基于XFEM的超深井新型钻杆螺纹接头设计及评价

宋东东; 罗鑫; 贺明敏; 万智勇; 陈建; 王昊; 练章华

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2501769

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (7) :2857-2875 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2501769

石油、天然气工业

基于XFEM的超深井新型钻杆螺纹接头设计及评价

宋东东 ¹ ,
罗鑫 ¹ ,
贺明敏 ¹ ,
万智勇 ² ,
陈建 ¹ ,
王昊 ² ,
练章华 ²^,^*

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Design and Evaluation of New Drill Pipe Thread Joint in Ultra-deep Well Based on XFEM

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摘要

随着油气井钻井深度不断增加,钻杆承受较大轴向力和扭矩作用,而钻杆螺纹作为薄弱结构,需要进行力学强度分析及结构优化,为此针对现场使用的普通美国石油学会(American Petroleum Institute,API)螺纹接头与结构优化后的非标新型螺纹接头,建立了多工况下螺纹接头力学及裂纹扩展有限元分析模型。有限元计算结果表明:非标新型接头具有更高力学强度,更容易上扣且速度快,还具有3扣非工作螺纹,降低了螺纹接头大端刚度,改善了应力集中问题,具体的非标新型接头抗扭强度比普通接头的抗扭强度高23.86%,增加了扣根的截面刚度,且优化螺纹接头在内台肩第三扣和外台肩第三扣处的裂纹扩展长度明显减小,有效抑制了裂纹扩展,断裂壁厚比有效减少40%以上。特别的在四川开发的万米超深川科1井钻探过程中将采用该非标新型螺纹接头,文中研究方法和成果对超深井非标新型钻杆螺纹设计提供了理论依据。

Abstract

With the continuous increase in the drilling depth of oil and gas wells, drill pipes are subjected to greater axial forces and torques. As a relatively weak structural component, drill pipe threads require mechanical strength analysis and structural optimization. Finite element analysis (FEA) models was established for the mechanical behavior and crack propagation of standard API(American Petroleum Institute) threaded joints and structurally optimized non-standard new threaded joints under multiple working conditions. The FEA results show that the non-standard new joint has higher mechanical strength, it is easier and faster to make up, and features three non-working threads, which reduce the stiffness at the large end of the threaded joint and alleviate stress concentration problems. Specifically, the torsional strength of the non-standard joint is 23.86% higher than that of the standard joint, the cross-sectional stiffness at the thread root is increased, and the crack propagation lengths at the third internal and external shoulder threads are significantly reduced. This effectively suppresses crack propagation, with fracture wall thickness reduced by more than 40%. During the drilling process of the 10 000 meter ultra deep Chuanke 1 well developed in Sichuan, the non-standard new type of threaded joint will be used. The research methods and results in this article provide a theoretical basis for the design of non-standard new drill pipe threads in ultra deep wells.

Graphical abstract

关键词

超深井 / 钻杆 / 非标螺纹接头 / 等效应力 / 有限元方法

Key words

ultra deep well / drill pipe / threaded joint / equivalent stress / finite element method

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宋东东, 罗鑫, 贺明敏, 万智勇, 陈建, 王昊, 练章华. 基于XFEM的超深井新型钻杆螺纹接头设计及评价[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(7): 2857-2875 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501769

SONG Dong-dong, LUO Xin, HE Ming-min, WAN Zhi-yong, CHEN Jian, WANG Hao, LIAN Zhang-hua. Design and Evaluation of New Drill Pipe Thread Joint in Ultra-deep Well Based on XFEM[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(7): 2857-2875 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501769

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近年来,中国大量深井、超深井甚至万米特深井陆续被开发^[1-4],日益完善的钻井工程技术作为安全建井的重要保障^[5-6],随着油气井深度不断增加,钻杆在钻进过程中承受较大的轴向力和扭矩作用^[7-8],并且螺纹连接处作为钻杆中最薄弱的部位,在钻进过程极易被损伤,造成钻杆断裂、破坏地层,甚至无法打捞落鱼直至井眼报废的重大经济损失^[9-12]。

现有已知钻杆螺纹连接处主要失效形式包括:母螺纹外台肩处断裂、公螺纹外台肩2至3扣螺纹处损伤、外台肩面密封失效等^[13-15]。关于上述失效形式国内外大量学者进行了研究。丁宇奇等^[16]分析了开窗侧钻过程中复杂载荷对螺纹接头应力和接触压力影响,得到合理改变螺纹公差能降低主副台肩应力,改善螺纹的密封性能。陈波等^[17]分析了钻杆接头螺纹在上扣载荷、上扣+压缩载荷和上扣+压缩+弯曲载荷工况中螺纹牙应力场分布情况,得到梯形台肩面螺纹牙上的最大应力低于API(American Petroleum Institute)螺纹结构。Yu等^[18]建立了螺纹密封性能评价几何非线性模型,研究得到增加管柱内压在一定范围内能增加接触路径上接触压力,但总体会降低接头的密封能力,并且轴向拉伸载荷的增加将显著损害接头的密封性能。Yang等^[19]建立了三维双台肩钻杆螺纹连接非线性有限元模型,得到双肩结构过渡角处的几何尺寸和结构对台肩应力和接触压力分布有显著影响,在轴向拉伸作用下,台肩处密封性能下降明显。谢士远等^[20]针对上扣后套管螺纹在多轴交变载荷作用下的应力、应变进行分析,得到套管螺纹上最大应力都出现在公扣大端5扣齿底处。

以上研究增加了螺纹接头应力分布和优化设计的认识^[21-24],但现有多数研究针对API NC(numbered connection)数字扣型或者偏梯形扣^[25-28],然而随着油气井深度不断增加,API标准扣型将会出现螺纹牙上应力分布不均匀、上卸扣速度缓慢甚至密封性能不佳的现象^[29-32],为改善以上问题,现设计一种非标新型钻杆接头螺纹结构,以改善螺纹扣根应力分布、提高连接强度以及快速上扣为目标,为深井、超深井以及万米井深提供最优的非API标准螺纹(简称“非标螺纹”,或“非标接头”)。目前中国石油川庆钻探公司完成的超深井钻杆将采用该非标新型螺纹接头,且该成果已经提交钻杆制造厂家生产制造,有待进一步推广应用。

1 双台肩螺纹接头受力及失效原因

1.1 双台肩螺纹接头失效统计分析

深层、特深层油气作为现有重要的接替能源,目前世界新增油气储量60%来自深地,中国83%深地油气有待探明和开发,向“地下珠峰”进军获取油气资源是保障国家能源安全的重大战略任务,截至2025年初全国累计完钻8 000 m深井200余口,现有典型已完钻超深井深度如图1所示。

目前塔里木、四川、准噶尔、柴达木等盆地相继探明深层、超深层油气,最深直井TK1井达到10 910 m,其设计井身结构如图2所示^[33],但受地质条件极端复杂影响,工程事故与复杂频发,钻井技术面临重大难题。

