Содержание к диссертации
Введение 5.
1. Литературный обзор 9.
1.1. Краткие сведения о теории расчета резьбовых соединений 9.
1.2. Конические резьбовые соединения 17.
1.3. Сопротивляемость конических резьбовых соединений обсадных труб растягивающим нагрузкам. Различие характера разрушений соединений обсадных труб с
треугольным профилем и с трапецеидальной резьбой 20.
(Ъ 1.4. Соединения обсадных труб с трапецеидальной резьбой 22.
1.5. Выбор метода исследования 30.
1.6. Метод конечных элементов. Предварительные сведения 31.
1.7. Исторические замечания 34.
1.8. Основная концепция метода конечных элементов 37.
1.9. Типы конечных элементов 38. 1.10.. Линейные интерполяционные полиномы 41.
1.11. Интерполяционные полиномы для дискретизированной It области 50.
1.12. Преимущества метода конечных элементов 56.
1.13. Выводы 58.
2. Постановка эксперимента, создание математической модели 59.
2.1. Плоский четырехузловой изопараметрический элемент 60.
2.2. Лабораторные испытания свойств материала 60.
2.3. Построение геометрического образа модели резьбового соединения типа ОТТМ 63.
2.4. Способ моделирования контактного взаимодействия между ниппелем и муфтой в соединении типа ОТТМ 63.
2.5. Дискретизация геометрической модели 71.
2.6. Приложение нагрузок и закрепление математической модели конического резьбового соединения типа ОТТМ 72.
2.7. Математическое моделирование 73.
2.8. Фронтальное решение 86.
2.9. Процедура Ньютона - Рафсона 89.
2.10. Выводы 94.
3. Результаты работы. Проверка правильности построения математической модели. Сравнение результатов тензометрирования и МКЭ 95.
3.1. Обоснование выбора расчетной модели. Моделирование напряженного состояния резьбового соединения при наборе кривизны ствола скважины 107.
3.2. Результаты, полученные в ходе эксперимента над математической моделью конического резьбового соединения типа ОТТМ, находящегося под действием нагрузки от натяга 115.
3.3. Результаты, полученные в ходе эксперимента над математической моделью конического резьбового '«} соединения типа ОТТМ, находящегося под действием осевой растягивающей нагрузки и свинченного без натяга 126.
3.4. Результаты, полученные в ходе эксперимента над математической моделью конического резьбового соединения типа ОТТМ, находящегося под действием осевой растягивающей нагрузки, с натягом 10,16 мм., докрепление 1 нитка 134.
3.5. Результаты, полученные в ходе эксперимента над математической моделью конического резьбового соединения типа ОТТМ, находящегося под действием осевой растягивающей нагрузки, с натягом 5,08 мм., докрепление 2 нитки 138
3.6. Результаты, полученные в ходе эксперимента над математической моделью конического резьбового соединения типа ОТТМ, находящегося под действием осевой растягивающей нагрузки, свинченного с полным натягом 142
3.7. Выводы о работе типового конического резьбового соединения типа ОТТМ 146
3.8. Обработка результатов эксперимента, создание расчетных формул 147
Коническое резьбовое соединение с переменным зазором 165
4.1. Анализ остаточных деформаций в модели 165
4.2. Анализ соединения с переменным зазором 166
4.3. Сравнительные прочностные характеристики типового соединения ОТТМ и нового соединения с переменным зазором 172
4.4. Выводы 176
4.5. Заключительные выводы по работе 176
Список литературы 178
Приложения
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время для крепления нефтяных и газовых скважин широко применяются обсадные трубы с коническим резьбовым соединением трапецеидального профиля. Основным фактором, ограничивающим глубину спуска обсадной колонны, является ее прочность на разрыв. В связи с этим повышение несущей способности резьбового соединения является весьма актуальным.
При расчете допустимых растягивающих нагрузок обсадных труб с резьбовым соединением трапецеидального профиля одним из критериев сопротивляемости растяжению является вырывающая нагрузка.
Вырывающая нагрузка для соединений типа ОТТМ, свинченных по ГОСТ 632-80, подсчитывается по формуле:
/
л
Рв = («?-0,08) crTmindc+E
V
0.15
0.24
0.5-0.07
D
1 )
где стт mm- наименьший предел текучести;
dc- средний диаметр тела трубы в опасном сечении;
1- длина резьбы в зацеплении;
L- общая длина резьбы;
Ег модуль упрочнения.
