钻杆螺纹粘扣在水平定向钻的出口侧的故障分析与对策研究译文.docx

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钻杆螺纹粘扣在水平定向钻的出口侧的故障分析与对策研究译文

Failureanalysisandsolutionstudiesondrillpipethreadgluingattheexitsideofhorizontaldirectionaldrilling

钻杆螺纹粘扣在水平定向钻的出口侧的故障分析与对策研究

祝晓华、董亮亮、童华

西南石油大学

科学杂志2013.6

祝晓华与施太和教授西南石油大学同一个实验室

abstract

Withitsadvantagesofashorterconstructionperiod,fewerexternalconstraints,andhigherconstructionquality,horizontaldirectionaldrilling（HDD）technologyhasbecomewidespreadthroughouttheworld’strenchlessindustries.However,threadgluingaccidentshaveoftenoccurredattheexitsideduringconstruction.

凭借其优势，建设周期较短，较少的外部约束和较高的施工质量，水平定向钻进（HDD）技术已经在世界各地的非开挖产业大行其道。

然而，粘扣事故往往发生在出口侧施工过程中。

Notonlyhasthiscausedanexcessivenumberofdrillpipefailures,butithasalsosignificantlyextendedtheconstructiontime,thusgreatlylimitingthedevelopmentofHDDtechnology.Inordertorevealthefailurecauses,theauthorsofthisstudyresearchedtheconstructionconditionsoftheLanzhou-Zhengzhou-ChangshathirdcrossingoftheYangtzeRiver.

这不仅造成钻杆失效数量过多，但也显著延长了施工时间，从而大大限制了HDD技术的发展。

为了揭示了故障原因，本研究的作者研究了长江流域的兰州-郑州-长沙第三个交叉的施工条件。

Then,materialtensilepropertytestsandmake-upandbreak-outtestsofthesamebatchofdrillpipewereperformedtoobservethematerialpropertiesandstructuralparameters.A3Ddrillpipethreadfiniteelementmodel（FEM）wasestablishedbasedonprinciplesofvirtualwork,nonlinearcontacttheory,andtheelastic–plasticyieldcriterion,whichmaybeloadedbyvariouscombiningloads,suchasmake-uptorqueandbendingmoment,whichcannotbeloadedona2Dmodel.

然后，材料的拉伸性能测试，并且在同一批次钻杆的构成和突破了测试，以观察其材料特性和结构参数。

三维钻杆螺纹有限元模型（FEM）建立了基于虚功，非线性接触理论，弹性-塑性屈服准则，后者可以通过各种组合负载，如组成力矩加载的原则和弯矩，它可以在一个二维模型不会被加载。

AnalysisoftheconstructionsituationswiththisFEMshowedthatinsufficientmake-uptorquewasthemainpredispositionfactorandbendingmomentgeneratedbythedrillpipeshangingweretheimmediatecausesofthefailureaccidents.Someimprovementmeasureshavebeenproposedaccordingtothefailurecauses,andsuccessfullyappliedinengineering.

与此有限元法的结构情况下，分析结果表明，没有足够组成力矩是主要的易感性因素和由钻杆吊产生的弯曲力矩是失败的事故的直接原因。

根据故障原因一些改善措施已经提出，并在工程中成功应用。

Abeveledshoulderthread（BST）wasproposed,whichissuperiortotheAPIthreadbyhavingahigherbendingstrength,largerflexuralrigidityandastrongersealperformancewithstandbendingload,andisthussuitableforHDD.TheworkpresentedinthispaperisareliableguidelineforreducingthreadgluingaccidentsandthusreducingconstructiontimeinHDDprojects.

55度密封圆椎管螺纹_螺纹（BST）提出，它是优越的API螺纹由具有较高的抗弯强度，更大的抗弯刚度和较强的密封性能承受弯曲负荷，因而是适合于HDD。

本文介绍的工作是一个可靠的准则减少粘扣事故，从而减少施工时间在HDD项目。

1.Introduction引言

Horizontaldirectionaldrilling（HDD）technologyhasbeenwidelyadoptedforoilandgaspipelineincrossingrivers,channels,highways,railwaysandothercomplexorunsuitableshallowburiedareas.Moreover,itmayalsobeappliedinmunicipalengineering（e.g.electriccables,opticalcables,tapwaterpipes）,crossingbuildings,andsoon.