尤其在2025年2月20日中国首口超万米科探井-中国石油深地塔科1井胜利完钻,是我国继深空、深海之后,在深地领域做出的又一重大部署,对推动能源革命、实现高水平科技自立自强、保障国家能源安全具有重大意义,但地下情况复杂,井下工况苛刻,对钻井工艺技术提出极大挑战,且超深、超重载荷对钻具装备提出极限要求,尤其在超深井钻进过程中对井下工具的螺纹接头提出了更严格的要求,为此统计了部分井下螺纹接头断裂失效的照片,如图3所示^[34-40],通过针对现场螺纹接头断裂失效照片分析,得到螺纹接头断裂主要集中出现在公母螺纹大端根部,该处为螺纹接头的薄弱结构需要进行优化设计。

然而目前油田检测井下工具螺纹的常有方法有磁粉探伤、超声波探伤和渗透探伤(主要针对无磁钻铤)。由于螺纹自身结构的影响,清理螺纹工作量较大,内螺纹观察磁粉和渗透效率较低,清理不干净,容易漏检缺陷,而采用超声波直探头检测螺纹,该方法可以发现螺纹根部2.5 mm以上的缺陷,而小于2.5 mm的缺陷则容易漏检,三种螺纹缺陷探伤方法优缺点对比如表1所示。为减少漏检螺纹的现象,需要将螺纹接头多次重复检测,造成劳动强度大,并且严重影响钻杆的使用效率^[41]。

1.2 钻杆螺纹接头扭矩强度理论

在钻井过程中钻杆接头需要承受较大的轴向力和扭矩,还需确保钻杆接头工作时公母螺纹紧密连接,防止因连接不牢导致钻杆断裂或脱落事故,且上扣扭矩的大小直接影响钻杆接头螺纹的啮合程度和贴合度,足够的上扣扭矩可以使螺纹牙、主台肩、副台肩等啮合面产生足够的接触压力,从而实现接头工作时的预紧和密封,若需获得准确的上扣扭矩值大小,必须计算钻杆接头的扭矩强度,其中API RP 7G标准推荐了扭矩强度理论计算数学模型,外台肩和内台肩扭矩强度计算公式分别为

(1)T'=$\frac{{Y}_{m}A}{12}\left({R}_{s}\mu +\frac{{R}_{t}\mu }{cos\theta }+\frac{p}{2\pi }\right)$

(2)T″=$\frac{{Y}_{m}{A}_{s}}{12}\left(\frac{p}{2\pi }+\frac{{R}_{t}\mu }{cos\theta }+\frac{R\text{'}{ }_{s}\mu }{cos\alpha }\right)$

式中:T'为外台肩上扣扭矩强度,N·mm;T″为内台肩上扣扭矩强度,N·mm;Y_m为材料屈服强度,MPa;A为外台肩内、外螺纹根部最小横截面面积,mm²;R_s为外台肩平均半径,mm;μ为摩擦系数;R_t为螺纹的平均中间半径,mm;θ为牙型半角,(°);p为螺距,mm;A_s为公接头鼻尖处横截面积,mm²;R'_s为内台肩平均半径,mm。

则上扣至扭矩强度时外台肩上作用力F_out为

(3)F_out=Y_mA

上扣至扭矩强度时内台肩上作用力F_in为

(4)F_in=Y_mA_s

钻杆双台肩螺纹总扭矩强度为

(5)T=T'+T″

式(5)中:T为双台肩螺纹总上扣扭矩,N·mm。

根据API RP 7G标准规定,钻杆上扣扭矩为其扭矩强度的0.6倍,钻铤的上扣扭矩为其扭矩强度的0.52倍。因此可以得到钻杆和钻铤的上扣扭矩,以及计算出螺纹接头上扣时外台肩和内台肩的轴向力。

1.3 钻杆接头螺纹受弯力学分析

钻杆接头螺纹受到弯矩载荷作用时,其一部分载荷由台肩承担,因而台肩对螺纹具有一定的加强作用,具体螺纹台肩处弯矩载荷受力图,如图4所示,假设接头所承受的弯矩为M,台肩承受弯矩为M_T,外螺纹根部承受弯矩为M₁,则有^[41-42]

(6)M=M_T+M₁

M_T和M₁的相对大小与台肩和外螺纹的抗弯刚度相关,具体表示为

(7)$\frac{{M}_{T}}{{M}_{1}}$=$\frac{E{J}_{T}}{E{J}_{1}}$=$\frac{{J}_{T}}{{J}_{1}}$

式(7)中:E为材料弹性模量,MPa;J_T为台肩面截面惯性矩,mm⁴;J₁为外螺纹根部截面惯性矩,mm⁴。

则接头所承受的弯矩M为

(8)M=M_T

$\left(1+\frac{{J}_{1}}{{J}_{T}}\right)$

采用常数α来表面钻杆接头螺纹所受弯矩载荷的程度,则弯矩引起的台肩最大弯曲应力σ_max为

(9)σ_max=ασ₁

式(9)中:σ₁为预压力,MPa。

则台肩所能承受的弯矩M_T为

(10)M_T=$\frac{2{J}_{T}}{D}$ασ₁

外螺纹所承受的弯矩载荷为

(11)M₁=M_T

$\frac{2{J}_{T}}{D}$

ασ₁

外螺纹所受弯矩载荷最大处为外螺纹第一螺纹牙的根部,其弯曲应力σ_pin为

(12)σ_pin=$\frac{{M}_{1}}{{W}_{1}}$=$\frac{R}{D}$ασ₁

式(12)中:σ_pin为接头承受的弯曲应力,MPa;W₁为台肩截面的抗弯截面系数,mm³;R为截面直径,mm;D为接头外径,mm。

内螺纹牙根处的最大应力σ_box为

(13)σ_box=$\frac{{M}_{1}}{{J}_{2}}\frac{d}{2}$=$\frac{d}{D}\frac{{J}_{1}+{J}_{T}}{{J}_{2}}$ασ

式(13)中:d为接头内径,mm。

根据以上分析可知,若降低螺纹牙处的应力值,应尽可能减小M₁,利用台肩分担螺纹牙所承受弯矩载荷。由此提出提高抗弯性能的条件,即

(14)M_A=M_T+M₁+X

式(14)中:M_A为螺纹接头需要的抗弯性能,MPa;X为抗弯强度余量,MPa。

1.4 裂纹扩展理论和扩展有限元法的基本原理

根据裂纹界面的相对位移和载荷作用的方式,可以将裂纹间断区域的变形特征分为三类,如图5所示^[43-45]。对无限大板含裂纹问题,考虑裂纹面上面力为零的边界条件,对于不同的载荷通过应力法和位移法求解,可以得到裂纹尖端附近应力如下。

I型裂纹:

(15)

$\left\{\begin{array}{l}{\sigma }_{x}=\frac{{K}_{I}}{\sqrt{2\pi r}}cos\frac{\theta }{2}\left(1-sin\frac{\theta }{2}sin\frac{3\theta }{2}\right)\\ {\sigma }_{y}=\frac{{K}_{I}}{\sqrt{2\pi r}}cos\frac{\theta }{2}\left(1+sin\frac{\theta }{2}sin\frac{3\theta }{2}\right)\\ {\tau }_{y}=\frac{{K}_{I}}{\sqrt{2\pi r}}sin\frac{\theta }{2}cos\frac{\theta }{2}cos\frac{3\theta }{2}\end{array}\right.$

(16)

