电缆式地层测试器接头螺纹连接性能研究

陈永超，温纪宏，朱本瑞，李子超，李碧柳

电缆式地层测试器接头螺纹连接性能研究

陈永超1，温纪宏1，朱本瑞2，李子超1，李碧柳1

（1．中海油田服务股份有限公司，河北燕郊065201；2．天津大学建筑工程学院，天津300072）

以电缆式地层测试器接头螺纹为研究对象，利用ABAQUS软件建立了地层测试器接头螺纹有限元模型，分析了不同工况、不同尺寸的接头螺纹等效应力分布规律，并进行了室内试验验证。数值仿真和试验结果表明，接头螺纹的承载性能能够满足实际需求。

电缆式地层测试器；接头螺纹；ABAQUS；应力分布

电缆式地层测试器（EFDT）是一种集机械、液压及电子等专业技术，完成地层测压及取样等复杂功能的测井仪器［1-2］。电缆式地层测试器是通过上、下接头来实现仪器各功能短节之间连接的。上下接头因其拆卸方便、易维护保养，能够实现仪器短节间快速准确连接，因此常被用于电缆式测井仪器中。电缆式地层测试器上下接头如图1所示。电缆式地层测试器在测压取样过程中所承受的拉伸载荷是通过其上的接头螺纹来实现传递的，接头螺纹在载荷作用下的应力分布状态直接决定了接头螺纹的连接性能，进而影响了整支仪器的连接性能。研究表明：在轴向载荷作用下，接头螺纹各牙上所承受的载荷是不均匀的，啮合螺纹两端受力最大，中部螺纹受力较小［3-5］。

在裸眼井测井过程中，由于各种不可预见的复杂原因，测井仪器遇卡情况时有发生。地层测试器在井下进行测压取样时，在目的层位工作时间较长，特别是进行地层流体取样，耗时长达数小时。因此，地层测试器在测井仪器中遇卡的几率比其他测井仪器更大。地层测试器或者电缆等在井下遇卡时，需要进行仪器打捞，这就要求仪器必须有足够的抗拉强度以满足穿芯打捞的需求。本文利用ABAQUS软件对电缆式地层测试器接头螺纹连接强度进行仿真计算，得出接头螺纹在载荷作用下应力分布情况，并进行了室内拉伸试验验证，为接头螺纹尺寸优化设计提供了理论依据。

图1　地层测试器上下接头

1 有限元分析

电缆式地层测试器接头螺纹连接强度分析是一个综合几何非线性和边界非线性的弹塑性接触问题，而ABAQUS软件是有限元分析的有效工具，可对结构、载荷与边界条件进行模拟分析，同时考虑大变形、非线性等因素。由于本文重点考虑的是轴向载荷对螺纹连接的影响，忽略非对称载荷的影响，所以把载荷视为对称载荷。另外，力学分析模型也是关于旋转轴呈对称结构。基于这些假设，把有限元计算模型考虑为轴对称结构。地层测试器接头螺纹由1组螺旋面构成，内、外螺纹的接触区域狭长。根据接头结构和受力特点，建立有限元分析模型时引入3个假设［6-8］：

1)由于螺纹螺旋升角很小，忽略螺旋升角的影响，建模时采用轴对称结构。

2)地层测试器接头的材料为各向同性。3)忽略倒角的影响。

1．1 计算模型建立

本文模拟选用地层测试器某型接头的螺纹进行分析。地层测试器下接头内螺纹材料选用TC11，屈服强度为900 MPa，弹性模量1．23×1011Pa，泊松比为0．33。上接头外螺纹材料为铝青铜，屈服强度为340 MPa，弹性模量1．17×1011Pa，泊松比为0．34。

根据上述假设，利用ABAQUS软件建立地层测试器接头螺纹轴对称有限元分析模型，如图2a所示。选用CAX4单元对模型进行网格划分，并对螺纹局部结构进行网格细化，得到接头螺纹有限元网格模型，如图2b所示。

图2　地层测试器接头螺纹模型

1．2 边界条件及求解

电缆式地层测试器工作时，因仪器自重或仪器穿芯打捞时所施加的轴向载荷会使螺纹连接处承受很大的拉伸载荷，增加了螺纹破坏的可能性。地层测试器接头螺纹连接强度校核，即在特定的载荷工况下，要求接头螺纹能承受足够的拉力，使各功能短节能够可靠连接，满足现场作业要求。根据模型简化假设，对上接头端面进行全位移约束，同时在下接头端面上施加1个轴向拉伸载荷用来模拟在井下工作时所承受的拉伸载荷。

