矿业研究与开发

测点	试验值/MPa	仿真值/MPa	误差率/％
1	278	291	4.68
2	380	397	4.47
3	551	482	12.52
4	560	585	4.46
5	627	618	1.44

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4	560	585	4.46
5	627	618	1.44

抗弯定向钻杆接头结构设计与性能分析

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刘时焰 ¹ , 舒将军 ²^,³

矿业研究与开发 | 矿山机电与矿业智能化 2025,45(11): 217-223

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矿业研究与开发 |矿山机电与矿业智能化 2025 , 45 (11) : 217 -223

抗弯定向钻杆接头结构设计与性能分析

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刘时焰¹, 舒将军²^,³

作者信息

^1.江西省地质局第二地质大队，江西九江市　332000

^2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆　400039

^3.瓦斯灾害防控国家重点实验室，重庆　400039

作者简介:

刘时焰（1988—），男，湖北十堰人，工程师，从事钻探施工技术管理工作。E-mail：1981198061@qq.com

Structural Design and Performance Analysis of Anti-Bending Directional Drill Pipe Joint

Shiyan LIU¹, Jiangjun SHU²^,³

Affiliations

^1.The Second Geological Group of Jiangxi Provincial Geological Bureau, Jiujiang, Jiangxi 332000, China

^2.CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China

^3.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Prevention and Control, Chongqing 400039, China

出版时间: 2025-11-25

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摘要

收起

在多分枝孔钻进作业中，定向钻杆接头因反复弯曲而频繁失效。利用有限元分析方法模拟了定向钻杆接头在弯曲载荷下的力学行为，得到了定向钻杆接头的应力分布规律，基于此，提出了一种新型抗弯钻杆接头结构，并通过有限元模型对比了其与普通钻杆接头在弯曲及抗弯曲载荷性能上的差异。结果表明，在相同弯曲角度下，抗弯钻杆接头的最大应力值降低了27％~60％；在100 kN横向力作用下，抗弯钻杆接头的最大应力值减小了99 MPa以上，可知新型抗弯钻杆接头在弯曲性能和抗弯曲载荷方面均优于普通钻杆接头。通过钻杆弯曲试验，得到了接头位置的详细应力分布数据，对比分析显示，试验数据与数值仿真结果的误差控制在12.52％以内，验证了数值模拟方法的有效性。研究结果为定向钻杆接头设计提供了优化方案，对减少定向钻孔作业中接头失效的可能性、提高作业安全性和效率具有重要意义。

关键词

定向钻杆接头 / 多分支孔 / 弯曲性能 / 抗弯曲载荷

Abstract

收起

In the multi-branch hole drilling operation, the directional drill pipe joint frequently fails due to repeated bending. The finite element analysis method was used to simulate the mechanical behavior of the directional drill pipe joint under bending load, and the stress distribution law of the directional drill pipe joint was obtained. Based on this, a new type of anti-bending drill pipe joint structure was proposed, and the difference between the bending and bending load resistance performance of the new type of anti-bending drill pipe joint and the ordinary drill pipe joint was compared by the finite element model. The results show that under the same bending angle, the maximum stress value of the anti-bending drill pipe joint is reduced by 27％-60％. Under the action of 100 kN transverse force, the maximum stress value of the anti-bending drill pipe joint is reduced by more than 99 MPa. It can be seen that the new anti-bending drill pipe joint is superior to the ordinary drill pipe joint in terms of bending performance and bending load. Through the drill pipe bending test, the detailed stress distribution data of the joint position are obtained. The comparative analysis shows that the error between the experimental data and the numerical simulation results is controlled within 12.52％, which verifies the effectiveness of the numerical simulation method. The research results provide an optimization scheme for the design of directional drill pipe joints, which is of great significance to reduce the possibility of joint failure in directional drilling operations and improve the safety and efficiency of operations.

Key words

Directional drill pipe joint / Multi-branch hole / Bending performance / Anti-bending load

引用本文

刘时焰, 舒将军. 抗弯定向钻杆接头结构设计与性能分析. 矿业研究与开发, 2025 , 45 (11) : 217 -223 .