$\left\{\begin{array}{ll}{\sigma }_{z}=\nu ({\sigma }_{x}+{\sigma }_{y}),& \mathrm{平}\mathrm{面}\mathrm{应}\mathrm{变}\\ {\sigma }_{z}=0,& \mathrm{平}\mathrm{面}\mathrm{应}\mathrm{力}\\ {\tau }_{xy}={\tau }_{yz}=0& \end{array}\right.$

II型裂纹:

(17)

$\left\{\begin{array}{l}{\sigma }_{x}=-\frac{{K}_{II}}{\sqrt{2\pi r}}sin\frac{\theta }{2}\left(2+cos\frac{\theta }{2}cos\frac{3\theta }{2}\right)\\ {\sigma }_{y}=\frac{{K}_{II}}{\sqrt{2\pi r}}sin\frac{\theta }{2}cos\frac{\theta }{2}cos\frac{3\theta }{2}\\ {\tau }_{y}=\frac{{K}_{II}}{\sqrt{2\pi r}}cos\frac{\theta }{2}\left(1-sin\frac{\theta }{2}sin\frac{3\theta }{2}\right)\end{array}\right.$

(18)

$\left\{\begin{array}{ll}{\mathrm{\sigma }}_{\mathrm{z}}=\mathrm{\nu }({\mathrm{\sigma }}_{\mathrm{x}}+{\mathrm{\sigma }}_{\mathrm{y}}),& \mathrm{平}\mathrm{面}\mathrm{应}\mathrm{变}\\ {\mathrm{\sigma }}_{\mathrm{z}}=0,& \mathrm{平}\mathrm{面}\mathrm{应}\mathrm{力}\\ {\mathrm{\tau }}_{\mathrm{x}\mathrm{y}}={\mathrm{\tau }}_{\mathrm{y}\mathrm{z}}=0& \end{array}\right.$

式中:r、θ分别为以裂纹尖端为坐标原点建立的极坐标,如图6所示裂纹附近某一点到裂纹尖端的半径r和角度θ;K_I为裂尖的I型应力强度因子,MPa·mm^1/2;K_II为裂尖的II型应力强度因子,MPa·mm^1/2。

目前复合型裂纹的断裂准则有最大周向应力复合型断裂准则、最大切向应变准则,最大能量释放率准则、最小应能密度准则、平均应变能密度准则。其中常用的为最大应力准则,在I-II型复合型裂纹问题中,裂纹尖端附近的应力场采用极坐标表示为

(19)

$\left\{\begin{array}{l}{\sigma }_{r}=\frac{cos(\theta /2)}{2\sqrt{2\pi r}}{K}_{I}(3-cos\theta )+\frac{sin(\theta /2)}{2\sqrt{2\pi r}}\times \\ 　　{K}_{II}\left(3\right.cos\theta -1)\\ {\sigma }_{\theta }=\frac{1}{2\sqrt{2\pi r}}cos(\theta /2)\left[{K}_{I}\right(1+cos\theta )-3{K}_{II}sin\theta ]\\ {\tau }_{\theta }=\frac{1}{2\sqrt{2\pi r}}cos(\theta /2)[{K}_{I}sin\theta -3{K}_{II}\left(3\right.cos\theta -1)]\end{array}\right.$

根据最大应力准则的基本假设:①裂纹开裂沿最大周向应力方向;②最大周向应力强度因子超过临界值,裂纹将扩展。根据

(20)$\frac{\partial {\sigma }_{\theta }}{\partial \theta }$=0, $\frac{{\partial }^{2}{\sigma }_{\theta }}{\partial {\theta }^{2}}$<0

可以得到裂纹的开裂方向即开裂角为

(21)θ₀=2arctan$\frac{1}{4}\left[\frac{{K}_{I}}{{K}_{II}}\pm \sqrt{{\left(\frac{{K}_{I}}{{K}_{II}}\right)}^{2}+8}\right]$

式(21)中:θ₀为裂纹开裂角,从初始裂纹面逆时针方向算起。定义K_max为最大应力强度因子,裂纹的开裂条件为

(22)K_max=cos$\frac{{\theta }_{0}}{2}\left({K}_{I}co{s}^{2}\frac{{\theta }_{0}}{2}-\frac{3}{2}{K}_{II}sin{\theta }_{0}\right)$=K_IC

式(22)中:K_IC为临界平面应变断裂韧性,MPa·mm^1/2。

ABAQUS有限元软件包含6种材料损伤起始准则,分别为最大主应力准则、最大主应变准则、最大名义应力准则、最大名义应变准则、应力比平方和准则以及应变比平方和准则,其中只有最大主应力准则能够实现裂纹自由扩展,因此采用最大主应力准则,用指标值F衡量损伤是否开始,当F=1时损伤开始,其表达式为

(23)

$\left\{\begin{array}{l}F=\frac{\left\langle\sigma_{\max }\right\rangle}{\sigma_{\max }^{0}} \\\left\langle\sigma_{\max }\right\rangle=\left\{\begin{array}{ll}\sigma_{\max }, & \sigma_{\max }>0 \\0, & \sigma_{\max } \leqslant 0\end{array}\right.\end{array}\right.$

式(23)中:σ_max为最大主应力;

${\sigma }_{max}^{0}$

为材料允许的最大应力,可视为抗拉强度;<>为Macaulay括号,表示当括号中的值大于0时,结果为本身,而小于或等于0时,结果为0。

材料中损伤积累满足损伤起始准则后,扩展有限元中材料行为即由损伤演化规律决定。损伤演化规律表示的是材料刚度衰退速率,主要有基于位移和基于断裂能这两种演化规律,其中基于断裂能的演化规律通过给出的临界断裂能和相应参数确定单元的演化,采用基于幂法则的断裂能损伤准则规律。

式(1)~式(14)虽可描述螺纹在上扣和承受弯矩工况中的受力状态,但螺纹啮合过程是高度非线性的力学问题,使用解析解无法精确计算,只能用有限元法进行仿真模拟计算和评价。

2 钻杆非标螺纹结构设计

现场使用的普通双台肩接头螺纹扣型即为API标准螺纹,并且现场使用的该API标准螺纹扣常出现螺纹牙承载面磨损严重,公母接头最末螺纹扣刚度不足,导致钻杆螺纹接头使用寿命严重下降,而且最末螺纹扣断裂的事故也时有发生,为此针对现场发生的螺纹断裂事故,需要进行钻杆螺纹接头结构优化,目前国内外制造单位设计了大量钻杆螺纹结构,为此进行了详细统计,如表2所示。

上述均为常用的钻杆螺纹结构类型,其中NC和REG螺纹为API(美国石油学会)标准在几十年前就已经推荐的螺纹,但经过这几十年油气井建井技术的发展,其结构强度和密封性能已经不再满足现有高难度油气井的开发,需要针对钻杆螺纹接头进行优化设计,但大量新型钻杆螺纹接头均由国外钻杆制造厂家设计并进行了严格的知识产权保护,导致国内各油田采购成本一直居高不下。

