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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。當上、下接頭鎖緊后可傳遞軸向負荷和正向扭矩，尤如一整體。當反轉(zhuǎn)管柱時，首先使上、下接頭接觸面解鎖，進而使公母螺紋退開，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，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)具有較高的強度指標，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)品的獨特優(yōu)勢，迅速從卡點處將卡點上部鉆具倒出，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行處理，MARC進行計算分析。結(jié)構(gòu)全部采用8節(jié)點6面體單元進行計算。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，遠沒有達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，而遠離銷孔緣的位移不存在尖角，這是因為在銷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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