水平定向钻进（HDD）技术已被广泛采用的石油和天然气管道穿越河流，渠道，公路，铁路和其他复杂或不适合浅埋区。

此外，它也可以在市政工程应用（如电力电缆，光缆，自来水管道），穿越建筑物，等等。

Withtheadvantagesofashorterconstructionperiod,fewerexternalconstraints,betterconstructioneffects,lowerconstructioncosts,aswellasitsadvantagesofnotdamagingthegroundenvironmentandincreasingthestabilitycontrol,HDDtechnologyhasgainedattentionthroughoutthetrenchlessindustriesoftheworld。

随着建设周期较短，较少的外部制约因素，更好的施工效果，降低建设成本，以及它的优势不破坏地面环境，提高稳定性控制的优点，HDD技术已经获得关注在世界各地的非开挖产业

However,duringtheHDDconstructionprocess,exitsidedrillpipethreadgluingaccidentshaveledtoanexcessiveamountofdrillingpipewaste,inturnsignificantlyextendingtheconstructiontime.Therefore,itisnecessarytoreducethreadgluingaccidents,therebyreducingtheconstructiontimeinHDDprojects,byresearchingthefailurereasonsofHDDdrillpipethreadgluingaccidents.

然而，在HDD施工过程中，出口钻杆螺纹粘扣事故已导致钻杆浪费过多，进而显著延长施工时间。

因此，有必要减少线程粘扣事故，从而降低了施工时间在HDD中的项目，通过研究HDD钻杆螺纹涂胶意外的故障的原因。

Atpresent,moststudiesconcerningHDDtechnologyhavefocusedonincreasingthepipe’sservicelifeandpiperepairingtechnology,withonlyasmallnumberofstudiesconcerningthefailurecausesofdrillpipes.

目前，关于HDD技术，大多数研究都集中在提高管道的使用寿命和管道修复技术，只有少数涉及钻杆失效原因的研究。

Themethodsusedtoanalysisconnectionthreadmaybedividedintothreecategories:

experimental,analyticalandfiniteelementsimulation.Basedonfatiguelifeexperiments,Seysetal,throughfatiguelifeexperiments,showedthatthestandardthick-walledconnectionhasahigherfatiguelifethanthin-walledones.

用于分析连接线的方法可以被分为三类：

实验，分析和有限元数值模拟。

基于疲劳寿命试验，Seys等，通过疲劳寿命试验，结果表明，标厚壁连接具有更高的疲劳寿命比薄壁的。

Wittenbergheetal.presentedanopticaldynamic3Ddisplacementanalysistechniqueforevaluatingthecrackpropagationinathreadedpipeassembly.WeiandSurajappliedtensiletests,andrecommendedthattheminimumnumberofturnsofthethreadedengagementshouldbeatleasteightinanypracticalengineeringapplicationofsteeltierods.

Wittenberghe等al.presented光学动态3D位移分析技术，用于评估在螺纹管组件的裂纹扩展。

魏和苏拉杰施加的拉力测试，并建议螺纹接合的圈数最少应在钢拉杆任何实际工程应用至少有八个。

Baragettietal.[7]studiedthefrictionbehaviorinmanyconditionsoftheAPINC50rotaryshoulderedconnection,usingbothanalyticalandexperimentalmethods.Chenetal.[8,9]establishedananalyticalmodelbasedonthegeometricparametersofthreadtoothandthecalculationmethodoftighteningtorqueonP-110Sthreadedconnections.

Baragetti等[7]研究了摩擦性能在APINC50旋转台肩连接的许多条件，同时使用的分析和实验方法。

Chen等人[8,9]建立了一种分析模型的基础上螺纹齿的几何参数和P-110S螺纹连接的紧固扭矩的计算方法。

Duetothelimitationsofexperimentalandanalyticalmethodswhichcannotpreciselydeterminethestresslevelandthestateofthecontactstress,asofyetmostscholarshaveusedthefiniteelementmethodtostudythemechanicscharacteristicsofthreadconnections.

由于实验和分析方法不能精确地确定应力水平和国家的接触应力，作为然而大多数学者用有限元法研究螺纹连接的力学特性的限制。

Atpresent,themainmethodusedtoresearchconicalthreadedconnectionswiththefiniteelementmethodhasbeenthe2Daxisymmetricmodel.MacdonaldandDeans[10]analyzedthedrillingstringthreadstresswith2DFEM.KnightandBrennan[11]indicatedthemaximumstressofdrillcollaratthepositionofthefirstengagementthreadturnandcomputedthefatiguelifeofdrillcollarwitha2Dmodel.

目前，用于与有限元法的研究锥形螺纹连接的主要方法一直是二维轴对称模型。

麦克唐纳和院长[10]分析了钻具螺纹应力与二维有限元。

奈特和Brennan[11]表示钻铤的最大压力时的第一啮合螺纹圈的位置和计算出的钻铤的疲劳寿命与2D模型。

Yuanetal.[12,13]appliedthe2DFEMandpresentedthestressandtemperaturefielddistributionoftheAPIroundthreadedconnection.Linetal.[14]establisheda2Daxisymmetricfiniteelementanalysismodelandanalyzedthemechanicalpropertiesofdoubleshouldertooljoints.IntheHDDprocess,thedrillpipemainlybearsmake-uptorqueandbendingmoment,butbendingmomentcannotbeappliedtothe2Dmodels,andinadditionthesemodelscannotbeusedtosimulatemake-uptorque,becausetheydonotincludethehelicalthreadgeometry.