目前使用的双台肩API接头螺纹承载面牙侧角α及导向面牙侧角β均为30°,锥度为1∶6,螺纹接头螺距为每英寸4牙,普通API螺纹结构示意图如图7所示。

双台肩API螺纹接头在现场使用过程中出现上扣速度慢、螺纹承载面严重磨损及密封性能不佳等诸多问题,为此优化设计了一种新型非标螺纹接头,该新型螺纹承载面侧角α=30°,与API螺纹承载面角度相等,但其导向面侧角β=45°,比API螺纹的导向面侧角大15°,因此新设计的非标螺纹总齿顶角为75°,优化螺纹牙数为每英寸3牙,锥度为1∶16,非标新型螺纹结构示意图如图8所示,前面法尔公式[式(1)和式(2)]同样适用与该非标新型螺纹的抗扭强度计算。经过上述优化设计后能使得螺纹承载面积增加,且螺纹牙轴向厚度增加,有利于螺纹牙在传递载荷时,各螺纹牙之间的受力分布更加均匀,避免出现局部应力集中的现象,并且相较于普通API螺纹牙的单齿平均厚度增加了30%,有效增大了螺纹牙的刚度和强度,避免公母接头最末螺纹扣出现断裂等事故,具体两种螺纹牙基本设计对比参数如表3所示。

为更好展现优化的钻杆螺纹接头结构,建立了5 in (127 mm)螺纹接头三维实体模型,具体钻杆接头与钻杆匹配尺寸如表4所示,其接头强度为120 ksi(827.6 MPa),钻杆强度为135 ksi(931 MPa)。

外径为5 in (127 mm)的API螺纹和非标新型双台肩螺纹接头结构3D实体模型分别如图9和图10所示。

通过将新型非标螺纹的结构进行优化设计达到增加钻杆接头的抗断裂性能,主要优化结构及效果如下:

(1)通过增加新型接头螺纹齿宽度,且设计为45°螺纹导向面,相较于API NC系列接头能具有更高力学强度,更容易上扣,且上扣速度快。

(2)通过增加3扣非工作螺纹,降低新型螺纹接头的大端刚度,改善了应力分布及其应力集中问题,相较于NC系列具有更高的抗疲劳强度。

(3)通过增加接头螺纹的扣根圆角半径,显著缓解应力集中现象,使应力分布更加均匀,有效降低螺纹齿上的应力峰值,减少应力梯度,从而降低裂纹萌生和扩展的风险,对于承受交变载荷的螺纹接头尤为重要,能够显著提高其可靠性和安全性,并延长使用寿命。

(4)将螺纹锥度从标准的1∶6优化为1∶16,能实现在旋紧时,螺纹牙面与配合面的接触更加紧密,能够形成更均匀的接触压力分布。这种紧密配合减少了泄漏通道,从而显著提升了密封性能,且轴向力分布更均匀,减少了因锥度过大导致的局部应力集中。同时,更小锥度的螺纹配合更紧密,抗松动能力增强。

3 螺纹接头有限元模型建立及应力对比分析

3.1 螺纹接头有限元模型建立

根据螺纹接头实际受力情况建立的有限元网格模型如图11所示,其中模型外台肩AB和内台肩CD处承受上扣后扭矩产生的接触压力,分别为F_in和F_out,数值大小通过API标准给定的法尔式(1)~式(4)计算。由于螺纹接头为回转体,在轴向力作用下,根据弹性力学及其有限元理论,可以将3D问题简化为轴对称问题的力学模型。为增加模型的准确性,将螺纹牙齿附近的网格进行加密划分。

3.2 扭矩强度值作用下接头内应力对比分析

根据建立的有限元模型,针对新型接头和对应尺寸的API螺纹接头,利用螺纹接头扭矩强度计算公式式(1)、式(2)以及式(5),得到两种螺纹接头的扭矩强度,具体的非标新型螺纹接头和API螺纹接头的抗扭矩强度分别为109 kN·m和88 kN·m,即前者比后者的抗扭强度高23.86%,将其抗扭强度分别施加在两种接头上,通过有限元仿真模拟计算,得到von Mises应力如图12所示。

由于现场使用的接头强度为120 ksi(827.6 MPa),其在设定扭矩强度作用下,钻杆接头的vos Mises应力超过827.6 MPa,说明接头内材料发生屈服塑性变形,即图12中红色区域已经到达其材料的屈服应力827.6 MPa,主要发生在母螺纹镗孔部分B、B'位置以及内台肩端的A、A'位置,从图12中可知,两种接头内的最大值应力区以及高应力区主要发生在螺纹的两端部,中部螺纹上的应力较小,但是某些局部位置也已经达到屈服应力,产生局部塑性区域。

对比两种接头内的应力分布位置可知,在设定的上扣扭矩强度下,新型接头镗孔部分B区还未全部发生塑性变形,而普通接头的该部分B'区已经完全发生塑性变形,其主要原因是新型接头在该部分延长了3扣非工作螺纹,降低了接头部分的刚度。且两种接头内最大应力数值发生的位置也有区别,新型接头内最大应力值点A以及高应力区主要发生在径向壁厚较大的承载面上,而普通接头内的最大应力值点A'以及高应力区主要发生在径向壁厚较小的螺纹根部,因此新型比普通螺纹结构极大地改善了螺纹内的应力分布位置,从而提高的抗扭强度达到23.86%。中国石油川庆钻探公司的超深井钻杆将采用该非标新型螺纹接头。

3.3 扣扭矩作用下接头内应力对比分析

根据建立的有限元模型,分别对非标新型螺纹和API螺纹施加上扣扭矩达到其扭矩强度109 kN·m和88 kN·m数值的0.6倍,即其上扣扭矩分别为65 kN·m和53 kN·m,通过有限元仿真模拟计算,得到其von Mises应力分布如图13所示。

在上扣扭矩作用下,钻杆接头内有少部分区域vos Mises应力达到其屈服应力827.6 MPa,见图13中的红色区域。两种接头内的最大应力区以及高应力区主要发生在螺纹的两端部,中部螺纹上的应力较小,而且均没有达到屈服应力。由于螺纹结构复杂,突变位置较多,容易产生应力集中现象,通过大量的有限元计算,即使上扣扭矩为扭矩强度的40%也会在图13中相同位置产生少部分塑性区域,但某一局部位置的塑性屈服不影响整体螺纹的强度。

对比图12与图13中应力分布云图可知,在图13中最大上扣扭矩作用下,发生的塑性区域远远小于图12中扭矩强度下的塑性区域,其最大应力发生的位置相同,还分析得到新型接头内的最大应力值点A以及高应力区主要发生在径向壁厚较大的承载面上,而普通接头内的最大应力值点A'以及高应力区主要发生在径向壁厚较小的螺纹根部,因此,新型比普通螺纹结构极大地改善了螺纹内的应力分布位置,从而提高了其抗扭强度23.86%。

3.4 上扣扭矩作用下接头承载面上接触压力对比分析

分别在上扣扭矩65 kN·m和53 kN·m下,计算得到新型与API接头螺纹承载面上接触压力分布大小,如图14所示,如图15所示为图14中从第1个螺纹牙到最后一个螺纹牙展布路径上的接触压力分布大小,从图15中可知,其最大平均接触压力主要发生在两端部的螺纹接触承载面上,中部的平均接触应力较小,而且趋于相等。

分别去掉端部两牙接触压力,得到新型和API接头中螺纹承载面上的平均接触压力分别为463.9 MPa和191.32 MPa,新型接头螺纹上接触压力较高,其原因是新型螺纹的接触宽度1.479 mm较窄,而普通接头中螺纹接触宽度为2.387 5 mm。

