研究的某型號(hào)鉆桿的幾何模型如圖1所示。圖1中特別對(duì)鉆桿前端1區(qū)、中部2區(qū)和后端3區(qū)進(jìn)行了局部放大。該鉆桿長(zhǎng)為4 388 mm，直徑為127 mm。

圖1 某型號(hào)鉆桿的幾何模型Fig.1 Geometric model of a drill pipe

該鉆桿材料為15-15HS MAX金屬，主要采用剛度和von Mises應(yīng)力強(qiáng)度作為結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估準(zhǔn)則，其中剛度要求為最大變形率不超過5%。鉆桿的彈性模量為182 GPa，泊松比為0.29，密度為7.75×103kg/m3，屈服極限為850.0 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 190.0 MPa，伸長(zhǎng)率為15.0%，鉆桿質(zhì)量為235.2 kg。

該型鉆桿的CAD結(jié)構(gòu)模型與數(shù)值有限元模型如圖2所示。

圖2 某型鉆桿結(jié)構(gòu)CAD模型與有限元模型Fig.2 CAD model and finite element model of structure of a drill pipe

有限元仿真模型主要用六面體單元構(gòu)建。為準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)在鉆桿溝槽、多孔相匯等幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜部位，采用四面體單元與楔形體單元構(gòu)建仿真模型。模型收斂性檢驗(yàn)中，以有限元模型單元數(shù)量不同劃分規(guī)模，其仿真結(jié)果相對(duì)誤差小于5.0%作為模型收斂標(biāo)準(zhǔn)。該鉆桿仿真模型分別構(gòu)建了單元數(shù)量為537 916、723 832、901 886和145 672個(gè)4種劃分規(guī)模，鉆桿全局von Mises應(yīng)力仿真結(jié)果相對(duì)誤差分別為5.2%、2.1%、2.1%和0.15%。取相對(duì)誤差為2.1%的第2個(gè)模型劃分規(guī)模，即單元?jiǎng)澐忠?guī)模為單元數(shù)723 832個(gè)的模型作為鉆桿結(jié)構(gòu)完整性分析模型。該型鉆桿單元?jiǎng)澐忠?guī)模的效率比較高。

2 結(jié)構(gòu)完整性分析

2.1 典型復(fù)合載荷工況

結(jié)合工程實(shí)際，提取典型環(huán)境溫度(175.0 ℃)與鉆井液壓力(172.0 MPa)下的壓扭、壓彎和壓扭彎3種復(fù)合載荷工況，具體復(fù)合載荷工況參數(shù)如表1所示。由表1可知，典型壓扭復(fù)合載荷工況：在同樣環(huán)境溫度與鉆井液壓力下，鉆壓分別為100.0和150.0 kN，扭矩分別為5.5和11.0 kN·m，共有6種典型壓扭復(fù)合載荷工況。同樣，典型壓彎復(fù)合載荷工況與典型壓扭彎復(fù)合載荷工況分別有12種載荷工況，因此，3種典型復(fù)合載荷工況總共有30種載荷工況。分別仿真計(jì)算該鉆桿在30種典型復(fù)合載荷工況下的變形、應(yīng)力與應(yīng)變響應(yīng)情況，由此評(píng)估該型鉆桿的結(jié)構(gòu)完整性。

表1 鉆桿典型復(fù)合載荷工況與各載荷參數(shù)Table 1 Typical combined load conditions and load parameters of drill pipe

2.2 壓扭復(fù)合載荷工況

典型壓扭復(fù)合載荷工況共有6種，取最為嚴(yán)酷的工況進(jìn)行分析，即在175.0 ℃環(huán)境溫度與172.0 MPa鉆井液壓力下，鉆壓150.0 kN，扭矩11.0 kN·m的復(fù)合載荷工況為最大壓扭復(fù)合載荷工況。圖3所示為該最大壓扭復(fù)合載荷工況作用下，鉆桿的變形場(chǎng)分布情況。仿真結(jié)果表明，最大壓扭復(fù)合載荷工況作用下，鉆桿位移最大值為3.50 mm，在鉆桿長(zhǎng)度方向的變形率為0.080%，遠(yuǎn)小于5.0%，其剛度滿足使用要求。