Shiyan LIU, Jiangjun SHU. Structural Design and Performance Analysis of Anti-Bending Directional Drill Pipe Joint[J]. Mining Research and Development, 2025 , 45 (11) : 217 -223 .

正文

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0　引言

收起

随着煤矿开采行业的持续发展，定向钻孔已成为确保矿山安全生产的关键环节之一^[1-2]。定向钻孔技术，特别是梳状多分枝孔设计，因其独特的结构特性，在水平主孔两侧分布着多个分支孔，显著增大了瓦斯与抽采系统的接触面积^[3]，从而提升了瓦斯气体的抽采效率。这一技术的应用，推动了煤矿瓦斯抽采技术的快速发展，为矿井的安全高效开采提供了有力保障。然而，梳状多分枝孔在展现其高效抽采优势的同时，也面临着一系列技术挑战^[4]。其中，最为突出的问题^[5]是多分枝孔结构导致定向钻杆在钻进过程中频繁弯曲，对钻杆的抗弯性能提出了更高的要求。特别是在接头螺纹连接位置，其抗弯能力成为了整个钻杆系统的薄弱部位^[6]。已有研究表明，弯曲载荷是影响定向钻杆接头螺纹使用寿命的主要因素之一，这在一定程度上制约了梳状多分枝孔瓦斯抽采技术的进一步应用与发展^[7-8]。因此，深入研究定向钻杆接头螺纹的抗弯能力，开发一种具有高抗弯性能的螺纹结构，成为提升定向钻杆使用寿命、推动梳状多分枝孔瓦斯抽采技术持续发展的关键。

近年来，随着有限元分析技术的不断发展，越来越多的学者开始利用这一工具对钻杆接头的连接性能进行深入研究。焦文鸿等^[9]提出了一种新型螺纹设计，并采用有限元方法对其进行分析，结果表明，该新型螺纹显著改善了接头的受力情况，使螺纹应力分布更加均匀，并有效降低了主台肩过渡圆角处的应力集中。王治国等^[10]对API圆螺纹油管的上扣及拉伸过程进行了有限元应力分析，深入探讨了影响螺纹接头抗滑脱强度和抗黏扣性能的关键因素，并提出了相应的改进措施。在接头螺纹的失效机理分析方面，练章华等^[11]利用弹塑性有限元法建立了套管偏梯形和圆形螺纹接头接触问题的力学模型，通过对比分析发现，偏梯形螺纹具有更好的抗滑脱性能。林腾蛟等^[12]则采用弹塑性接触有限元混合法，对双台阶钻柱联接螺纹的应力应变进行了详细分析，揭示了多种载荷作用下螺纹连接部位的位移场和应力场变化规律。祝效华等^[13]通过有限元分析和试验验证相结合的方式，深入探究了套管连接螺纹的应力分布规律，进一步验证了有限元分析模型的有效性。张彦廷等^[14]通过对双台肩接头开展力学分析和有限元仿真，建立其耦合模型，研究其在不同上扣扭矩下副台肩预留间隙与其台肩接触应力之间的关系。在钻杆接头螺纹力学性能的研究领域，学者们已开展了一系列富有成效的工作，CHEN等^[15]利用三维弹塑性有限元分析了钻杆接头在弯曲情况下的应力特性。SHAHANI等^[16]利用三维有限元分析了钻杆接头的接触应力和应力集中因子。ZHU等^[17]基于非线性接触理论建立了钻杆有限元模型，对钻杆螺纹胶合进行了研究。ZHANG等^[18]利用有限元分析了钻杆接头在多轴交变载荷作用下的静应力特性和疲劳寿命。