接头上扣后,较高的接触压力也是新型接头与API接头相比较的优点,因为钻杆接头在钻井过程中始终处于拉伸力的作用下,会造成双台肩之间的台肩力和接触压力降低,导致螺纹之间可能松动而引起脱扣等安全性问题。

3.5 上扣扭矩作用下接头内轴向拉压应力区对比分析

如图16所示为在上扣扭矩65 kN·m和53 kN·m作用下,计算得到的新型与API接头轴向拉应力区和轴向压应力区分布情况。新型与API两种接头上发生的拉应力区和压应力区的规律基本相同,新型公螺纹大端约3/4的范围内主要受拉应力作用,鼻尖部大约1/4的范围内主要受压应力作用,公螺纹根部基本上均受拉应力作用,母螺纹小端约1/3的范围内主要受拉应力作用,镗孔端大约2/3的范围内主要受压应力作用,母螺纹根部基本上受拉应力作用。

API接头上发生的拉应力区和压应力区与新型接头的规律基本相同,但由于结构不相同,其作用范围稍微有些差异。从这两种接头的应力区分布可知,不论哪种接头,在上扣扭矩作用下,公螺纹根部和母螺纹根部均处于受拉应力区。

4 公母螺纹接头危险区域裂纹扩展路径分析

针对现场钻具螺纹接头断裂事故的裂纹照片分析,得到接头裂纹主要出现在螺纹齿根处,且沿着齿根向壁面发展,具体细观照片如图17所示^[46],尤其是钻具在井下受到钻柱自重、螺纹上扣扭矩在台肩处产生的作用力和钻杆内部环空流体压力的持续作用下,并且钻柱为钻头提供钻压和岩石切削扭矩,将受到钻头在切削岩石和钻柱撞击井壁产生的大量有害振动,以及井筒和地层渗出流体的腐蚀作用,当钻杆表面涂层由于撞击或者冲蚀掉落后,会在钻柱薄弱环节处出现裂纹萌生的现象,随着钻柱作业时间增加,裂纹将会快速扩展,直至钻柱完全断裂并掉入井中,尤其在超深井钻井过程中,钻柱掉落井中,则需要打捞,但由于深度较大,打捞难度大甚至无法打捞而下部井眼报废,造成巨大的时间成本和经济损失。

由于在拉应力区域更容易出现裂纹及扩展现象,根据第3节分析计算得到的螺纹接头拉压应力分布情况,如图16所示,判断在外螺纹大端外台肩和内螺纹大端内螺纹处更容易出现裂纹并扩展造成钻具断裂,且与现场出现的钻具断裂情况,部分井下螺纹接头断裂失效的照片如图3所示。

根据分析得到螺纹接头危险位置,针对API和新型螺纹接头内螺纹接头内台肩和外螺纹接外台肩附近的多个扣根处,设置长度为0.2 mm的水平方向初始裂纹。为保证两种螺纹接头裂纹扩展的可对比性,将两种螺纹接头的材料参数、断裂扩展性能和网格尺寸均保持一致,其中两者材料的屈服强度均为120 ksi(即827 MPa),出现材料性能退化时的主应力为758 MPa,断裂能为6×10⁵ J/m²,断裂准则采用最大主应力失效准则,损伤演化规律采用基于幂法则的断裂能损伤准则规律。由于在钻井过程中钻杆环空中需要注入高压流体保持钻井液循环,以携带岩屑返至井口,所以在模型中对钻杆内壁施加10 MPa的压力,并且超深井钻井过程中井下钻杆将承受自重巨大的轴向载荷,本文为减少环境变量对模型的可对比性影响,将在钻杆母接头下部施加100 MPa拉力载荷,其余边界条件与第三章建立的螺纹接头有限元分析模型相同。

根据建立的螺纹接头力学有限元分析模型,由于现场出现螺纹接头断裂事故的裂纹源大部分萌生于螺纹扣根处,现场裂纹路径如图17 (a)所示,于是分别在API接头内螺纹接头内台肩和外螺纹接外台肩附近的多个扣根处设置长度为0.2 mm的初始裂纹,并将整个模型的网格尺寸设置为0.1 mm,分析得到API螺纹接头上塑性区域主要集中于螺纹承载面接触处和内外台肩密封面处,与第3节分析上扣状态中的螺纹接头应力分布规律相同,但由于自重和钻井液压力载荷作用下塑性区域面积增加,尤其在接头内螺纹接头内台肩和外螺纹接外台肩附近的多个扣根处塑性区域面积增加明显,将造成该区域出现裂纹萌生的概率增加。

针对计算得到的应力分布云图和裂纹扩展路径,如图18和图19所示,分析得到离台肩越近,则裂纹扩展长度急剧增加,这与现场断裂位置相符,且在接头内螺纹接头内台肩处第一至第三扣齿根圆角处裂纹将会明显扩展,而第四和第五个扣齿根圆角处裂纹扩展则不明显,且在螺纹接头外螺纹接外台肩处第一至第七扣齿根圆角处裂纹将会扩展。

为进一步分析螺纹齿根圆角处裂纹扩展路径,将裂纹扩展过程中对网格的损伤程度提取,内外台肩附近扣根圆角处裂纹扩展情况分别如图20和图21所示,可知损伤集中于初始裂纹处,因为在扩展有限元方法(extended finite element method, XFEM)分析方法中,给定的初始裂纹是代表完全损伤,但在裂纹扩展路径上的单元是发生的断裂,并没有出现高速冲击产生的损伤而脱落,于是未出现高等级损伤,与图17中观察到的螺纹接头裂纹扩展情况相同。从图20和图21可以看出,裂纹扩展方向均是从螺纹扣根圆角处向壁面,尤其是在螺纹接头外台肩危险位置处裂纹扩展情况严重,当该种螺纹使用在超深井钻井过程中,面对较大的轴向自重载荷和钻杆内外壁压差时,将出此较严重的抗裂纹扩展性能衰减,需要针对该种结构进行优化设计。

针对API标准NC扣在超深井钻井过程中可能会出现的螺纹承载接触面和台肩处出现的高应力区域,以及扣根抗裂纹扩展性能较弱的情况,优化设计后的新型螺纹接头将有效减少高应力区域面积,还增加了抗裂纹扩展性能,具体的新型螺纹接头在上扣完成后,承受轴向自重载荷与钻杆内外钻井液压差作用下,危险位置裂纹扩展路径及应力分布云图如图22所示。由于将螺纹锥度从API标准扣的1∶6,优化为1∶16,有效增加了公母螺纹接头危险区域的平均壁厚,有效减少螺纹接头上高应力区域有利于遏制裂纹扩展情况,更适合于超深井钻井钻进过程,但减小螺纹锥度后使得螺纹接头在上扣过程中的对中性有所减弱,将会略微增加井口上扣过程中的难度,但相较于使用API标准NC扣在超深井钻井过程中导致井下钻具出现断裂,而形成落鱼再打捞的事故更有成本效益。

