電纜式地層測試器接頭螺紋連接性能研究

陳永超，溫紀宏，朱本瑞，李子超，李碧柳

電纜式地層測試器接頭螺紋連接性能研究

陳永超1，溫紀宏1，朱本瑞2，李子超1，李碧柳1

（1．中海油田服務股份有限公司，河北燕郊065201；2．天津大學建筑工程學院，天津300072）

以電纜式地層測試器接頭螺紋為研究對象，利用ABAQUS軟件建立了地層測試器接頭螺紋有限元模型，分析了不同工況、不同尺寸的接頭螺紋等效應力分布規(guī)律，并進行了室內試驗驗證。數值仿真和試驗結果表明，接頭螺紋的承載性能能夠滿足實際需求。

電纜式地層測試器；接頭螺紋；ABAQUS；應力分布

電纜式地層測試器（EFDT）是一種集機械、液壓及電子等專業(yè)技術，完成地層測壓及取樣等復雜功能的測井儀器［1-2］。電纜式地層測試器是通過上、下接頭來實現(xiàn)儀器各功能短節(jié)之間連接的。上下接頭因其拆卸方便、易維護保養(yǎng)，能夠實現(xiàn)儀器短節(jié)間快速準確連接，因此常被用于電纜式測井儀器中。電纜式地層測試器上下接頭如圖1所示。電纜式地層測試器在測壓取樣過程中所承受的拉伸載荷是通過其上的接頭螺紋來實現(xiàn)傳遞的，接頭螺紋在載荷作用下的應力分布狀態(tài)直接決定了接頭螺紋的連接性能，進而影響了整支儀器的連接性能。研究表明：在軸向載荷作用下，接頭螺紋各牙上所承受的載荷是不均勻的，嚙合螺紋兩端受力最大，中部螺紋受力較小［3-5］。

在裸眼井測井過程中，由于各種不可預見的復雜原因，測井儀器遇卡情況時有發(fā)生。地層測試器在井下進行測壓取樣時，在目的層位工作時間較長，特別是進行地層流體取樣，耗時長達數小時。因此，地層測試器在測井儀器中遇卡的幾率比其他測井儀器更大。地層測試器或者電纜等在井下遇卡時，需要進行儀器打撈，這就要求儀器必須有足夠的抗拉強度以滿足穿芯打撈的需求。本文利用ABAQUS軟件對電纜式地層測試器接頭螺紋連接強度進行仿真計算，得出接頭螺紋在載荷作用下應力分布情況，并進行了室內拉伸試驗驗證，為接頭螺紋尺寸優(yōu)化設計提供了理論依據。

圖1　地層測試器上下接頭

1 有限元分析

電纜式地層測試器接頭螺紋連接強度分析是一個綜合幾何非線性和邊界非線性的彈塑性接觸問題，而ABAQUS軟件是有限元分析的有效工具，可對結構、載荷與邊界條件進行模擬分析，同時考慮大變形、非線性等因素。由于本文重點考慮的是軸向載荷對螺紋連接的影響，忽略非對稱載荷的影響，所以把載荷視為對稱載荷。另外，力學分析模型也是關于旋轉軸呈對稱結構。基于這些假設，把有限元計算模型考慮為軸對稱結構。地層測試器接頭螺紋由1組螺旋面構成，內、外螺紋的接觸區(qū)域狹長。根據接頭結構和受力特點，建立有限元分析模型時引入3個假設［6-8］：

1)由于螺紋螺旋升角很小，忽略螺旋升角的影響，建模時采用軸對稱結構。

2)地層測試器接頭的材料為各向同性。3)忽略倒角的影響。

1．1 計算模型建立

本文模擬選用地層測試器某型接頭的螺紋進行分析。地層測試器下接頭內螺紋材料選用TC11，屈服強度為900 MPa，彈性模量1．23×1011Pa，泊松比為0．33。上接頭外螺紋材料為鋁青銅，屈服強度為340 MPa，彈性模量1．17×1011Pa，泊松比為0．34。

根據上述假設，利用ABAQUS軟件建立地層測試器接頭螺紋軸對稱有限元分析模型，如圖2a所示。選用CAX4單元對模型進行網格劃分，并對螺紋局部結構進行網格細化，得到接頭螺紋有限元網格模型，如圖2b所示。

圖2　地層測試器接頭螺紋模型

1．2 邊界條件及求解

電纜式地層測試器工作時，因儀器自重或儀器穿芯打撈時所施加的軸向載荷會使螺紋連接處承受很大的拉伸載荷，增加了螺紋破壞的可能性。地層測試器接頭螺紋連接強度校核，即在特定的載荷工況下，要求接頭螺紋能承受足夠的拉力，使各功能短節(jié)能夠可靠連接，滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。根據模型簡化假設，對上接頭端面進行全位移約束，同時在下接頭端面上施加1個軸向拉伸載荷用來模擬在井下工作時所承受的拉伸載荷。

2 計算結果分析

2．1 標準工況下應力分布

本文利用ABAQUS軟件對地層測試器接頭螺紋連接強度進行了仿真分析，計算得到接頭螺紋等效應力分布情況，同時提取出各螺紋牙輪廓應力值，得到其應力變化曲線，如圖3所示。