圖3 最大壓扭(150.0 kN+11.0 kN·m)復(fù)合載荷工況作用下的變形場(chǎng)分布Fig.3 Distribution of deformation field under the maximum WOB-torque combined load condition (150.0 kN+11.0 kN·m)

圖4所示為在最大壓扭復(fù)合載荷工況作用下，鉆桿的von Mises應(yīng)力場(chǎng)分布情況。仿真結(jié)果表明，最大壓扭復(fù)合載荷工況作用下，最大von Mises應(yīng)力位于穿線孔的邊緣，其值為545.0 MPa，而材料的屈服極限為820.0 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 190.0 MPa，故屈服安全系數(shù)為1.56，斷裂安全系數(shù)為2.18?？梢娫撱@桿的應(yīng)力強(qiáng)度滿足要求。

圖4 最大壓扭(150.0 kN+11.0 kN·m)復(fù)合載荷工況作用下的von Mises應(yīng)力場(chǎng)分布Fig.4 Distribution of von Mises stress field under the maximum WOB-torque combined load condition (150.0 kN+11.0 kN·m)

圖5所示為最大壓扭復(fù)合載荷工況作用下，鉆桿的von Mises應(yīng)變場(chǎng)分布情況。由圖5可見，最大von Mises應(yīng)變位于穿線孔的邊緣，與最大von Mises應(yīng)力位置相同，最大von Mises應(yīng)變僅為0.25%，應(yīng)變強(qiáng)度儲(chǔ)備空間極大。仿真計(jì)算結(jié)果表明，鉆桿在壓扭復(fù)合載荷工況作用下的結(jié)構(gòu)完整性滿足要求。

表2為典型壓扭復(fù)合載荷工況作用下鉆桿最大von Mises應(yīng)力變化情況。從表2可知，采用von Mises應(yīng)力強(qiáng)度作為結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估準(zhǔn)則，典型壓扭復(fù)合載荷共有6種，在各種壓扭復(fù)合載荷作用下，最大von Mises應(yīng)力均發(fā)生于同一部位，其值隨扭矩增加而增大。

表2 典型壓扭復(fù)合載荷工況作用下鉆桿最大von Mises應(yīng)力Table 2 Maximum von Mises stress of drill pipe under typical WOB-torque combined load conditions

2.3 壓彎復(fù)合載荷工況

典型壓彎復(fù)合載荷工況共有12種，即在相同環(huán)境溫度與鉆井液壓力下，鉆壓分別為100.0和150.0 kN，每30 m狗腿度分別為12.0°、15.0°和18.0°，狗腿度方向分為X與Y方向。對(duì)各壓彎復(fù)合載荷工況進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，最大von Mises應(yīng)力發(fā)生的工況為鉆壓100.0 kN與Y方向每30 m狗腿度18.0°的壓彎復(fù)合載荷工況。圖6所示即為該典型壓彎(100.0 kN+Y方向每30 m狗腿度18.0°)復(fù)合載荷工況作用下鉆桿的變形場(chǎng)分布情況。由圖6可見，在該典型壓彎復(fù)合載荷工況作用下，鉆桿的位移最大值為98.6 mm，鉆桿長(zhǎng)度方向的變形率為2.25%，小于5.0%，其剛度滿足要求。

圖6 典型壓彎復(fù)合載荷工況作用下鉆桿的變形場(chǎng)分布Fig.6 Distribution of deformation field of drill pipe under typical WOB-bending combined load condition