具体的优化后的新型螺纹接头塑性区域主要集中于螺纹承载面接触处和内外台肩密封面处,且由于平均厚度增加后增加了扣根的截面刚度,有效抑制了裂纹扩展,在内台肩第三扣和外台肩第三扣处的裂纹扩展长度明显减小,表明优化后的新型螺纹相较于API标准螺纹接头的性能明显增加。

为进一步分析螺纹齿根圆角处裂纹扩展路径,将裂纹扩展过程中对网格的损伤程度提取,内外台肩附近扣根圆角处裂纹扩展情况如图23所示,在内台肩第三扣和外台肩第三扣处的裂纹扩展长度明显减小,有效抑制了裂纹扩展,表明了优化后的螺纹接头拥有较好的性能,尤其适合使用在载荷情况较大且受力更复杂的超深井钻井过程。

将API标准NC扣的螺纹接头和优化后的螺纹接头的裂纹扩展情况进行汇总,具体的螺纹接头内外台肩裂纹长度和断裂壁厚比,如图24所示。从统计汇总的数据中直观分析得到,将螺纹接的总齿顶角为75°,优化螺纹牙数为每英寸3牙,锥度为1∶16,并将螺纹承载面积增加,还将外台肩螺纹处设置数个不啮合扣,有效减小了API标准扣在该处出现的高应力区域面积,最终分析得到API标准螺纹接头内螺纹内台肩处第一至第三扣齿根圆角处裂纹会扩展,而第四和第五个扣齿根圆角处裂纹扩展则不明显。在螺纹接头外螺纹接外台肩处第一至第七扣齿根圆角处裂纹将会扩展,但优化后的螺纹接头在内台肩第三扣和外台肩第三扣处的裂纹扩展长度明显减小。

将新型螺纹和标准API NC螺纹在标准上扣扭矩作用下的应力进行详细分析后,得到优化后的新型螺纹的高应力区域体积显著减小,有利于减少螺纹出现应力疲劳断裂的风险,为进一步评价新型螺纹和普通API NC螺纹在承受轴向拉伸载荷作用下萌生裂纹后裂纹在齿根处扩展的情况,利用扩展有限元方法(XFEM)分析得到在相同扣根圆角处能有效抑制裂纹扩展,断裂壁厚比有效减少40%以上,并且该种螺纹将在中国石油川庆钻探公司的超深井使用。

但目前所设计的新型非标螺纹接头多数使用在中石油川庆钻探公司负责的油气井开发中,其他钻探公司还有待推广,当然该种钻杆不仅适用于油气井的钻探开发,也可以适用在其他高价值钻探过程中,如在南非开展的深层金矿勘探等工程,其中姆波尼格金矿采矿深度最高达到地下4 350 m,也大量需要接头抗断裂性能优异的钻杆。本文所设计的螺纹接头目前还是采用高强度合金钢进行制造,但目前比高强度合金钢抗断裂性能和抗腐蚀性能更好的材料,如TC4钛合金钢和加入一定量稀土元素的高强度合金稀土钢等性能优异的特殊钢种,也值得进行研究并制造。未来国内开发的超深井甚至万米特深井将会大量增加,需要大量优质的钻杆,而钻杆出现密封失效和断裂失效的位置主要出现在接头处,本文设计的新型非标螺纹接头能比现有API标准中推荐的螺纹接头的性能进行有效提升,后续在完成各种尺寸接头的设计并在大量油气井开采过程中得到验证后,可以向API组织申请将设计的螺纹纳入标准推荐,能打破国外钻杆制造公司对国内钻杆螺纹接头设计的压制。

在进行新型螺纹和标准API NC螺纹性能校核过程中,首先进行了螺纹结构对比分析,从理论上对新型非标螺纹的优化进行分析解释,再利用有限元分析同规格的两种螺纹在上扣完成后的应力分布情况,指明了螺纹在完成上扣后结构中高应力区域,并提取了螺纹接头上的拉压应力分布区域,为后续进行螺纹裂纹扩展分析指明了理论上存在裂纹扩展的区域,最后首次利用扩展有限元方法在螺纹压应力作用的扣根圆角处,插入微小的初始裂纹,评价了在钻杆实际工作过程中受到井下拉力作用下的裂纹扩展情况,进行的分析非常直观地得到了裂纹扩展的长度以及不同位置的螺纹扣根处扩展的方向,说明了新型非标螺纹的性能优于API标准推荐的螺纹,并且为后续进一步优化本文的新型螺纹提供了一种有效的方法。

5 结论

(1) 该新型螺纹接头比API系列接头具有更高力学强度、更容易上扣以及上扣速度快等优点,且新型螺纹具有3扣非工作螺纹,有效改善了应力分布及应力集中问题,比API系列具有更高的抗疲劳强度。

(2) 在上扣扭矩作用下,非标新型和API接头螺纹承载面上的平均接触压力分别为463.9 MPa和191.32 MPa,因此得到钻杆工作拉伸力作用下,非标新型接头比API系列接头具有较高接触压力,有利于提高钻具接头的安全性和可靠性。

(3) 本文优化设计的非标新型接头的抗扭强度比API接头的抗扭强度提高了23.86%,极大地增加了螺纹接头的使用寿命,确保了结构在各种外力作用下的稳定性和安全性,中国石油川庆钻探公司的超深井钻杆将采用该非标新型螺纹接头。

(4) 分析得到实际钻井作业概况中接头塑性区域主要集中于螺纹承载面接触处和内外台肩密封面处,优化厚度螺纹接头将平均厚度增加后,增加了扣根的截面刚度,有效抑制了裂纹扩展,断裂壁厚比有效减少40%以上。

(5) 通过使用XFEM分析方法针对两种螺纹接头在钻井作业中的受力状态进行裂纹扩展分析,得到API标准螺纹接头内螺纹内台肩处第一至第三扣齿根圆角处裂纹会扩展,而第四和第五个扣齿根圆角处裂纹扩展则不明显。在螺纹接头外螺纹接外台肩处第一至第七扣齿根圆角处裂纹将会扩展,但优化后的螺纹接头在内台肩第三扣和外台肩第三扣处的裂纹扩展长度明显减小。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	杨晓龙, 汪强, 黄德全, 等. 薄壁管材特殊螺纹接头密封性能研究[J]. 焊管, 2024, 47(5): 47-52.

[2]	Yang Xiaolong, Wang Qiang, Huang Dequan, et al. Sealing performance of special thread joint of thin-walled pipe[J]. Welded Pipe and Tube, 2024, 47(5): 47-52.

[3]	张颖, 高安琪, 杨坤, 等. 表面粗糙度对油套管特殊螺纹密封面性能的影响[J]. 润滑与密封, 2023, 48(12): 158-162.

[4]	Zhang Ying, Gao Anqi, Yang Kun, et al. Effect of surface roughness on sealing surface performance of premium connection of oil casing[J]. Lubrication Engineering, 2023, 48(12): 158-162.

[5]	舒明媚, 李佳琦, 舒振辉, 等. 储层分段体积改造下套管接头强度损失预测方法[J]. 西安石油大学学报(自然科学版), 2023, 38(5): 118-126.

[6]	Shu Mingmei, Li Jiaqi, Shu Zhenhui, et al. Study on predication method for strength loss of casing joint in segmented volume fracturing of reservoir[J]. Journal of Xi’an Shiyou University (Natural Science Edition), 2023, 38(5): 118-126.

