隨鉆測井儀器艙體的強度校核方法

李鐵軍，史宏江，楊文景，閆國興，王海森

（中國石油集團鉆井工程技術研究院 北京石油機械廠，北京100083）

隨鉆測井儀器艙體的強度校核方法

李鐵軍，史宏江，楊文景，閆國興，王海森

（中國石油集團鉆井工程技術研究院 北京石油機械廠，北京100083）

隨鉆測井儀器在鉆井過程中受到多種交變載荷共同作用，用傳統強度校核方法難以計算儀器艙體的強度。以某型隨鉆測井儀為例，介紹了基于有限元的儀器艙體強度校核方法。該方法通過分析載荷特性和約束情況，利用有限元數值模擬方法建立儀器艙體受力模型，分析應力分布情況。分析結果表明：該儀器艙體最大應力小于材料的屈服強度，滿足鉆井工況要求，為該儀器艙體的結構設計提供了理論依據。

隨鉆測井儀；艙體；強度；有限元分析

隨鉆測井儀器中安裝有若干傳感器、電路和電池等，需在儀器艙體上沿圓周方向加工各種溝槽，在很大程度上削弱了儀器艙體的抗彎、抗扭及抗拉強度［1-2］。儀器艙體在整個鉆具組合中是一個比較薄弱的環節，一旦失效就會造成嚴重的井下事故。因此，在井下儀器艙體設計時有必要模擬實際工況，對儀器艙體進行強度校核，確保設計強度滿足使用要求。

1 儀器艙體的強度校核

在定向鉆進和復合鉆進過程中，隨鉆測井儀器的艙體在多種交變載荷共同作用下，受彎曲、扭轉、拉伸、振動、高溫、高壓等多種因素的影響，如果設計強度不滿足使用要求，可能發生儀器艙體與鉆桿連接螺紋斷裂、艙體危險截面處扭斷等失效形式。

以某型隨鉆測井儀為例，介紹該儀器艙體的結構強度校核方法。該儀器艙體結構如圖1所示。按照GB／T 24956—2010《石油天然氣工業鉆柱設計和操作限度的推薦作法》［3］進行連接螺紋抗扭能力計算，再應用ANSYS有限元分析軟件對儀器在最大載荷工況（鉆壓100 k N，壓力140 MPa，轉矩12 000 N·m）下進行有限元分析。

圖1 某型隨鉆測井儀的艙體結構

1.1 連接螺紋的結構參數和材料參數

儀器艙體兩端連接螺紋均為3?2IF，公母螺紋外徑均為?120.65 mm，倒角處直徑為?118 mm。儀器艙體內孔通徑?66 mm。儀器艙體材料為無磁鉆鋌管材，屈服強度為758 MPa，抗拉強度為965 MPa，4倍直徑標距長度的最小伸長率13%，材料最小硬度285 HB。由API SPEC 7（FORTIET H EDITION）10.2表得到3?2IF螺紋參數如表1～2所示。

表1 3?2IF螺紋參數

表2 3?2IF牙形參數 mm

1.2 連接螺紋轉矩計算

螺紋端部臺肩平均接觸半徑：

Rs＝（OD＋Qc）／4＝（120＋103.58）／4＝56.058 mm

式中：OD為母螺紋外徑；Qc為母螺紋大端光孔直徑。

公螺紋基面以右的平均中徑之半：

式中：C為公螺紋基面中徑；Lpc為公螺紋長度；t pr為螺紋錐度。

距母螺紋端面9.525 mm處內螺紋的環面積：

距公螺紋端面19.05 mm處的最小環面積：

式中：h2為螺紋牙底距中徑的距離；I D為公螺紋孔直徑。

可見Ab＜Ap，故該儀器艙體連接螺紋的薄弱環節在母螺紋處。

材料屈服強度σs＝758 MPa，螺紋預緊力值S＝σs／2＝379 MPa

旋轉臺肩連接螺紋的上緊轉矩：

式中：T為螺紋上緊轉矩；S為因轉矩T而產生的力；P為螺紋節距；Rt為公螺紋基面以右的平均中徑之半；Rs為螺紋端部臺肩平均接觸半徑；θ為螺紋牙形半角；f為摩擦因數；A為計算點截面積，A＝min｛Ap；Ab｝，Ap為距公螺紋臺肩19.05 mm 處的最小環面積，Ab為距臺肩9.525 mm處母螺紋的環面積。

由GB／T 24956—2010《石油天然氣工業鉆柱設計和操作限度的推薦作法》，使旋轉臺肩連接屈服所需的轉矩：

式中：T為螺紋上緊轉矩。

因此在該儀器艙體實際鉆井應用中，3?2IF螺紋上緊轉矩應為11 462～22 924 N·m。

利用理論公式計算只能計算儀器艙體承受單一載荷作用的情況，對于復雜工況無法進行詳細校核。為了反映真實載荷作用情況，必須借助有限元軟件進行全加載分析，上述螺紋強度理論計算為儀器艙體強度有限元分析建立了邊界條件。

2 有限元分析

為校核該儀器艙體強度是否滿足實際鉆井工況需求，采用商業有限元分析軟件對儀器艙體進行了有限單元離散分析。儀器艙體最大載荷工況：鉆壓100 k N，壓力140 MPa，轉矩12 000 N·m。儀器艙體選用的材料為無磁鉆鋌管材，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.28，屈服強度為758 MPa。