当前研究聚焦于通过有限元方法探索钻杆螺纹接头的应力分布与疲劳寿命，然而，在复杂弯曲工况，特别是多分枝孔条件下，有关钻杆力学行为的研究却鲜见报道。对此，本文基于定向钻孔接头的数值模拟及弯曲试验结果，创新性地提出了一种新的抗弯钻杆接头螺纹结构，通过有限元模拟对比其与普通钻杆接头在弯曲及抗弯曲载荷性能上的差异，最后，对抗弯钻杆接头进行试验应用，并与仿真数据进行对比分析。抗弯钻杆接头螺纹的提出提升了定向钻杆的抗弯性能，延长了其在多分枝孔作业中的使用寿命，从而为煤矿开采等工业领域的安全与高效作业提供了坚实的技术支撑。

1　定向钻杆接头有限元分析模型

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1.1　接头材料和网格参数

接头螺纹材料选用42CrMo钢，其弹性模量为20.8 GPa，泊松比为0.28，拉伸强度为1 009 MPa，屈服强度为851 MPa。采用4节点线性四面体单元（C3D10）对模型进行网格划分。特别是在接头螺纹位置，对网格进行了细化处理，以提高该区域的模拟精度，模型如图1所示。为了简化计算量并保证分析的准确性，仅选取了接头200 mm的接头段进行有限元分析。

1.2　边界条件

该模型的初始状态设定为公螺纹与母螺纹旋合并旋紧，直至公接头和母接头的台阶面相互接触。在此模型中，公接头螺纹与母接头螺纹之间形成了一对接触面，同时两处台阶面对应的接触面也设置了接触关系。所有接触面均采用面面接触的方式模拟，以确保接触界面的真实性和准确性。在接触面的法向方向上，采用指数接触关系来描述接触压力与接触间隙之间的关系。在接触面的切向方向上，设置摩擦因数为0.15，以模拟接触面之间的摩擦效应。在初始条件方面，公接头的端面被固定，母接头的端面则向y方向施加弯曲载荷，以模拟实际工况中的弯曲变形。为了确保载荷能够准确地施加在模型上，在公接头和母接头的端面上设置了对应的耦合点。

1.3　接头螺纹截面结构

钻杆接头螺纹的截面结构如图2所示，对公接头（外螺纹）和母接头（内螺纹）的螺纹齿从端面开始进行了编号，当公接头与母接头进行连接时，存在两个相互抵接的台阶面，分别为第一台阶面和第二台阶面，两个台阶面确保了接头连接的紧密性，并承受了连接过程中的主要力和弯矩。

2　抗弯钻杆接头螺纹设计

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2.1　抗弯钻杆接头螺纹结构

基于现有的定向钻杆接头螺纹结构（见图3（a）），提出将母扣台阶嵌入公扣中，得到抗弯钻杆接头螺纹结构（见图3（b））。该结构减少了弯矩载荷下第一台阶面的分离距离，增加了螺纹齿的接触面积，降低了接触应力，进而提升了钻杆接头螺纹承受弯矩载荷的能力。

2.2　钻杆弯曲变形分析

钻杆受到弯曲载荷时的变形情况如图4所示。虽然接头螺纹位置并非呈现完全的纯弯曲变形，但由于钻杆接头部分的变形在整体钻杆变形中所占比例较小，可以将钻杆的弯曲变形近似视作纯弯曲变形。在此情况下，将最大弯曲点与弯曲起始点连线与轴线所形成的夹角α定义为钻杆的弯曲角，该角度将作为后文评估钻杆弯曲程度的重要指标。同时，定义最大弯曲点到轴线的垂直距离为最大偏移量H，用于量化描述钻杆在弯曲状态下的偏移程度。

2.3　弯曲性能对比

当弯曲角为2.1°时，普通钻杆接头螺纹的应力分布云图如图5（a）所示，在第一台阶接触面发生了接触台阶的分离，在受拉面的螺纹齿顶位置，出现了显著的应力集中，该区域的应力值超出了材料的屈服强度，导致齿顶压溃。抗弯钻杆接头的应力分布云图如图5（b）所示，其第一台阶的分离距离小于普通钻杆接头，抗弯钻杆接头在受拉面的应力值始终未超过材料的屈服强度，抗弯钻杆接头螺纹的最大应力值显著低于普通钻杆接头螺纹，这一特性使得抗弯钻杆接头螺纹在弯曲过程中更能有效地避免齿顶失效的风险，从而提高了钻杆的整体性能和可靠性。