[7]	宋东东, 罗鑫, 贺明敏. 万米特深井32寸PDC钻头研制及现场应用[J]. 石油机械, 2025, 53(2): 31-36.

[8]	Song Dongdong, Luo Xin, He Mingmin. Development and on-site application of 32" large sized PDC bit for ten thousand meter deep well[J]. China Petroleum Machinery, 2025, 53(2): 31-36.

[9]	Dong L L, Zhu X H, Yang D S. Study on mechanical behaviors of double shoulder drill pipe joint thread[J]. Petroleum, 2019, 5(1): 102-112.

[10]	Cheng J H, Sun Y H, Yu Y P, et al. Effect of interference magnitude on ultimate strength and failure analysis of aluminium-drill-pipe-body-tool-joint-assemblies with Johnson-Cook model[J]. Engineering Failure Analysis, 2022, 137: 106281.

[11]	冯定, 王高磊, 宋恒, 等. 等直径膨胀套管螺纹接头安全分析[J]. 石油机械, 2023, 51(9): 141-147.

[12]	Feng Ding, Wang Gaolei, Song Heng, et al. Safety analysis of thread connection of mono-diameter expandable casing[J]. China Petroleum Machinery, 2023, 51(9): 141-147.

[13]	宋巍, 周岩, 吴艳, 等. 高速注采储气库井套管螺纹密封性研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2024, 46(3): 170-178.

[14]	Song Wei, Zhou Yan, Wu Yan, et al. A study on sealing performance of UGS well casing thread under high-speed injection-production[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition), 2024, 46(3): 170-178.

[15]	毛良杰, 张孝诚, 代清, 等. 高压高产气井测试管柱螺纹安全分析[J]. 石油机械, 2022, 50(3): 146-152.

[16]	Mao Liangjie, Zhang Xiaocheng, Dai Qing, et al. Safety analysis on thread of test string in high pressure and high production gas wells[J]. China Petroleum Machinery, 2022, 50(3): 146-152.

[17]	王领, 张红生, 啜广山, 等. 海洋油气油管套管特殊螺纹接头评价技术研究[J]. 中国海上油气, 2022, 34(5): 171-178.

[18]	Wang Ling, Zhang Hongsheng, Chuai Guangshan, et al. Evaluation technology of premium threaded connection for tubing and casing in offshore oil and gas engineering[J]. China Offshore Oil and Gas, 2022, 34(5): 171-178.

[19]	陈宇杭, 练章华, 丁亮亮, 等. 基于ABAQUS的特殊螺纹接头优选[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(33): 14714-14721.

[20]	Chen Yuhang, Lian Zhanghua, Ding Liangliang, et al. Optimization of special threaded joint based on ABAQUS[J]. Science Technology and Engineering, 2022, 22(33): 14714-14721.

[21]	张颖, 练章华. 基于Bezier曲线的特殊螺纹密封面参数化设计[J]. 中国安全生产科学技术, 2019, 15(11): 24-28.

[22]	Zhang Ying, Lian Zhanghua. Parametric design for sealing surface of premium connection based on Bezier curve[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2019, 15(11): 24-28.

[23]	王建东, 林元华, 李云飞, 等. 基于特殊螺纹密封完整性的三轴设计系数研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2022, 44(4): 165-173.

[24]	Wang Jiandong, Lin Yuanhua, Li Yunfei, et al. A study on tri-axial design coefficient based on seal Integrity of premium connection[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition), 2022, 44(4): 165-173.

[25]	王志寰, 李成兵, 赵明建, 等. 井眼弯曲段API油套管长圆螺纹力学分析及仿真[J]. 塑性工程学报, 2019, 26(2): 317-323.

[26]	Wang Zhihuan, Li Chengbing, Zhao Mingjian, et al. Mechanical analysis and simulation for long-thread of API tubing and casing at the curved portion of borehole[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2019, 26(2): 317-323.

[27]	Liu H M, He Y Y, Wang J F, et al. New design method of unequal taper thread (UTT) pairs and its application in API NC38 thread improvement[J]. Petroleum, 2023, 9(3): 439-453.

[28]	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.

[29]	Ding Yuqi, Li Kangjian, Fan Qinquan, 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.

[30]	陈波, 林春花. 新型抗弯扭钻杆接头螺纹力学性能及仿真分析[J]. 应用力学学报, 2022, 39(1): 155-162.

[31]	Cheng Bo, Lin Chunhua. Thread ability and simulation of a new type of anti-bending and torsion drill pipe joint[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2022, 39(1): 155-162.

[32]	Yu H, Wang H, Lian Z H. An assessment of seal ability of tubing threaded connections: a hybrid empirical-numerical method[J]. Journal of Energy Resources Technology-Transactions of The ASME, 2023, 145: 052902.

[33]	Yang W Z, Wang R, Li D F, et al. Three-dimensional mechanical characteristics analysis of double-shoulder tool joint under complex loads[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2024, 209: 105200.

[34]	谢士远, 赵朝阳, 关志刚, 等. 多轴交变载荷下套管长圆螺纹疲劳失效分析及寿命预测[J]. 特种油气藏, 2021, 28(3): 168-174.

[35]	Xie Shiyuan, Zhao Zhaoyang, Guan Zhigang, et al. Fatigue failure analysis and fatigue life prediction of the long round thread of the casing under multi-axial alternate load[J]. Special Oil and Gas Reservoirs, 2021, 28(3): 168-174.

[36]	Shi C S, Liu Y, Zhu X H, et al. Analysis of expansion performance and parameter sensitivity of solid expandable tubular with thread joint[J]. Engineering Failure Analysis, 2023, 144: 106987.

[37]	张颖, 杨坤, 余柳丝, 等. 油井管接头螺纹腐蚀与防护研究进展[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(7): 2563-2572.

[38]	Zhang Ying, Yang Kun, Yu Liusi, et al. Research progress on thread corrosion and protection of oil well pipe joint[J]. Science Technology and Engineering, 2022, 22(7): 2563-2572.

[39]	张颖, 高安琪, 杨坤, 等. 油井管特殊螺纹力学损伤与控制研究进展[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(30): 13172-13180.

[40]	Zhang Ying, Gao Anqi, Yang Kun, et al. Research progress on mechanical damage and control of premium connections of oil pipe string[J]. Science Technology and Engineering, 2022, 22(30): 13172-13180.

[41]	王建军, 孙建华, 高进伟, 等. 拉压交变载荷下螺纹接头密封面接触压力分析[J]. 石油机械, 2018, 46(12): 111-116.

[42]	Wang Jianjun, Sun Jianhua, Gao Jinwei, et al. Seal-surface contact stress analysis of the connection under tension-compression alternating load[J]. China Petroleum Machinery, 2018, 46(12): 111-116.

[43]	刘奔, 魏辽, 马兰荣, 等. 铝合金油管特殊螺纹接头设计及密封性能[J]. 科学技术与工程, 2019, 19(34): 150-156.

[44]	Liu Ben, Wei Liao, Ma Lanrong, et al. Premium connections and sealing performance of aluminum alloy tubing[J]. Science Technology and Engineering, 2019, 19(34): 150-156.

[45]	刘祥康, 杨建, 杜明海, 等. 高温高产井油管屈曲对特殊螺纹性能的影响[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(36): 16024-16031.

