工作扭矩計算模型，可W獲取所有可能施加 在該單臺肩鉆具接頭處的軸向拉力對應(yīng)的極限工作扭矩，根據(jù)該扭矩可w在鉆井過程中控 制向單臺肩鉆具接頭施加的外力，有效避免出現(xiàn)鉆具斷裂或無效。
[0050] 本實施例提供的單臺肩鉆具接頭的工作扭矩的確定方法，通過根據(jù)單臺肩鉆具接 頭準確測量、計算獲取極限工作扭矩計算模型，然后通過該模型計算出需要知道的軸向拉 力對應(yīng)的極限工作扭矩，用來指導鉆井工作，可W充分反映出實際的應(yīng)力分布特征，準確的 確定單臺肩鉆具接頭極限工作扭矩，有效減少鉆井中的由于鉆具接頭失效引起的事故。
[0051] 圖2為本發(fā)明單臺肩鉆具接頭的極限工作扭矩的確定方法實施例二的流程圖，如 圖2所示，在上述實施例的基礎(chǔ)上，S101的具體實施過程為：
[0052] S201 :對所述單臺肩鉆具接頭選取測量點進行材料性能測試，獲取所述單臺肩鉆 具接頭材料的力學性能參數(shù)。
[0053] 在本實施例中，針對某井使用的鉆具，對其單臺肩接頭的材料進行性能測試，獲得 對應(yīng)的力學性能參數(shù)。
[0054] S202 :獲取所述單臺肩鉆具接頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
[0055] S203 :根據(jù)所述結(jié)構(gòu)參數(shù)建立所述單臺肩鉆具接頭的Ξ維幾何模型，并對所述Ξ 維幾何模型進行有限元網(wǎng)格劃分為至少十萬個單元。
[0056] 在本實施例中，對建好的單臺肩鉆具接頭Ξ維幾何模型進行有限元網(wǎng)格劃分，采 用的原則是螺紋牙部分布置細密的六面體網(wǎng)格W保證計算精度，其他位置網(wǎng)格較疏，具體 的該網(wǎng)格越多精度越高，具體的選取可W根據(jù)實際情況選取。
[0057] S204:根據(jù)所述力學性能參數(shù)和有限單元的所述Ξ維幾何模型，計算獲取所述單 臺肩鉆具接頭的單元應(yīng)力。
[0058] 具體的，根據(jù)基于拉格朗日描述的單臺肩鉆具接頭單元控制方程W及格林應(yīng)變張 量的增量公式，獲取單臺肩鉆具接頭的有限元控制方程；根據(jù)所述力學性能參數(shù)和有限元 模型，采用所述有限元控制方程獲取所述單臺肩鉆具接頭的每個單元的變形；根據(jù)每個所 述單元的變形W及所述單臺肩鉆具接頭的材料本構(gòu)關(guān)系獲取單元應(yīng)力。
[0059] 在本實施例中，利用有限元方法對上述Ξ維幾何模型進行求解，采用現(xiàn)有技術(shù)中 的基于拉格朗日描述的單臺肩鉆具接頭單元控制方程，W及應(yīng)變張量的增量形式，得到單 臺肩鉆具接頭的有限元控制方程，進一步結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)獲取到每個單元的變形，再根據(jù)材 料的本構(gòu)關(guān)系獲取到單元應(yīng)力。
[0060] S205 :根據(jù)所述單元應(yīng)力和所述力學性能參數(shù)，獲取設(shè)置的每個軸向拉力對應(yīng)的 極限工作扭矩。
[0061] 在本實施例中，根據(jù)上述的有限元控制方程、并根據(jù)測量材料獲取的力學性能參 數(shù)可W得到不同的軸向拉力條件下的單臺肩鉆具接頭的極限工作扭矩。
[0062] S206 :根據(jù)現(xiàn)有美國石油學會鉆柱設(shè)計與操作極限的推薦作法（API RECOMMEND邸 PRACTICE 7G，SIXT趾NTH 抓mON，AUGUST1998-American Petroleum Institute Recommended Practice for Drill Stem Design and Operating Limits，簡稱：API RP 7G) 標準獲取所述單臺肩鉆具接頭的零軸向拉力對應(yīng)的極限工作扭矩，并驗證根據(jù)所述單元應(yīng) 力和所述力學性能參數(shù)獲取的零軸向拉力對應(yīng)的極限工作扭矩是否正確。
[0063] 在本實施例中，利用現(xiàn)有文獻相關(guān)計算公式可得零軸向拉力時的單臺肩鉆具接頭 極限工作扭矩，其與根據(jù)上述方式獲得的零軸向拉力對應(yīng)的極限工作扭矩，進行比較，跟預(yù) 設(shè)的誤差比例比較，確認通過上述方式獲取的極限工作扭矩是正確的。
[0064] S207:若正確，則根據(jù)至少五個所述軸向拉力與所述極限工作扭矩，獲取所述單臺 肩鉆具接頭的所述極限工作扭矩計算模型。
[0065] 本實施例提供的單臺肩鉆具接頭的工作扭矩的確定方法，根據(jù)實際的拉伸載荷快 速確定單臺肩鉆具接頭極限工作扭矩大小，W便選擇合適的工作扭矩大小，避免單臺肩鉆 具接頭失效或單臺肩鉆具接頭處出現(xiàn)斷裂導致鉆具落井的復(fù)雜情況發(fā)生。
[0066] 在上述圖1和圖2所示的實施例的基礎(chǔ)上，S102之后，還可W根據(jù)所述至少一個 軸向拉力和對應(yīng)的至少一個所述極限工作扭矩，獲取該單臺肩鉆具接頭的安全工作區(qū)域。
[0067] 在本實施例中，具體的可W獲取多個軸向拉力條件下的極限工作扭矩，利用該值 建立軸向拉力和極限工作扭矩的標示圖，區(qū)分出鉆井工作中軸向拉力和極限工作扭矩的對 應(yīng)關(guān)系中的安全區(qū)，警報區(qū)和不安全區(qū)，用于指導實際作業(yè)。
