气体钻井钻柱疲劳失效周期分析.pdf

第 4 O卷第 1 期 2 0 1 2 年 1月 石 油 钻 探 技 术 P ETROI E UM DRI I I I NG TE CHNI QUE S Vo 1 ． 4 0 No ． 1 J a n ．。 2 0 1 2 钻井完井 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ．i s s n． 1 0 01 - 0 8 9 0． 2 01 2 ． 01 ．0 09 气体钻 井钻柱疲劳失效周期分析 吴立新 ， 陈 平 ， 祝效华 ， 张文华。 ， 贾彦杰 ， 李金和 1 ．西南石油大学石油工程学 院， 四川成都 6 1 0 5 0 0 ； 2 ．中国石油渤海钻探工程有 限公 司， 天津 3 0 0 2 8 0 摘要 钻柱的频繁失效严重制约着气体钻井的发展。为研究钻柱的疲劳失效周期 ， 以深直井全井钻柱为研 究对象， 基于疲劳寿命9 I ,1 的 F o r ma n模型， 综合考虑深直井钻柱的动力学特性和气体钻井过程中局部热因素对钻 柱疲劳寿命的影响， 建立了气体钻井钻柱疲劳寿命计算方程。以川西某实钻井为例 ， 利用建立的气体钻井钻柱疲 劳寿命计算方程， 对气体钻井条件下的钻柱疲劳寿命进行 了计算， 并与该层段钻井液钻井参数下的钻柱疲劳寿命 进行了对比， 初步获得了气体钻井与钻井液钻井的钻柱疲劳寿命关系模型。分析结果表明， 气体钻井的钻柱疲劳 寿命对初始裂纹非常敏感， 初始裂纹越大钻柱寿命下降越 明显； 气体钻 - -X - gg疲劳寿命均明显低 于钻井 液 钻 井 。 关键词 气体钻 井 钻柱 疲 劳 F o r ma n模型 t y S o N期 中图分类号 T E 9 2 1 ’ 。 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 2 0 1 0 0 4 2 0 5 Co nt r a s t o f Fa t i g u e Fa i l u r e Cy c l e s o f Dr i l l S t r i n g du r i ng Ga s Dr i l l i ng Wu L i x i n ， C h e n P i n g ， Z h u Xi a o h u a ， Z h a n g We n h u a ， J i a Y a n i i e 1 ， L i J i n h e 1 ．C o l l e g e o f P e t r o l e u m En g i n e e r i n g， S o u t h we s t Pe t r o l e u m U n i v e r s i t ， C h e n g d “ ， S i c h “ 以 n ， 6 1 0 5 0 0 ， Ch i n a； 2 ．Bo h a i Dr i l l i n g 8 ‘Ex pl o r a t i o n En gi n e e r i n g Co r p o r a t i 0 ， C NPC ，Ti 口 ， 3 0 0 2 8 0 ， Ch i n Ab s t r a c t Th e d e v e l o p me n t o f g a s d r i l l i n g i s r e s t r i c t e d s e r i o u s l y b e c a u s e o f f r e q u e n t f a i l u r e o f d r i l l i n g t o o l s ． To s t u d y t h e f a t i g u e f a i l u r e c y c l e o f d r i l l s t r i n g， t h e wh o l e d r i l l s t r i n g wa s t a k e n i n d e e p - v e r t i c a 1 d r i l l l n g a s r e s e a r c h s u b j e c t ． B a s e d o n F o r ma n mo d e l i n d r i l l s t r i n g f a t i g u e l i f e p r e d i c t i o n ， a n d t a k i n g c o n s i d e r a t l o n o f t h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f d r i l l s t r i n g a n d t