定向普通钻杆接头与抗弯钻杆接头在弯曲过程中的最大偏移量与最大应力值之间的关系曲线如图6所示。由图6可知，应力值与偏移量呈现正相关关系，即随着偏移量的增加，应力值也相应增大。但当最大偏移量超过4 mm后，应力的增长率开始减缓，这主要是由于母扣变形导致接触状态发生变化所致。进一步分析发现，在最大偏移量约为5 mm（对应弯曲角为1.7°）时，普通螺纹的应力达到了材料的屈服强度，齿顶位置开始压溃。相较于普通钻杆接头，抗弯钻杆接头在面临相同偏移量时，展现出了更为出色的弯曲性能，其应力水平普遍低于普通钻杆接头，最大应力值减少了27％~60％。同时，在相同的偏移量下，抗弯钻杆接头螺纹的最大应力值均小于普通钻杆接头螺纹，这表明抗弯钻杆接头螺纹能够承受更大的弯曲量。

2.4　抗弯曲载荷性能对比

在100 kN横向力作用下，普通钻杆接头和抗弯钻杆接头应力分布云图如图7所示。由图7可知，普通钻杆接头在第一台阶面处出现了明显的分离现象，在受拉面的齿3位置发生了显著的应力集中，齿3位置的齿顶已压溃。相比之下，抗弯钻杆接头的应力主要分布于管壁位置，不管是受拉面还是受压面，各齿的应力明显小于普通钻杆接头。此外，抗弯钻杆在第一台阶面的接触应力较大，这一特性有利于钻杆在弯曲过程中保持良好的密封性能。

在弯曲过程中，一半接头螺纹承受拉力，另一半则承受压力。在100 kN的横向力作用下，接头弯曲时各个齿的应力分布如图8所示，受拉一侧各个齿的应力大于受压侧，在相同弯曲载荷下，抗弯钻杆接头各齿的应力均小于普通钻杆接头，第一台阶面的分离会导致受拉一侧的公接头和母接头在齿3位置应力发生突变。图8（a）为受压侧公接头各个齿的应力曲线，其中齿1和齿4的应力较大，而中间的齿2和齿3的应力较小，最大应力差值出现在齿2位置，应力差为221 MPa；最小应力差值则位于齿1位置，为153 MPa。图8（b）为公接头受拉侧各个齿的应力曲线，在普通钻杆接头中，齿3位置的应力出现了突然减小的情况，这主要是由于母接头受拉一侧在第一台阶面发生了分离，导致公接头受拉侧齿4的接触面积突然减少，进而引起应力的急剧降低，最大应力差值出现在齿2位置，为458 MPa。图8（c）为母接头受压一侧各齿的应力曲线，抗弯钻杆接头和普通钻杆接头从齿1到齿4的应力均呈现逐渐减小的趋势，抗弯钻杆接头和普通钻杆接头的最大应力差值均出现在齿2位置，为99 MPa。图8（d）为母接头受拉一侧各个齿的应力曲线，在普通钻杆接头中，齿3位置的应力发生了突变，其应力值为856 MPa，已超过材料的屈服强度（851 MPa），因此在齿3位置出现了压溃现象，第一台阶面的分离是导致母接头受拉侧齿3应力突然增加的主要原因。对比图8（a）至图8（d）可知，在相同弯曲载荷下，抗弯钻杆接头各齿的应力均小于普通钻杆接头，表明抗弯钻杆接头在抵抗弯曲载荷方面具有一定的优越性。

3　钻杆弯曲试验

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3.1　试验方案

钻杆下端嵌入在试验平台的圆柱型凹槽内，并在其内部设置有球形支点，这样的设计允许钻杆围绕球形支撑点自由转动。为了确保钻杆在试验中仅承受X方向的横向力，采用组合铰链将液压缸与钻杆的上端相连接，弹簧在垂直方向上对液压缸进行浮动支撑。在接头螺纹位置的内表面和外表面均粘贴了应变片，通过数据采集系统记录应变片的变形量。最后，利用数据分析系统，绘制横向力与钻杆弯曲之间的关系曲线。