2 计算结果分析

2．1 标准工况下应力分布

本文利用ABAQUS软件对地层测试器接头螺纹连接强度进行了仿真分析，计算得到接头螺纹等效应力分布情况，同时提取出各螺纹牙轮廓应力值，得到其应力变化曲线，如图3所示。

由图3可以看出：仪器在轴向拉伸载荷作用下，螺纹牙根部应力值较其他部位大；接头螺纹各牙应力分布也不均匀，沿螺纹牙轮廓整体上呈现两端高、中间低的分布趋势；螺纹中间部分螺纹牙应力分布较为平稳，靠近及远离端面的几圈螺纹牙的应力值较高，远大于中间区域螺纹牙的应力。这表明仪器所承受的载荷大部分集中在两端少数几个螺纹牙上，中间大部分螺纹牙并没有被充分利用起来承担载荷。

上接头外螺纹的应力整体上比下接头内螺纹应力值小，应力最大区域集中于接头螺纹的两端，最大应力均出现在螺纹退刀槽处，上接头外螺纹最大应力约为89．73MPa，下接头内螺纹最大应力约为113．79 MPa，最大等效应力值均小于材料的屈服极限。由此可以看出：接头螺纹两端及退刀槽处出现应力集中现象，是较为容易损坏的部位，这表明螺纹在现场实际应用中，这几个部位容易被破坏，发生失效断裂。

图3　接头螺纹沿螺纹牙轮廓应力变化曲线

2．2 不同尺寸接头螺纹应力分布

为了解不同尺寸接头螺纹的应力分布规律，分别选取了地层测试器2种尺寸的接头螺纹（T110× 3、T85．5×2．5）进行了分析，通过对螺纹有限元模型的求解，得到2种不同尺寸的接头螺纹应力分布情况，如图4所示。

图4　不同尺寸接头螺纹沿螺纹牙轮廓应力变化曲线

由图4可以看出：在相同轴向拉伸载荷作用下，2种不同尺寸的接头螺纹应力分布曲线变化趋势基本相似，且尺寸为T85．5×2．5的螺纹应力峰值远高于尺寸为T110×3的接头螺纹。

2．3 不同轴向载荷螺纹应力分布

为研究不同轴向载荷对地层测试器接头螺纹应力分布的影响，在保证其他条件不变的情况下，分别对轴向拉伸载荷为100、200、300 k N的3种不同工况进行了仿真计算，得到了螺纹应力分布情况，并根据计算结果绘制了应力变化曲线。不同轴向载荷工况的接头螺纹应力分布如图5所示。

图5　不同轴向载荷接头螺纹沿螺纹牙轮廓应力变化曲线

由图5可以看出：3种不同工况下，接头螺纹沿螺纹牙轮廓应力变化趋势是一致的，均呈现两端高、中间低的分布趋势。随着轴向拉伸载荷的增大，接头螺纹应力峰值不断增大，且3种工况下的等效应力值均小于材料的屈服极限。其中当轴向拉伸载荷为300 k N时，上接头外螺纹最大应力值为269．1 MPa，下接头内螺纹最大应力值为341．3 MPa，均位于退刀槽处。3种工况下螺纹接头两端是高应力区域，该位置是发生断裂破坏的始发点。

为进一步验证接头螺纹的承载能力，本文设计了室内试验装置对尺寸为T110×3的接头螺纹进行了室内连接性能试验，分别进行了拉伸载荷为100、200、300 k N 3种不同工况的试验验证。试验结果表明：接头螺纹能承受上述3种轴向拉伸载荷，螺纹没有发生明显变形、破坏，能够保证仪器安全可靠连接。

3 结论

1)在轴向载荷作用下，螺纹牙根部应力值较其他部位大。各螺纹牙应力分布不均匀，螺纹两端及退刀槽处应力集中严重影响了电缆式地层测试器的抗拉性能。随着载荷的增大，接头螺纹应力峰值不断增大。

2)在相同载荷作用下，2种不同尺寸的接头螺纹应力分布趋势基本相似，且尺寸为T85．5×2．5的螺纹应力值远高于尺寸为T110×3的接头螺纹。

3)数值仿真表明，接头螺纹能承受3种不同工况下的轴向拉伸载荷，这与室内试验结果吻合。

［1］周明高，刘书民，冯永仁，等．钻井中途油气层测试仪（FCT）研究进展及其应用［J］．测井技术，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

国家科技重大专项课题“模块式地层动态测试系统”（2011ZX05020-003）

陈永超（1987-），男，山东阳信人，工程师，硕士，主要从事石油测井仪器设计研发工作，E-mail：chenych23＠cosl．com．cn。