h e e f f e c t o f l o c a l t h e r ma l f a c t o r s o n d r i l l s t r i n g f a t i g u e l i f e i n g a s d r i l l i n g， t h e c a l c u l a t i o n e q u a t i o n o f d r i l l s t r i n g f a t i g u e l i f e i n g a s d r i l l i n g wa s e s t a b l i s h e d ． Ta k i n g a r e a l b o r e h o l e i n t h e we s t o f S i c h u a n p r o v i n c e a s a n e x a mp l e ，t h e f a t i g u e l i f e o f d r i l l s t r i n g i n g a s d r i l l i n g wa s c a l c u l a t e d wi t h t h e e s t a b l i s h e d e q u a t i o n， t h e n c o mp a r e d wi t h t h a t i n mu d d r i l l i n g ．Co ns e q u e nt l y ， t h e r e l a t i o n s h i p mo d e l o f t h e f a t i g u e l i f e i n g a s a n d mu d d r i l l i n g wa s o b t a i n e d ．Th e r e s u I t s s h o we d t h a t t h e f a t i g u e l i f e o f d r i l l i n g t o o l s wa s v e r y s e n s i t i v e t o t h e i n i t i a l c r a c k ．Th e i n i t i a l c r a c k d e v e l o p s 1 a r g e r ， t h e f a t i g u e l i f e d r o p s s h a r p e r ． Th e f a t i g u e 1 i r e o f d r i l l s t r i n g i n e a c h i n t e r v a l i n g a s d r i l l i n g wa s o b v i o u s 1 v l o we r t h a n t h a t i n mu d d r i l l i n g ． Ke y wo r d s g a s d r i l l i n g ； d r i l l s t r i n g； f a t i g u e ； F o r ma n mo d e l f a i l u r e c y c l e 1 概述 钻柱 的频繁失效严重制约着气体钻井技术的发 展 。对已有资料的分析及对现场钻柱失效情况 的统 计表明， 钻柱失效常表现为断裂和过量磨损， 其 中断 裂尤其严重。据统计， 在气体钻井中发生断钻柱的 井数占到总实施井数的 2 8 ． 6 ， 发生断钻柱的井次 占总实施井数的 5 5 ． 0 ％P． i ] c ， 远高于钻井液钻井中 收稿 日期 2 0 1 卜O 7 1 8 ； 改 回日期 2 0 1 1 - 1 2 一 o 8 作者 简介 吴立新 1 9 6 6 ， 男， 湖 北武汉人 ， 1 9 8 8年 毕业 于石 油大学 华 东 石油地 质专 业， 2 0 0 0年 获 南开 大学工 商管理硕 士 学 位 ， 高级工程师 ， 油气井工程 专业在读 博士研 究生， 主要从 事油气钻 探 方面的管理与研究工作。 联 系方式 0 2 2 6 6 2 5 2 2 2 6 ， wu l i x i n 1 9 8 8 1 6 3 ． c o m。 基金项 目 国家科技 重大专项 “ 钻柱一 P I C钻头一 岩石 系统动 力 学仿真技 术研 究” 编号 2 0 0 8 Z X0 5 0 2 2 0 0 5 0 0 6 HZ ， 国g - 自然科 学 基金项 目“ 气体钻 井钻具与 井壁碰摩机理及 量化评价 方法研 究” 编 号 5 0 8 0 4 0 4 0 、 “ 气体钻井技 术基础研 究” 编号 6 1 1 3 4 0 0 4 部分研 究 内容 第 4 O卷第 1期 吴立新 等． 