典型壓彎復(fù)合載荷工況下，其von Mises應(yīng)力場(chǎng)分布如圖7所示。由圖7可知，在該典型壓彎復(fù)合載荷作用下，鉆桿最大von Mises應(yīng)力位于穿線孔的邊緣處，其值為439.0 MPa，此時(shí)，鉆桿屈服安全系數(shù)為1.94，斷裂安全系數(shù)為2.71，因此，該鉆桿的von Mises應(yīng)力強(qiáng)度滿足要求。

圖7 典型壓彎復(fù)合載荷工況作用下鉆桿的von Mises應(yīng)力場(chǎng)分布Fig.7 Distribution of von Mises stress field of drill pipe under typical WOB-bending combined load condition

圖8所示為鉆桿在該典型壓彎(100.0 kN+Y方向每30 m狗腿度18.0°)復(fù)合載荷工況作用下，該鉆桿的von Mises應(yīng)變場(chǎng)分布情況。由圖8可以看出，在該典型壓彎復(fù)合載荷工況作用下，鉆桿最大von Mises應(yīng)變位于穿線孔的邊緣處，與最大von Mises應(yīng)力位置相同。其最大von Mises應(yīng)變?yōu)?.20%，應(yīng)變強(qiáng)度儲(chǔ)備空間極大，能夠承受較為惡劣的工況。

圖8 典型壓彎復(fù)合載荷工況作用下鉆桿的von Mises應(yīng)變場(chǎng)分布Fig.8 Distribution of von Mises strain field of drill pipe under typical WOB-bending combined load condition

該型鉆桿在共12種典型壓彎復(fù)合載荷下，全局最大von Mises應(yīng)力情況如表3所示。

表3 鉆桿在各壓彎復(fù)合載荷作用下的最大von Mises應(yīng)力情況Table 3 Maximum von Mises stress of drill pipe under various WOB-bending combined load conditions

由表3可知，在相同的X、Y這2個(gè)方向上的狗腿度條件下，由X方向狗腿度產(chǎn)生的von Mises應(yīng)力較Y方向小，其主要原因是最大von Mises應(yīng)力位于塞孔位置，而X方向狗腿剛度大，導(dǎo)致的變形較Y方向彎曲小，從而對(duì)應(yīng)的von Mises應(yīng)力也較小。

同時(shí)，結(jié)果表明von Mises應(yīng)力隨彎矩增加而增大。全局最大von Mises應(yīng)力發(fā)生在鉆壓100.0 kN與Y方向每30 m全角變化率18.0°的典型壓彎復(fù)合載荷工況下，最大值為439.0MP。此時(shí)，鉆桿屈服安全系數(shù)為1.94，斷裂安全系數(shù)為2.71。表明該鉆桿在壓彎復(fù)合載荷工況作用下的結(jié)構(gòu)完整性滿足要求。

2.4 壓扭彎復(fù)合載荷工況

典型壓扭彎復(fù)合載荷工況共有12種，即在相同環(huán)境溫度與鉆井液壓力下，鉆壓分別為100.0和150.0 kN，扭矩為7.0 kN·m，每30 m全角變化率分別為12.0°、15.0°和18.0°，方向亦分為X與Y方向。對(duì)各壓扭彎復(fù)合工況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，最大von Mises應(yīng)力發(fā)生在鉆壓100.0 kN、扭矩7.0 kN·m與Y方向每30 m全角變化率18.0°的壓扭彎復(fù)合載荷工況。圖9所示為該典型壓扭彎復(fù)合載荷工況作用下鉆桿的形變場(chǎng)分布情況。

圖9 典型壓扭彎復(fù)合載荷工況作用下鉆桿的形變場(chǎng)分布Fig.9 Distribution of deformation field of drill pipe under typical WOB-torque-bending combined load condition

由圖9可見，在該典型壓扭彎復(fù)合載荷工況作用下，該鉆桿的位移最大值為100.0 mm，鉆桿長(zhǎng)度方向的變形率為2.28%，小于5%，其剛度滿足要求。