Yuan等[12,13]采用二维有限元，并介绍了API的应力和温度场的分布圆螺纹连接。

Lin等人[14]建立了二维轴对称有限元分析模型，并分析了双台肩钻杆接头的机械性能。

在HDD中的过程中，钻杆主要熊组成扭矩和弯矩，但是弯曲力矩不能被应用到二维模型，并且除了这些模型不能被用来模拟组成扭矩，因为它们不包含螺旋线的几何形状。

Asaresult,2Dmodelscannotbeusedtostudythethreadconnectionsecurityundertorqueandbendingmomentload,thereforewemustestablishthe3DFEMtostudythefailurereasonsofHDDdrillpipethreadgluingaccidents.Duetothecomplexityofdrillpipethreadgeometry（i.e.conicalthreadhelix,toomanytinyfaces,irregulargeometry）,therehavebeenveryfewreportsonthe3DFEMofconicalthread,exceptforthosemadebytheauthorofthepresentpaper[15,16].

因此，二维模型不能用来研究下扭矩的螺纹连接的安全性和弯曲力矩载荷，因此，我们必须建立三维有限元研究HDD钻杆螺纹胶意外的失败原因。

由于钻杆螺纹几何尺寸（即圆锥螺纹螺旋，太多的细小面，不规则的几何形状）的复杂性，也出现了对圆锥螺纹的三维有限元报道非常少，除了由目前的纸[作者提出15,16]。

DuringtheconstructionprocessoftheLanzhou-Zhengzhou-ChangshathirdcrossingoftheYangtzeRiver,alargenumberofdrillpipethreadsunderwentgluingfailureaccidentsattheHDDexitside.Fig.1showsthefailurecharacteristics,inwhichthedrillpipethreadshouldergalledseverely,andthepinandboxgluedatthefirstandfifthengagedturns.

在长江流域的兰州-郑州-长沙第三个交叉的施工过程中，大量的钻杆螺纹进行胶合失效事故的HDD出口段，图一显示的故障特点，其中钻杆螺纹55度密封圆椎管螺纹_擦伤的严重，并粘在第一和第五从事转弯销和套管。

Inordertodeterminethereasonsforfailure,drillpipethreadmaterialtensionpropertydeterminationandthreadmake-upandbreak-outtestswerecarriedout,and3DdrillpipethreadFEMwasestablished.Withtheaimofsolvingthesefailureproblems,someproperimprovementswereproposed,aswasanewdrillpipethreadgeometry,whichhasastrongerbendingperformance.

为了确定故障原因，钻杆螺纹材料拉伸性能测定和线程构成和突破了进行测试，以及3D钻杆螺纹有限元法建立了。

随着解决这些故障问题的目的，提出了一些适当的改进，是一个新的钻杆螺纹几何尺寸，它有一个强大的弯曲性能。

2.Analysisofconstructionconditions使用条件分析

ThedrillpipethreadgluingoccurredattheexitsideoftheHDDcrossing.Thecrossinglengthis1970m,depthis73m,andtheexitangleoftheexitsidedrillpipeis16°.Duringtheconstructionprocess,theaxialloadandtorqueloadappliedontheexitsidedrillpipesarebothsmall.Thedrillpipeshangintheairbehindtheexitpoint.

钻杆螺纹胶合发生在HDD交叉的出口侧。

该过境长度1970米，深度为73米，并可在出口侧钻管的出口角为16°。

在施工过程中，轴向载荷和力矩载荷施加在引出端侧的钻杆均小。

钻杆挂在出射点后面的空气中。

Onlythefrictionbetweenthedrillpipesanddrillingholegeneratestheaxialloadandtorqueloadattheexitside.Itseffectisinsignificantincomparisonwiththeotherloads.Thehangingdrillpipesbehindtheexitpointbenddownwardsuntilcontactwiththegroundcausedbygravity.ThedrillpipebendingFEMisthenestablished,andtheschematicdiagramisshowninFig.2.

仅在钻杆和钻孔之间的摩擦力产生在出口侧上的轴向载荷和力矩载荷。

它的作用是不显着与其它负载比较。

出口点向下弯曲，直到与由重力引起的接地后面挂钻杆。

钻杆弯曲FEM随后建立，示意图示于图。

2。

Fig.2.Schematicdiagramofhangingdrillpipebend.

吊钻杆弯曲的示意图。

Accordingtothedistancebetweenthehighestbendingpointandexitpointa,thedistancebetweenthehighestbendingpointandthegroundb,thetrigonometricrelationsaredetermined