[46]	Liu Xiangkang, Yang Jian, Du Minghai, et al. Influence of buckling of tubing in high temperature and high production wells on the properties of premium threads[J]. Science Technology and Engineering, 2022, 22(36): 16024-16031.

[47]	邝献任, 芦烨, 范清泉, 等. 改善钻杆螺纹应力分布的数值计算方法研究[J]. 石油机械, 2025, 53(3): 115-122.

[48]	Kuang Xianren, Lu Ye, Fan Qingquan, et al. Numerical calculation method for improving stress distribution of drill pipe thread[J]. China Petroleum Machinery, 2025, 53(3): 115-122.

[49]	范玮, 刘洪涛, 耿海龙, 等. 磨损对套管特殊螺纹强度及密封性能的影响[J]. 润滑与密封, 2023, 48(10): 198-202.

[50]	Fan Wei, Liu Hongtao, Geng Hailong, et al. Influence of wear on strength and sealing performance of casing premium thread[J]. Lubrication Engineering, 2023, 48(10): 198-202.

[51]	狄勤丰, 王楠, 陈锋, 等. 磨损套管螺纹接头密封面力学特性[J]. 石油学报, 2021, 42(5): 669-676.

[52]	Di Qinfeng, Wang Nan, Chen Feng, et al. Mechanical properties of the sealing surface of worn casing threaded connection[J]. Acta Petrolei Sinica, 2021, 42(5): 669-676.

[53]	Dong L L, Xie X T, Zhu X H, et al. Study on safety evaluation and design method of union joint thread for ultra-high pressure fracturing manifold[J]. Engineering Failure Analysis, 2022, 141: 106648.

[54]	Wang Y, Chen G, Yang H Y, et al. A special thread design for failure prevention of expandable casing[J]. Alexandria Engineering Journal, 2021, 60(1): 213-225.

[55]	Zhang J Y, Peng C, Fu J H, et al. Analysis of mechanical strengths of extreme line casing joint considering geometric, material, and contact nonlinearities[J]. Petroleum Science, 2024, 21(3): 1992-2004.

[56]	王春生, 冯少波, 张志, 等. 深地塔科1井钻井设计关键技术[J]. 石油钻探技术, 2024, 52(2): 78-86.

[57]	Wang Chunsheng, Feng Shaobo, Zhang Zhi, et al. Key technologies for drilling design of well Take-1[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2024, 52(2): 78-86.

[58]	王长安, 先勇, 肖勇, 等. S135钻杆外螺纹接头断裂原因分析[J]. 石油管材与仪器, 2025, 11(1): 88-94.

[59]	Wang Changan, Xian Yong, Xiao Yong, et al. Fracture cause analysis of external thread joint of S135 drill pipe[J]. Petroleum Tubular Goods and Instruments, 2025, 11(1): 88-94.

[60]	练章华, 万智勇, 王飞文, 等. 超深井射孔冲击动载荷引起封隔器断裂失效分析[J]. 天然气工业, 2024, 44(6): 44-51.

[61]	Lian Zhanghua, Wan Zhiyong, Wang Feiwen, et al. Analysis on packer fracture failure caused by dynamic load of perforating impactin ultra-deep well[J]. Natural Gas Industry, 2024, 44(6): 44-51.

[62]	李周波, 田永强, 芦琳, 等. 高抗扭矩钻杆外螺纹接头断裂失效原因分析[J]. 化工装备技术, 2025, 46(1): 49-53.

[63]	Li Zhoubo, Tian Yongqiang, Lu Lin, et al. Analysis of the failure causes of external thread joint fracture in high torque drill pipe[J]. Chemical Equipment Technology, 2025, 46(1): 49-53.

[64]	万夫, 于佩航, 孙刚强, 等. 典型载荷下钻具接头螺纹强度分析[J]. 石油机械, 2024, 52(2): 56-64.

[65]	Wan Fu, Yu Peihang, Sun Gangqiang, et al. Analysis on thread strength of tool joint under typical loads[J]. China Petroleum Machinery, 2024, 52(2): 56-64.

[66]	汤云霞. 钻铤螺纹失效机理分析及预防措施[J]. 石油和化工设备, 2024, 27(11): 35-38.

[67]	Tang Yunxia. Drill collar thread failure mechanism analysis and preventive measures[J]. Petro and Chemical Equipment, 2024, 27(11): 35-38.

[68]	王磊, 李岩, 龙岩, 等. 西部某油田修复油管螺纹处断裂的原因[J]. 腐蚀与防护, 2022, 43(8): 103-107.

[69]	Wang Lei, Li Yan, Long Yan, et al. Fracture causes of repaired oil tubing thread used in a western oilfield[J]. Corrosion and Protection, 2022, 43(8): 103-107.

[70]	刘强, 刘轶溟, 杨春雷. 新型螺杆钻具连接螺纹抗疲劳性能[J]. 塑性工程学报, 2021, 28(4): 190-198.

[71]	Liu Qiang, Liu Yiming, Yang Chunlei, et al. Anti fatigue performance of connecting thread of new type positive displacement motor[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2021, 28(4): 190-198.

[72]	彭著海. 钻杆螺纹接头力学特性分析及优化[D]. 成都: 西华大学, 2023.

[73]	Peng Zhuhai. Analysis and optimization of mechanical characteristics of drill pipe thread joint[D]. Chengdu: Xihua University, 2023.

[74]	董亮亮. 抗弯钻杆接头螺纹及弯曲疲劳行为研究[D]. 成都: 西南石油大学, 2015.

[75]	Dong Liangliang. High bending bearing drill pipe thread and fatigue behavior research[D]. Chengdu: Southwest Petroleum University, 2015.

[76]	郭伟, 曹宏瑞, 訾艳阳, 等. 滚动轴承接触疲劳裂纹建模与扩展规律研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(16): 1891-1899.

[77]	Guo Wei, Cao Hongrui, Zi Yanyang, et al. Study on contact fatigue crack modeling and propagation law of rolling bearings[J]. China Mechanical Engineering, 2023, 34(16): 1891-1899.

[78]	宋侨. 基于弹塑性扩展有限元法的复合型断裂过程模拟研究[D]. 南宁: 广西大学, 2021.

[79]	Song Qiao. Simulation study of mixed-mode fracture based on elastoplastic extended finite element method[D]. Nanning: Guangxi University, 2021.

[80]	陈浩. 基于扩展有限单元法的高温超导块体裂纹问题研究[D]. 兰州: 兰州大学, 2022.

[81]	Cheng Hao. Researches on crack problems in high temperature superconducting bulk based on extended finite element method[D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2022.

[82]	黄志宇, 王新礼, 田盼, 等. 螺纹连接失效机理与防护的研究进展[J]. 表面技术, 2025(8): 33-50.

[83]	Huang Zhiyu, Wang Xinli, Tian Pan, et al. Failure mechanism and prevention of threaded connections[J]. Surface Technology, 2025(8): 33-50.

基金资助

国家自然科学基金(51974271)

中国石油集团钻探公司科技项目(CQ2024B-1-Z3-3)

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Received	Published	Revised
2025-03-17	2026-03-08	2025-12-02
Online Date
2026-07-09

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