气体钻 井钻柱疲 劳失效周期 分析 钻柱失效发 生井数 1 4 ． O 的概率 。国外 学者认为 疲劳是导致钻柱失效 的最主要原因l_ 1 ≈ ； 国内学者通 过对近几 年钻杆 失效 分析 事例 的统计 也认 定 ， 有 8 O 以上 的 断裂 失效 属 于疲 劳 断裂 或 与疲 劳 相 关l 3 ] 。现场调研和室 内试验表 明， 振动是引起钻柱 疲劳失效的主要 因素之一 ； 缺少钻井液浮力及剧烈 的振动使气体钻井钻柱承载了幅值较大的交变应 力， 造成气体钻井钻柱早期疲劳， 钻柱寿命大大缩 短 ， 加之气体钻井缺失钻井液的粘滞与润滑作用 ， 钻 柱与井壁之间的干摩擦 、 干碰撞使气体钻井钻柱振 动 比常规钻井液钻井更为剧烈l 4 ] 。 气体钻井钻柱的高频率失效 ， 不仅造成 了巨大 经济损失 ， 而且延长了钻井工期 ， 降低 了气体钻井时 效 ， 增加 了钻井 成本。因此 ， 预测钻柱疲劳失效周 期 ， 对预防和减少钻柱井下断裂事故具有重要意义 。 国内外学者 在这方面做 了较 多的研究 工作 。J ． A． Ho wa r d等人_ 6 ] 介绍了一种研究钻柱累积疲劳损伤 及裂纹扩展的方法 ； 在全尺寸疲劳试验测试及 现场 数据的基础 上 ， A ． B a r y s h n i k o v等人__ 1 ] 认 为钻柱疲 劳失效既有制造方面的原因也有钻井工艺方面的原 因， 并提出了计算钻柱和钻柱接头疲劳寿命 的方法 ； E ． I ． B a i l e y等人L 7 ] 认为材料疲劳强度随静应力增大 而降低 ， 并介绍了引起钻柱接头失效 的各种工况及 其载荷计算方法； M． M． Ho s s a in等人 J 贝 0 认为起下 钻时容易在钻杆表面产生永久划痕 ， 从而造成应力 集中， 降低 了钻柱 的屈服极 限， 并最终 导致疲劳破 坏 ； T． H． Hi l l 等人l g ] 从疲劳裂纹扩展模型人手建立 了一种对 比设计方法 ； 吴疆r l o ] 提出了一种计算钻柱 危 险部位弯 曲应 力及寿命 的模 型； 李 文飞等人l_ 1 1 ] 基 于修正的 Mi n e r 线性累积损伤理论 ， 建立了钻柱 疲劳 累 积损 伤 的计 算 方 法 ； 林 元 华 等人[ 1 。 ] 根 据 P a r i s 公式得 出了钻井液钻井钻柱疲劳寿命的计算 方法 。 目前 尚未见到综合考虑机械载荷 、 热效应 等多 种 因素 的气体钻井钻柱寿命定量评价方面的研究报 道 。为此 ， 笔者综合考虑气体钻井钻柱静动力学特 性 ， 采用 F o r ma n疲劳寿命 预测模 型对钻柱 的疲劳 寿命进行了预测 ， 对 比分析 了气体钻井 与钻井液钻 井钻柱失效周期 。 裂纹产生与扩展模型 由于存在加工缺陷或卡瓦牙咬痕 ， 钻柱表 面一 般均存在初始裂纹， 采用 F o r ma n疲劳寿命预测模 型， 对存在缺陷的钻柱进行寿命预测研究。首先 ， 计 算 出几何形状因子 F 和应力强度 因子 K ， 再查 出 钻柱材料断裂韧性 K [ ] ， 无损探伤测定最大初始 裂纹尺寸 a 0 [ H ] ， 求 出临界裂纹尺寸 a 。 ， 只要 KI C ≥ K ， 便可由 F o r ma n模型求 出裂纹疲劳寿命 。 2 ． 1 应力 强度 因子 应力强度 因子是描述应 力场和位移场的物理 量 ， 是疲劳寿命计算 的关键 因素。通过对钻井现场 失效钻柱的探伤发现 ， 表面线形 裂纹 如图 1 所示 是疲劳失效初始微裂纹 的主要形式。 图 1 表面线性裂纹的应力强度因子示意 Fi g ．1 S t r e s s i nt e ns i t y f a c t o r 表面线形裂纹应力强度因子的一般表达式为 KI FI ／ 7 【 以 1 其中， 几何形状因子 F。 可表示为 F 一 1 0 ． 1 2 8 考 一 0 ． 2 8 8 1 ． 5 2 5 考 。 2 2 ． 2 基于 F o r ma n模型的钻柱疲劳寿命计算 对存在表面线形裂纹 的钻柱采用 F o r ma n模 型 进行了疲劳寿命预测 ] 。裂纹扩展速度可表示为 一d a 一 垒 d N 一 1一 R KE一 △KI 3 对式 3 进行积分 ， 可得到综合考虑钻柱结构、 应力变化及材料断裂韧性等参数的钻柱疲劳寿命计 算式 N 一 三 一 以 一。 2 m 一 C ’I △ , ／ t O 2 一 以 一 口 4 2 ． 3 钻柱受力分析 钻柱旋转 钻进 中 的受力 情况 十分 复杂 ， 既有 轴 向拉伸载荷 ， 又有交变 弯 曲应力 ， 同时还要 承受 扭矩及来 自钻井液等引起 的径 向力 。笔者 主要研 石 油 钻 探 技 术 究了旋转钻柱 的动态弯 曲应力和气体钻井钻柱热 效应 。 