При выводе формулы обычно делают ряд допущений. В частности считается, что напряжения от растягивающей нагрузки по телу соединения распределяются равномерно, принимается упрощенный линейный закон упрочнения материала с постоянным тангенциальным модулем, коэффициент Пуассона равен 0,5. Существующая формула с определенной степенью точности дает возможность определить максимальную разрушающую нагрузку в опасном сечении резьбового соединения, но не отражает в полной мере характера распределения напряжений в соединении, например, в зависимости от величины растягивающей нагрузки и натяга.
На практике, при проведении спуско - подъемных операций обсадных колонн и колонн НКТ, после свинчивания с полным натягом по ГОСТ и нагружением с последующей разгрузкой на элеватор колонны, вес которой далеко не достиг максимального расчетного значения, создается возможность докрепления конического резьбового соединения. Более того, в основном существующие соединения не выдерживают регламентированного ГОСТ количества свинчиваний с полным натягом, так как уже после первого раскрепления наблюдается частичная деформация геометрии резьбы.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что регламентируемый ГОСТ натяг имеет не вполне обоснованное значение и, что по мере возрастания осевой растягивающей нагрузки работа типового резьбового соединения происходит за пределом пропорциональности механических свойств материала с нелинейным распределением напряжений и деформаций по телу и накоплением некоторых остаточных значений, что в конечном итоге приводит к снижению несущей способности и ухудшению работоспособности конструкции.
Цель работы. Повышение несущей способности типового трапецеидального резьбового соединения обсадных труб типа ОТТМ путем оптимизации геометрии резьбы на основании экспериментальных исследований математической модели методом конечных элементов.
Задачи исследований
1. Обоснование применения метода конечных элементов для экспериментальной оценки несущей способности трапецеидальных резьбовых соединений обсадных труб типа ОТТМ.
2. Определение и исследование величины и характера распределения напряжений и деформаций по телу соединения под резьбой от воздействия натяга, растягивающей нагрузки и изгиба. Создание
расчетных формул для определения величин эквивалентных напряжений в
интересующем сечении по телу трубы под резьбой; 3. На основе полученных данных создание и анализ резьбового
трапецеидального соединения с измененной геометрией, имеющего более
высокую несущую способность по сравнению с типовым.
Научная новизна. Обоснована необходимость, сформулирована и решена задача о напряженном состоянии резьбового трапецеидального соединения обсадных труб методом конечных элементов. Произведена экспериментальная оценка несущей способности типового трапецеидального резьбового соединения обсадных труб на вертикальном и искривленном участке ствола скважины. Получены формулы для определения эквивалентного напряженного состояния трапецеидального резьбового соединения обсадных труб. Разработана новая конструкция трапецеидального резьбового соединения с увеличенной несущей способностью.
Методы решения задач. Поставленные задачи решались методом конечных элементов, фронтально с применением полной итеративной процедуры Ньютона - Рафсона. Обработка результатов проводилась методами сплайн интерполяции и обобщенной регрессии. Основные защищаемые положения
1. Применение метода конечных элементов для математического моделирования трапецеидального резьбового соединения обсадных труб типа ОТТМ
2. Анализ напряженного и деформированного состояния трапецеидального резьбового соединения обсадных труб типа ОТТМ от действия растягивающей нагрузки и натяга.
3. Влияние изгиба на предельное напряженное состояние трапецеидального резьбового соединения обсадных труб типа ОТТМ.
4. Применение предложенных расчетных формул для определения эквивалентного напряженного состояния трапецеидального резьбового соединения обсадных труб типа ОТТМ. 5. Использование конструкции нового .соединения с переменным зазором для повышения несущей способности трапецеидальных резьбовых соединений обсадных труб.
Практическая ценность. На основании проведенных экспериментов даны практические рекомендации, направленные на повышение эффективности эксплуатации резьбовых соединений обсадных труб типа ОТТМ.
Получены удобные расчетные формулы для оценки несущей способности резьбовых трапецеидальных соединений обсадных труб, использующиеся при подготовке курсовых и дипломных работ студентами нефтетехнологического факультета СамГТУ специальности 17.02.00 «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов», а также специалистами ОАО «ВНИИТнефть» г. Самара при расчете напряженного состояния обсадных колонн.
Результат данной работы в виде конструкции резьбового соединения с переменным зазором оформлен приоритетом № 2003135105 на получение ф патента РФ полезной модели. Апробация работы
Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались в рамках:
II Всероссийской научно - практической конференции «Нефтегазовые и химические технологии» в Институте нефтегазовых и химических технологий СамГТУ, Самара, 23 - 24 октября 2003 г.;
Первой научно - технической конференции «Применение р программно- го комплекса ANSYS в решении инженерных задач» (Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, 4-5 февраля 2004 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 работах, в том числе в четырех статьях, тезисах двух докладов; получен один патент на изобретение.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложений. Работа изложена на 183 страницах, содержит 184 рисунка и 4 приложения.