选用100 kN拉力的液压缸，模拟并测试接头螺纹在极端条件下的损坏情况。在数据采集过程中，频率的设定是一个关键参数。过高的数据采集频率会产生庞大的数据量，增加处理难度；而过低的频率则可能导致关键信息的遗漏，引起误差。经过测试，将数据采集频率设定为5 Hz，这一频率在保证数据准确性的同时，也保证了数据处理的效率。

试验开始前，设定液压缸的初始拉力值，并缓慢缩回液压缸，以1 kN的拉力为起点，检查每个数据采集信道是否正常工作。当所有信道均确认正常后，开始进行钻杆弯曲试验。在试验过程中，每增加10 kN的拉力，停止加载并保持2 min，以便让钻杆接头充分变形，直到液压缸的拉力达到预定的100 kN时停止试验。

3.2　仿真与试验数据对比

对比试验应力提取位置如图9所示。在母接头外部管壁按照应变片粘贴位置将对应仿真数据的应力值提取出来，试验测试数据与仿真数据结果见表1。由表1可知，计算机模拟结果与试验数据吻合较好，平均误差为5.51％。其中，最大误差出现在齿3位置，误差率为12.52％，进一步对比齿3前后两个齿的试验数据，发现在齿3位置的应力变化率存在显著的跳跃。根据线弹性应力方程可知，应力应呈现连续性的变化，因此，可以推断齿3位置试验数据偏高，这主要是应变片粘贴位置不准导致，其真实应力值应小于测量值，因此，其真实应力值与仿真值之间的最大误差应小于12.52％。综上所述，建立的有限元仿真模型的精度可满足工程分析要求。

4　结论

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针对定向钻杆接头的数值模拟与弯曲试验结果，创新性地设计了一种新型抗弯钻杆接头结构，通过有限元模拟对比其与普通钻杆接头在弯曲及抗弯曲载荷性能上的差异，并对抗弯钻杆接头进行试验应用，得出以下主要结论。

（1）弯曲性能对比试验结果表明，普通钻杆接头在第一台阶接触面发生了接触台阶的分离，应力集中于拉伸侧的齿顶区域，这是造成接头螺纹齿顶失效的主要原因，而抗弯钻杆接头在第一台阶的分离距离始终小于定向钻杆接头，应力水平普遍低于普通钻杆接头，最大应力值减小了27％~60％，在受拉面的应力值未超过材料的屈服应力，有效避免了齿顶失效的风险。

（2）抗弯曲载荷性能对比试验结果表明，普通钻杆接头在第一台阶面的分离导致公接头和母接头在拉伸侧的应力分布发生显著变化，具体表现为公接头在齿3位置出现应力突然减小的情况，母接头在齿3位置的应力值为856 MPa，超过了材料的屈服强度，出现压溃现象。而抗弯钻杆接头各齿的应力均小于普通钻杆接头，公接头在受压侧及受拉侧齿2位置的应力差值均最大，分别为221 MPa和458 MPa，母接头在受压侧齿2位置的应力差值最大，为99 MPa，表明抗弯钻杆接头在抵抗弯曲载荷方面具有优越性。

（3）对比钻杆弯曲试验数据与计算机模拟结果可知，二者吻合较好，平均误差率为5.51％，仅齿3位置出现最大误差，误差率为12.52％，这主要是因为应变片粘贴位置不准导致试验数据值偏高，有限元仿真模型的精度满足工程分析要求。研究结果对于减少定向钻孔作业中接头失效的可能性、提高作业安全性和效率具有重要意义。

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2025年第45卷第11期

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接收时间：2024-12-13
首发时间：2026-10-28
出版时间：2025-11-25

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收稿日期：2024-12-13

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^1.江西省地质局第二地质大队，江西九江市　332000

^2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆　400039

^3.瓦斯灾害防控国家重点实验室，重庆　400039

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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