2 ． 3 ． 1 旋转 钻柱动 态弯 曲应 力 旋转钻柱是一个复杂多变的多支点 自激横振系 统 ] 。钻柱在工作过程中既有 自转又有公转 ， 其上 作用有 2种离心力 ， 一种是由于偏心半径 R 的存在 而引起的离心载荷， 另一种是 由角速度 ∞ 。 4 - ∞ 而 引起的正弦分布载荷。此时， 钻柱的最大弯曲挠度 为[ 1 7 ] 一 1 ． 2 6 8 ； cA y A R t c o L 丽4 7 c E 』 一 D 十 r L 最大弯矩 Ml衄 为 段采用气体 钻井完成 ， 其余 井段 采用 钻井 液钻井 完成 。 钻具组合 蛇4 1 ． 3 1 T i m钻头回压阀j 5 1 7 7 ． 8 mm 无磁钻铤 1根 1 7 7 ． 8 mm 钻铤 2 0根 J T1 7 8 机械式随钻震击器旁通阀声 1 2 7 ． 0 mm加重斜 坡钻杆 1 2根 1 2 7 ． o mm斜坡钻杆方钻杆 。 气体钻井参数 钻压 1 0 k N， 转速 5 0 r ／ mi n ， 忽 略气体密度 。 钻井液钻井参数 钻压 2 2 k N， 转速 7 7 r ／ mi n ， 钻井液密度 2 ． 0 5 k g ／ L。 5 3 ． 2 气体钻井与钻井液钻井钻柱寿命对比 ‰ 一 ㈤ 由式 6 可计算 出最大弯 曲应力 O m a 为 { J m a x一 ㈩ 一 ■ 了 f 7 c D 。 l 1 一 1 l 2 ． 3 ． 2 钻 柱 热效应 气体钻井 中， 井壁边 界对钻 柱 的影 响除激励 的剧烈振动外 ， 还在钻柱表面形成局部热积聚_ 1 。 热影响包括环境热 因素和钻柱 与井壁频繁 接触部 位的局部热 积聚 ， 其主要 是 由钻柱 与井 壁 的大 接 触应力 、 大摩擦系数和相对 转动形成的摩擦热 ， 钻 柱弯 曲处尤为严 重。当局部摩擦热积 聚到一定程 度后将产生局部高热应力 ， 热应力 0 “T的表达式为 一 F a T - AT, , O T 8 _ 一 百 L 在小变形情况下 ， 采用第三强度理论计算工作 应力。钻柱危险截面处的最大等效应力 和最小 等效应力 分别为 一 √ 专 [ x a 2 。 J r- a 2 ～ ∞ 0“3 m 。 ] 9 i 一 √ 专[ n -- 0 “2 。 2 一 ∞ - H 8 一 _m 。 ] 1 o 3 工程案例分析 3 ． 1 案例概况 以川西某实钻井的钻具组合和钻井参数为例进 行分析 。该井井深为 4 6 9 3 r f l ， 三开和 四开部分井 基于 F o r ma n疲劳寿命预测公式 ， 运用钻柱静 动力学 、 热力学 、 断裂力学及材料力学等基本理论 ， 确定了钻柱主要计算条件与相关 因子 。通过计算 ， 得到了采用气体钻井与钻井液钻井时整个钻柱不同 井段在不同初始裂纹下 的寿命 曲线。图 2 、 图 3分 别为初始裂纹尺寸 0 ． 2 5 ， 0 ． 5 0 mm时钻井液钻井和 气体钻井各段钻柱的疲劳寿命曲线。其中， 在上部 庐 1 2 7 ． 0 mm钻杆段 ， 随井深增加 ， 由于钻柱应力 幅 值的降低 ， 钻柱寿命基本呈线性增加趋势； 而加重钻 杆段与钻铤段 的疲劳寿命数值存在波动 钻井液钻 井加重钻杆段钻柱疲劳寿命较大， 钻铤段先增后减； 气体钻井加重钻杆段与钻铤段的疲劳寿命总体小于 钻井液钻井对应井段 的疲劳寿命 ， 加重钻杆段尤为 明 显。 誊 羹 蔷 图 2 裂纹尺寸为 0 ． 2 5 mm 时气体钻 井与钻 井液钻 井 的钻柱疲劳寿命对比 Fi g ． 2 Co nt r a s t o f dr i l l s t r i ng’ S f i g ue l i f e i n g a s a nd mu d d r i l l i n g { c r a c k d i me n s i o n i s 0 ． 2 5 n a n } 图 4 、 图 5 分别为上部钻柱和下部钻柱 的疲 劳 寿命曲线。根据该曲线可得出气体钻井与钻井液钻 井中钻柱疲劳寿命的对比关系式 ∈L a 。 表示计算 区间在钻杆段； z ∈L x a。 表示计算区间在加重钻杆 段 ； z ∈L 表示计算区间在钻铤段 第 4 0卷第 l 期 吴立新 等． 气体钻 井钻柱疲 劳失效周期 分析 U l U UU 2 00 0 3 00 0 4 U UU 5 U UU 井深／ m 图 3 裂纹尺寸为 0 ． 5 0唧时气体钻井与钻井液钻 井的钻柱疲劳寿命对比 F i g ． 3 Co n t r a s t o f d r i l l s t r i n g ’ s f a t i g u e l i f e i n g a s a n d mu d d r i l l i n g c r a c k d i me n s i o n i s 0 ． 