由圖3可以看出：儀器在軸向拉伸載荷作用下，螺紋牙根部應力值較其他部位大；接頭螺紋各牙應力分布也不均勻，沿螺紋牙輪廓整體上呈現(xiàn)兩端高、中間低的分布趨勢；螺紋中間部分螺紋牙應力分布較為平穩(wěn)，靠近及遠離端面的幾圈螺紋牙的應力值較高，遠大于中間區(qū)域螺紋牙的應力。這表明儀器所承受的載荷大部分集中在兩端少數幾個螺紋牙上，中間大部分螺紋牙并沒有被充分利用起來承擔載荷。

上接頭外螺紋的應力整體上比下接頭內螺紋應力值小，應力最大區(qū)域集中于接頭螺紋的兩端，最大應力均出現(xiàn)在螺紋退刀槽處，上接頭外螺紋最大應力約為89．73MPa，下接頭內螺紋最大應力約為113．79 MPa，最大等效應力值均小于材料的屈服極限。由此可以看出：接頭螺紋兩端及退刀槽處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，是較為容易損壞的部位，這表明螺紋在現(xiàn)場實際應用中，這幾個部位容易被破壞，發(fā)生失效斷裂。

圖3　接頭螺紋沿螺紋牙輪廓應力變化曲線

2．2 不同尺寸接頭螺紋應力分布

為了解不同尺寸接頭螺紋的應力分布規(guī)律，分別選取了地層測試器2種尺寸的接頭螺紋（T110× 3、T85．5×2．5）進行了分析，通過對螺紋有限元模型的求解，得到2種不同尺寸的接頭螺紋應力分布情況，如圖4所示。

圖4　不同尺寸接頭螺紋沿螺紋牙輪廓應力變化曲線

由圖4可以看出：在相同軸向拉伸載荷作用下，2種不同尺寸的接頭螺紋應力分布曲線變化趨勢基本相似，且尺寸為T85．5×2．5的螺紋應力峰值遠高于尺寸為T110×3的接頭螺紋。

2．3 不同軸向載荷螺紋應力分布

為研究不同軸向載荷對地層測試器接頭螺紋應力分布的影響，在保證其他條件不變的情況下，分別對軸向拉伸載荷為100、200、300 k N的3種不同工況進行了仿真計算，得到了螺紋應力分布情況，并根據計算結果繪制了應力變化曲線。不同軸向載荷工況的接頭螺紋應力分布如圖5所示。

圖5　不同軸向載荷接頭螺紋沿螺紋牙輪廓應力變化曲線

由圖5可以看出：3種不同工況下，接頭螺紋沿螺紋牙輪廓應力變化趨勢是一致的，均呈現(xiàn)兩端高、中間低的分布趨勢。隨著軸向拉伸載荷的增大，接頭螺紋應力峰值不斷增大，且3種工況下的等效應力值均小于材料的屈服極限。其中當軸向拉伸載荷為300 k N時，上接頭外螺紋最大應力值為269．1 MPa，下接頭內螺紋最大應力值為341．3 MPa，均位于退刀槽處。3種工況下螺紋接頭兩端是高應力區(qū)域，該位置是發(fā)生斷裂破壞的始發(fā)點。

為進一步驗證接頭螺紋的承載能力，本文設計了室內試驗裝置對尺寸為T110×3的接頭螺紋進行了室內連接性能試驗，分別進行了拉伸載荷為100、200、300 k N 3種不同工況的試驗驗證。試驗結果表明：接頭螺紋能承受上述3種軸向拉伸載荷，螺紋沒有發(fā)生明顯變形、破壞，能夠保證儀器安全可靠連接。

3 結論

1)在軸向載荷作用下，螺紋牙根部應力值較其他部位大。各螺紋牙應力分布不均勻，螺紋兩端及退刀槽處應力集中嚴重影響了電纜式地層測試器的抗拉性能。隨著載荷的增大，接頭螺紋應力峰值不斷增大。

2)在相同載荷作用下，2種不同尺寸的接頭螺紋應力分布趨勢基本相似，且尺寸為T85．5×2．5的螺紋應力值遠高于尺寸為T110×3的接頭螺紋。

3)數值仿真表明，接頭螺紋能承受3種不同工況下的軸向拉伸載荷，這與室內試驗結果吻合。

［1］周明高，劉書民，馮永仁，等．鉆井中途油氣層測試儀（FCT）研究進展及其應用［J］．測井技術，2008，32（1）：72-75．

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Study on Connection Behavior of Formation Tester EFET Joint Thread

CHEN Yongchao1，WEN Jihong1，ZHU Benrui2，LI Zichao1，LI Biliu1
（1．China Cilfield Seruices Limited，Yanjiao 065201，China；2．School of Ciuil Engineering，Tianjin Uniuersity，Tianjin 300072，China）

Taking formation tester EFDT joint thread as a study example and using ABAQUS software，the finite element model of formation tester EFDT joint thread was established．The equivalent stress distribution under several different working conditions and different sizes were obtained with the help of ABAQUS software．And indoor tests of EFDT joint thread were also conducted．The research results showed that the bearing properties of joint thread can satisfy the practical requirements．

formation tester；joint thread；ABAQUS；stress distribution

TE927．4

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．003

1001-3482（2015）04-0009-04

2014-10-21

國家科技重大專項課題“模塊式地層動態(tài)測試系統(tǒng)”（2011ZX05020-003）

陳永超（1987-），男，山東陽信人，工程師，碩士，主要從事石油測井儀器設計研發(fā)工作，E-mail：chenych23＠cosl．com．cn。