[0068] 在上述所有實施例的基礎(chǔ)上，下面特舉一實例對本發(fā)明的單臺肩鉆具接頭的工作 扭矩的確定方法進行說明。本實施例W應(yīng)用于某一區(qū)塊X井的鉆柱中單臺肩鉆具（一種單 臺肩旁通閥）為例對本發(fā)明單臺肩鉆具接頭的極限工作扭矩的確定方法進行詳細說明，考 察深度為5000m。具體實現(xiàn)方式如下：
[0069] 首先，通過獲取的該單臺肩鉆具接頭的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對所選擇的單臺肩鉆具接頭 進行幾何建模，包括螺紋牙的螺旋升角等特征，該單臺肩鉆具接頭的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。圖3為單臺肩鉆具接頭的Ξ維幾何模型示意圖。建模所需的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)可W是自 己通過工具測量獲得，也可采用廠家測量提供的數(shù)據(jù)。
[0070]
陽071] 表1單臺肩鉆具接頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0072] 圖4為單臺肩鉆具接頭Ξ維有限元模型示意圖，如圖3所示，和圖4所示，對建好 的單臺肩鉆具接頭Ξ維幾何模型進行有限元網(wǎng)格劃分，采用的原則是螺紋牙部分布置細密 的六面體網(wǎng)格W保證計算精度，其他位置網(wǎng)格較疏，在本實施例中，共計劃分為33. 27萬個 網(wǎng)格單元。
[0073] 針對X井使用的鉆具，首先對該單臺肩鉆具接頭的材料進行性能測試，獲得對應(yīng) 的力學性能參數(shù)。
[0074] 本實施例中在該單臺肩鉆具接頭材料選取的測試點數(shù)多達902個（特別的，在對 于單臺肩鉆具接頭材料性能測試時選取的測試點的個數(shù)不小于20個），具體測試方式參考 現(xiàn)有技術(shù)，最后得到的單臺肩鉆具接頭性能參數(shù)為：該單臺肩鉆具接頭所用材料為各向同 性彈塑性材料，彈性模量為2. 06 X 105MPa，泊松比為0. 29,最大拉伸應(yīng)變?yōu)?. 192。表2中列 出了該單臺肩鉆具接頭的材料的一部分真實應(yīng)力-塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)（運里僅列出22個點）。
[0075] 特別的，需要考慮到含40-60%重量鋒粉末的螺紋脂的影響，配合面間（包括螺紋 之間和臺肩面之間）的摩擦系數(shù)取0. 08。
[0076]
[0077] 表2該單臺肩鉆具接頭材料的部分真實應(yīng)力-塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)
[0078] 其次，采用有限元方法對上述Ξ維幾何模型進行求解。應(yīng)用虛功原理，基于拉格朗 日描述的單臺肩鉆具接頭單元控制方程為：
[0079]
[0080] 其中，S為基爾荷夫化irchhoff)應(yīng)力張量；E為格林（Green)應(yīng)變張量；F為每 個網(wǎng)格單元表面上的力載荷矢量；δ U為虛位移；V為單臺肩鉆具接頭的初始構(gòu)型的體積；A 為單臺肩鉆具接頭的初始構(gòu)型的表面積。 陽081] 格林（Green)應(yīng)變張量E采用增量形式得：SE = BSue，5u = N5ue
[0082] 其中，B為單元應(yīng)變矩陣，u。為節(jié)點位移，N為單元形函數(shù)。
[0083] 考慮到節(jié)點位移變化的任意性，對所有單元的控制方程進行組合，得到該單臺肩 鉆具接頭的有限元控制方程：
[0084]
[0085] 其中，cT為單元節(jié)點位移擴階到該單臺肩鉆具接頭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)節(jié)點位移的布爾 度oolean)矩陣C的轉(zhuǎn)置矩陣，S為基爾荷夫應(yīng)力張量，βτ為單元應(yīng)變矩陣B的轉(zhuǎn)置矩陣，N T 為單元形函數(shù)Ν的轉(zhuǎn)置矩陣，V為單臺肩鉆具接頭的初始構(gòu)型的體積；A為單臺肩鉆具接頭 的初始構(gòu)型的表面積。dA單臺肩鉆具接頭的初始構(gòu)型的單元表面積的微分，dV為單臺肩鉆 具接頭的初始構(gòu)型的單元體積的微分。
[0086] 根據(jù)上述有限元控制方程，得到該單臺肩鉆具鉆頭各單元的節(jié)點位移，根據(jù)現(xiàn)有 技術(shù)中的幾何方程可得每個單元的單元應(yīng)變，隨后根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系即可計算出每個單 元的單元應(yīng)力。
[0087] 再次，采用上述有限元控制方程，并W在對該單臺肩鉆具鉆頭的材料性能測試中 拉伸試驗中材料失效時對應(yīng)的塑性應(yīng)變（即前述的最大拉伸應(yīng)變）作為螺紋是否失效的判 據(jù)，可得到不同軸向拉力條件下單臺肩鉆具接頭的極限工作扭矩。
[0088] 并根據(jù)上述方式獲取多個軸向拉力條件下單臺肩鉆具接頭的極限工作扭矩，并根 據(jù)對應(yīng)的軸向拉力和極限工作扭矩得到軸向拉力為零時的極限工作扭矩施加曲線W及軸 向拉力3200kN時的極限工作扭矩施加曲線，圖5a為軸向拉力為零時的極限工作扭矩施加 曲線；圖化為軸向拉力3200kN時的極限工作