5 0 mm * _钻井液钻井 ，裂缝尺寸0 ．2 5 m m e -钻井液钻井，裂缝尺寸0 5 O m m 气体钻井，裂缝尺寸0 2 5 m m -I -气体钻井 ，裂缝尺寸0 5 0 m mI O 5 0 0 l 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 4 5 0 0 井深／ m 图 4 气体钻井与钻井液钻井上部钻柱寿命关系曲线 Fi g ． 4 Re l a t i o n o f t h e u pp e r dr i l l t o o l s ’f at i gu e l i f e i n g a san d mu d d r i l l i ng 图 5 气体钻井与钻井液钻井下部钻柱疲劳寿命关系曲线 Fi g , ．5 Re l a t i on o f t h e l o we r d r i l l t o o l s ’f a t i gu e l i f e i n g a s an d mu d d r i l l i ng f Ⅳa一 O ． 3 5～ 0 ． 4 5 Nf ∈ Ld D Ⅳa一 0 ． 1 6～ 0 ． 2 0 Nf Z∈ L x d 。 1 1 l Ⅳa一 0 ． 4 0 Ⅳm Z∈ Ld 。 由式 1 1 及图 4 、 图 5可知 ， 气体钻井条件下的 钻柱寿命较钻井液钻井均表现 出大幅缩短的现象 。 其中， 加重钻杆段钻柱疲劳寿命仅为钻井液钻井的 1 6 ～2 0 ， 上部钻杆段和钻铤段 的钻柱疲劳寿命 则缩短为钻井液钻井钻柱疲劳寿命的 4 O 左右。 4 结论 1 针对气体钻井 中钻柱的频繁断裂失效现象 ， 基于 F o r ma n寿命 预测模 型， 给出了气体钻井钻柱 疲劳寿命计算方程 。该方程重点考虑了气体钻井过 程中钻柱服役环境及钻柱与井壁碰撞产生的局部热 对其疲劳失效的影响 ， 并 以此为基础， 根据钻井液钻 井的相应工况 ， 计算了钻井液钻井钻柱疲劳失效周 期 ， 获得了气体钻井与钻井液钻井钻柱疲劳失效周 期的量化关系式 ， 结果与现场统计吻合 。 2 气体钻井全井段钻柱 的疲劳寿命均明显低 于钻井液钻井， 其中加重钻杆段钻柱寿命仅为钻井 液钻井的 1 6 ～2 O ， 上部钻杆和钻铤段 的疲劳寿 命仅为钻井液钻井 中钻柱疲劳寿命 的 4 0 。 符 号 说 明 a为裂纹扩展尺 寸， m； 为工作应力 ， MP a ； D 为钻柱外径 ， m； d为钻柱 内径 ， m； N 为应力循环次 数； A K 为应力强度 因子变化幅 ， 即最大应力和最 小应力对应 的应力强度因子之差 ， MP a ／ m； 为 应力差 ， MP a ； K 为断裂韧性， MP a ／ m； R为应力 比； C ， m为材料常数 ； R 为 回转体偏心半径 ， m； A为 钻柱横截面积 ， m ； L为单根钻柱长度 ， m； E为弹性 模量 ， MP a ； J为钻柱惯性矩 ， m4 ； y为钻柱单位体积 的重度 ， N／ m。 ； g为重力加速度 ， m／ s 。 ； CO 。为钻柱反 转角速度 ， r a d ／ s ； c o 为钻柱 自转角速度 ， r a d ／ s ； a 为 材料的热膨胀系数 ， 口 T 一1 ． 2 5 1 0 o C～ ； A 为第 次循环的温升 一l ， 2 ， ⋯ ， N ， o C； ， 2 ， 。分别为 1 、 2和 3方向的主应力 ， MP a ； Nf 为钻井 液钻井 钻柱寿命 ， 1 0 次 ； Ⅳa 为气体钻井钻柱寿命 ， 1 O 。 次 ； 下标 P表示钻柱反转 ， r 表示钻柱 自转 ， f 表 示钻井液钻井， a表示气体钻井， t 表示偏心运动 ， I 表示与表面线形裂纹有关 ， T表示与温度有关 。 参考文献 Re f c r e n c e s E l i B a r y s h n i k o v A， C a l d e r o n i A， L i g r o n e A， e t a 1 ． A n e w a p p r o a c h t o t h e a n a l y s i s o f d r i l l s t r i n g f a t i g u e b e h a v i o r [ J ] ． S P E D r i l l i n g C o mp l e t i o n ， 1 9 9 7 ， 1 2 2 7 7 - 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