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對安全接頭的有限元分析時，常規(guī)安全接頭主要由上接頭、下接頭和密封圈組成，其工作原理為：鋸齒形安全接頭的寬鋸齒形螺紋為左旋螺紋，相互間配合較松，上緊后靠凹凸斜面鎖緊。當(dāng)上、下接頭鎖緊后可傳遞軸向負(fù)荷和正向扭矩，尤如一整體。當(dāng)反轉(zhuǎn)管柱時，首先使上、下接頭接觸面解鎖，進(jìn)而使公母螺紋退開，從而使上部管柱與被卡工具脫開。常規(guī)安全接頭關(guān)鍵是上、下接頭的正扣連接，一般可滿足卡鉆事故處理的要求，但使用中發(fā)現(xiàn)它工作不可靠，主要表現(xiàn)在：一是在偶然停鉆時，鉆柱彈性恢復(fù)，連接在不要求倒開時而倒開；二是沿井深長鉆柱各處的摩擦力是隨機(jī)的，倒扣時不能保證連接處倒扣矩最大，從而不能保證在連接處倒開。為了解決常規(guī)安全接頭的不可靠問題，研制新型隨鉆安全接頭是十分必要的。
為此，研制的新型隨鉆安全接頭是從實(shí)際出發(fā)，在對鉆井事故處理不斷探索和總結(jié)的基礎(chǔ)上，邁出的重要一步。根據(jù)鉆井卡鉆特點(diǎn)，確定卡鉆頻繁出現(xiàn)的部位，新型隨鉆安全接頭既起到接頭的連接作用，又可在特殊清況下，需要將其倒開時，隨時可倒開。由于該隨鉆安全接頭置于整個鉆具的底部區(qū)域，且在鉆井當(dāng)中一直處于隨鉆狀態(tài)，故需承受高泵壓、高抗拉、高抗扭、高抗壓(掛卡時要大力上提鉆具，下鉆當(dāng)中可能出現(xiàn)突然的阻卡現(xiàn)象)等各種復(fù)雜受力。因此，該產(chǎn)品應(yīng)具有較高的強(qiáng)度指標(biāo)，技術(shù)上都應(yīng)給予很好的滿足。并且要求一次性倒扣成功，安全可靠，不出現(xiàn)意外退扣使鉆具掉落井底。保證各種技術(shù)數(shù)據(jù)齊全、準(zhǔn)確，誤差在要求范圍之內(nèi)。
新型隨鉆安全接頭工作原理為：在正常鉆井作業(yè)中，它連接在鉆具的易卡部分的上端，當(dāng)遇卡鉆事故時，停鉆、停泵，折下回壓凡爾以上工具(鉆具內(nèi)水眼需暢通)向鉆具內(nèi)投入鋼球，接上方鉆桿，開泵憋壓使鋼球入座滑套上端，由于泵壓的上升，推動中心滑套剪斷定壓定位螺釘，使中心滑套上月牙鍵脫離鍵槽，當(dāng)泵壓下降后停泵，然后正轉(zhuǎn)鉆具，使上下反扣接頭處分開，提升、取出鉆具。再進(jìn)行下一次下套銑、打撈工作。在鉆井過程中，一旦發(fā)生活動鉆具無法解除的卡鉆事故，可利用該產(chǎn)品的獨(dú)特優(yōu)勢，迅速從卡點(diǎn)處將卡點(diǎn)上部鉆具倒出，從而將鉆井卡鉆事故轉(zhuǎn)化為井下落物事故，大大地簡化了事故處理的工藝措施，縮短了事故處理的時間，同時將事故處理的損失降低到最小。最終達(dá)到提高鉆井速度，降低鉆井成本的目的。
本分析中使用的軟件為有限元前后處理軟件MSC.Patran，Mentat，有限元計算分析軟件MARC Patran及Mentat主要用于建立有限元分析模型并進(jìn)行處理，MARC進(jìn)行計算分析。結(jié)構(gòu)全部采用8節(jié)點(diǎn)6面體單元進(jìn)行計算。分析結(jié)構(gòu)為隨鉆安全接頭的中軸受剪模型，分兩種幾何模型進(jìn)行分析，以討論模型受剪的最優(yōu)方式：①上下滑鍵非對稱模型，扭矩通過外套傳給上滑鍵端部；②上下滑鍵對稱模型，扭矩通過8個銷孔施加。計算扭矩Mt=40.6 N.m，模型網(wǎng)格分別見如圖，計算中采用兩種材料，材料參數(shù)見表。上下滑鍵非對稱模型僅用材料計算；上下滑鍵對稱模型則分別用兩種材料計算。對應(yīng)材料1，2分別標(biāo)記為模型1和模型2。
表2和表3分別給出了兩種模型的主要結(jié)果數(shù)據(jù)。通過對安全接頭的兩種不同模型的接觸有限元計算，分析其應(yīng)力、變形的分布發(fā)現(xiàn)：①對于上下滑鍵非對稱模型，其高應(yīng)力主要集中在上滑鍵與外套的連接處；從表2中可以看出軸上最大應(yīng)力只有392.8 MPa，遠(yuǎn)沒有達(dá)到受剪軸的承載極限，而外套和上滑鍵的連接處其局部應(yīng)力均已超過材料的極限承載能力。也即是說，外套和上滑鍵已經(jīng)破壞，整個結(jié)構(gòu)已經(jīng)失效，而此時受剪軸還處于完全彈性狀態(tài)。②對于上下滑鍵對稱模型，由于材料選取的不同，導(dǎo)致兩種模型的應(yīng)力值差別較大，模型2的材料屈服應(yīng)力高，得到的應(yīng)力分布結(jié)果也較大；但是其應(yīng)力分布無明顯差別，中軸的受剪效果均很明顯。③對于上下滑鍵對稱模型，外套的位移隨軸向的變化趨勢在沿銷孔緣和遠(yuǎn)離銷孔緣處有明顯的區(qū)別：在銷孔緣處的位移存在較大尖角，而遠(yuǎn)離銷孔緣的位移不存在尖角，這是因?yàn)樵阡N孔緣處的扭矩作用對銷孔緣的位移影響很大；同時，接近對稱面的銷孔，其位移尖角更加突出，這是說明接近對稱面處，軸的扭轉(zhuǎn)變形對上下滑鍵銷孔緣的位移影響較大，軸與上下滑鍵的相互作用主要集中在這一部分。
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