典型壓扭彎工況下鉆桿von Mises應(yīng)力場(chǎng)分布如圖10所示。由圖10可知，該典型壓扭彎復(fù)合載荷作用下，該鉆桿最大von Mises應(yīng)力同樣位于穿線孔的邊緣處，其最大值為499.0 MPa，鉆桿屈服安全系數(shù)為1.70，斷裂安全系數(shù)為2.38，應(yīng)力強(qiáng)度滿足要求。

圖10 典型壓扭彎復(fù)合載荷工況作用下鉆桿的von Mises應(yīng)力場(chǎng)分布Fig.10 Distribution of von Mises stress field of drill pipe under typical WOB-torque-bending combined load condition

圖11所示為鉆桿在該典型壓扭彎(100.0 kN+7.0 kN·m+Y方向每30 m狗腿度18.0°)復(fù)合載荷工況作用下，鉆桿的von Mises應(yīng)變場(chǎng)分布情況。由圖11可見，該典型壓扭彎復(fù)合載荷作用下，鉆桿最大von Mises應(yīng)變位于穿線孔的邊緣處，與最大von Mises應(yīng)力位置相同，最大von Mises應(yīng)變?yōu)?.23%，應(yīng)變強(qiáng)度儲(chǔ)備空間極大。

圖11 典型壓扭彎復(fù)合載荷工況作用下鉆桿的von Mises應(yīng)變場(chǎng)分布Fig.11 Distribution of von Mises strain field of drill pipe under typical WOB-torque-bending combined load condition

該鉆桿在共12種典型壓扭彎復(fù)合載荷下，全局最大von Mises應(yīng)力情況如表4所示。由表4可知，在相同的X、Y這2個(gè)方向上的彎矩作用下，由X方向彎矩產(chǎn)生的von Mises應(yīng)力較Y方向小，且von Mises應(yīng)力隨彎矩增加而增加。全局最大von Mises應(yīng)力發(fā)生的工況為鉆壓100.0 kN、彎矩7.0 kN·m與Y方向每30 m全角變化率18.0°的壓扭彎復(fù)合載荷，其應(yīng)力最大值為499.0 MPa，此時(shí)屈服安全系數(shù)為1.70，斷裂安全系數(shù)為2.38?？梢娿@桿在壓扭彎復(fù)合載荷工況作用下結(jié)構(gòu)完整性滿足要求。

表4 鉆桿在各壓扭彎復(fù)合載荷作用下的最大von Mises應(yīng)力情況Table 4 Maximum von Mises stress of drill pipe under various WOB-torque-bending combined load conditions

3 結(jié) 論

本文采用有限元數(shù)值方法，詳細(xì)研究了某型號(hào)鉆桿承受典型復(fù)合載荷作用下的結(jié)構(gòu)完整性，通過計(jì)算分析，所得結(jié)論如下：

(1)采用MSC.NASTRAN軟件建立了該鉆桿的三維有限元模型，檢驗(yàn)了模型的收斂性。根據(jù)鉆桿的實(shí)際工程應(yīng)用，提取了壓扭、壓彎和壓扭彎等典型復(fù)合載荷工況特征參數(shù)，通過對(duì)提取的組合載荷工況進(jìn)行仿真計(jì)算，確定了危險(xiǎn)載荷工況及對(duì)應(yīng)危險(xiǎn)點(diǎn)發(fā)生部位。

(2)壓扭組合載荷工況下，危險(xiǎn)部位最大von Mises應(yīng)力位于鉆桿后端儀器艙穿線孔壁處；在壓彎和壓扭彎組合等載荷工況下，最大von Mises應(yīng)力和奕變均位于鉆桿前端儀器艙穿線孔壁處。仿真分析結(jié)果表明，鉆桿剛度與屈服強(qiáng)度均滿足要求，即該型鉆桿的結(jié)構(gòu)完整性滿足要求。

(3)研究方法和結(jié)果可以為鉆桿的有限元建模、分析載荷工況的提取和定量分析提供參考，為鉆桿設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供技術(shù)支撐。