2.1 實體建模與網格劃分

建立合適的儀器艙體實體模型是正確劃分有限元網格的基礎。建立實體模型時，應根據儀器艙體的具體特征對形狀和大小進行必要的簡化處理，以提高網格劃分的成功率，同時減小工作量［4］。因此，刪除對分析結果影響較小的特征結構，例如儀器艙體上的螺紋孔，艙體上的過線孔等。

儀器艙體結構較為復雜，在縱向上存在較多的尺寸突變，對于重點部位關鍵截面網格劃分要更細，對于結構單一處如艙體圓筒可以簡化單元數量［5］。為了提高計算精度，采用四面體單元網格進行劃分，共劃分單元1 351 351個，節點2 070 112個，單元劃分已足夠密集，滿足儀器艙體的應力描述需求，網格劃分結果如圖2所示：

圖2 儀器艙體網格劃分模型

2.2 載荷和約束分析

根據實際鉆井工況，模型的邊界條件設定為：儀器艙體公螺紋端固定，母螺紋端沿軸向施加100 k N鉆壓，12 000 N·m的轉矩，內孔、外圓表面施加140 MPa的壓力。儀器艙體受力和約束情況如圖3所示。

圖3 載荷與約束模型

2.3 有限元計算結果

在施加最大載荷工況下，儀器艙體最大應力為744.91 MPa，小于材料的屈服強度758 MPa，因此該儀器艙體設計滿足實際工況要求。儀器艙體等效應力云圖如圖4所示，通過對應力云圖分析可知，局部出現應力集中異常點，這些異常點為計算時網格歧變導致不收斂情況可以忽略，儀器艙體兩端螺紋連接處應力最高，為薄弱環節，應對結構進行優化設計以避免失效。

圖4 儀器艙體等效應力云圖

3 結論

1） 在實際鉆井工況中，測井儀的艙體承受多種交變載荷共同作用，利用有限元模擬實際工況能較好地預測該艙體的應力狀態，從而為井下儀器的結構設計提供理論依據。

2） 公式計算與有限元相結合的方法為儀器強度校核提供了一個新的方法，該方法既可以彌補手工無法計算復雜截面的問題，也可以解決有限元分析特殊螺紋連接造型、網格劃分復雜計算誤差大的不足。

3） 通過有限元分析能夠有效指導設計人員對儀器艙體進行優化設計，避免因強度不滿足要求而引起的井下事故。

4） 在儀器艙體出廠前，還應在轉矩試驗臺上按最大載荷進行加載試驗，檢測儀器艙體強度。

［1］ 肖紅兵，馬哲，李閃，等.隨鉆自然伽馬井下測量儀器的研制［J］.石油儀器，2002，16（2）：15-17.

［2］ 姚文彬，李輝，尚捷，等.隨鉆自然伽馬測井儀研制［J］.電子測量技術，2013，36（6）：42-45.

［3］ GB／T 24956—2010，石油天然氣工業鉆柱設計和操作限度的推薦作法［S］.

［4］ 侯曉東，劉宏亮，左其川，等.連接方式對隔水管法蘭試壓應力分布的影響［J］.石油礦場機械，2013，42（8）：8-13.

［5］ 彭旭，胡文禮，艾志久，等.軟硬交接地層導向孔鉆進軌跡預測［J］.石油礦場機械，2013，42（7）：19-22.

［6］ GB／T 22512.2—2008，石油天然氣工業旋轉鉆井設備.第2部分：旋轉臺肩式螺紋連接的加工與測量［S］.

［7］ 劉鴻文.材料力學［M］.4版.北京：高等教育出版社，2004.

Strength Check Method of Logging-While-Drilling Instrument Cabin

LI Tie-jun，SHI Hong-jiang，YANG Wen-jing，YAN Guo-xing，WANG Hai-sen
（BPM，CNPC Drilling Research Institute，Beijing 100083，China）

In the process of drilling，thelogging-while-drilling tool is under theinteraction of multiple alter nating load，t he traditional met hod is difficult to calculate t he strength whet her t he instr u ment cabin strength meets the drilling condition demand or not.In order to solve this problem，an instr u ment cabin is taken as an exa mple to intr oduce a kind of instr u ment cabin strengt h method based on finite element analysis.The method，based on the analysis of theinstr u ment cabin l oad characteristics and constrained conditions，using t he finite element nu merical si mulationtechnology to build t he instr u ment cabin stress model，analyzes the stress distribution of the instr u ment cabin.The analysis results show that the instr u ment cabin maxi mu m stress is less than t he yield strengt h of t he material and t he instr u ment cabin str ucture can satisf y t he drilling requirements.The analysis results provide a theoretical basis for theinstrument cabin structural design.

logging-while-drilling tool；instr u ment cabin；strengt h；finite element analysis

TE927.602

A

1001-3482（2014）06-0058-04

2013-12-17

國家科技重大專項“窄密度窗口安全鉆完井技術及裝備”（2011ZX05021-003）

李鐵軍（1980-），男，河北任丘人，碩士研究生，主要從事隨鉆儀器結構設計制造方面的研究，E-mail：349244627＠qq.com。