气体钻井钻柱失效的热因素分析.pdf

2 0 1 4年第4 2卷第2期 石 油机械 CHI NA PE TR0L EUM MAC HI NE RY ●钻 井技术与装备 气体钻井钻柱失效的热因素分析 罗 整 李金和 温 杰 蒋 杰 川庚钻探 工程公 司钻 采工程技术研 究院 摘要针对气体钻井钻柱频繁失效问题 ，建立 了钻柱 与井壁摩擦 生热 闪温温升计算模 型，研 究了局部温升在钻柱表面产生的热应力，通过平均表面传热系数评价 了气体钻 井环空压缩 空气对 局部摩擦热的携热能力 ，并给出了计算算例。研 究结果表明，钻柱 对井壁 的侧 向力较大时，钻柱 与井壁 的接触摩擦可以使钻柱局部表面产生高达几百摄 氏度 的闪温温升 ，该温升使钻柱局部表面 产生很大的热应力，随后高速气流携走全部或部分摩擦热。分析认为，摩擦热是导致气体钻井钻 柱异常失效的重要因素。热过载或热疲劳与机械载荷共同作用使钻柱表面产生微裂纹，从而加速 气体钻井钻柱失效。 关键词 气体钻井；钻柱失效 ；摩擦热；热疲劳；热过载 中图分类号 T E 9 2 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 0 7 An a l y s i s o f Th e r ma l F a c t o r s f o r S t r i n g Fa i l u r e i n Ga s Dr i l l i n g L u o Z h e n g L i J i n h e We n J i e J i a n g J i e R e s e a r c h I n s t i t u t e o f D r i l l i n g a n d P r o d u c t i o n E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y ， C h u a n q i n g D r i l l i n g E n g i nee r i n g C o ． ， L t d ． A b s t r a c t I n l i g h t o f fr e q u e n t d ri l l s t r i n g f a i l u r e i n g a s d r i l l i n g ，t h e fl a s h t e mp e r a t u r e ri s e c alc u l a t i o n mo d e l o f d ri l l s t ri n g a n d we l l w a l l f r i c t i o n a l h e a t wa s e s t a b l i s h e d ． T h e t h e r ma l s t r e s s p r o d u c e d o n s t rin g s u rf a c e b y l o c al t e m p e r a t u r e r i s e wa s s t u d i e d ． T h e l o c a l fri c t i o n a l h e a t - c a r r y i n g c a p a c i t y o f a n n u l a r c o mp r e s s i v e a i r i n g a s d r i l l i n g wa s e v alu a t e d t h r o u g h a v e r a g e s u rfa c e h e a t t r a n s f e r c o e ffic i e n t ． T h e c a l c u l a t i o n e x a mp l e wa s g i v e n ． T h e r e s e a r c h fi n d i n g s s h o w t h a t ，wh e n t h e l a t e r a l f o r c e o f d r i l l s t rin g t o w e l l w a l l i s c o n s i d e r a b l e，t h e s t rin g w all c o n t a c t f ric t i o n c a n p r o - d u c e t e mp e r a t u r e r i s e o f s e v e r a l h u n dr e d d e g r e e s Ce l s i u s o n t he l o c a l s u rfa c e o f d ril l s t rin g ． Th e t e mp e r a t ur e r i s e l e a d s t o r e ma r k a b l e t h e r ma l s t r e s s o n t h e l o c a l s u rf a c e o f d r i l l s t rin g ． T h e n，h i g h - v e l o c i t y a i r c u r r e n t c a r r i e s a wa y a l l o r p a r t o f f ric t i o na l h e a t ． Th e a n a l y s i s s h o ws t h a t f ric t i o n a l h e a t i s a n i mpo r t a n t r e a s o n f o r d ril l s t rin g f a i l u r e i n g a s d ri l l i n g ． T h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e r ma l o v e rl o a d o r t h e rm a l f a t i g u e a n d me c h a n i c a l l o a d p r o d u c e s mi c r o c r a c k s o n s t r i n g s u rfa c e，t h us a c c e l e r a t i ng s t r i n g f a i l u r e i n g a s d r i l l i ng ． Ke y wo r d sg a s d ril l i n g ；d ri l l s t r i n g f a i l u r e ；f r i c t i o n a l h e a t ；t h e rm a l f a t i g u e；t h e rm a l o v e r l o a d 0 引 言 气体钻井以其可大幅提高机械钻速、有效发现 及保护油气层和高效治理恶性井漏等优点而获得快 速发展，同时也暴露出了亟需解决的技术问题，其 中钻柱频繁失效已经成为严重制约其发展 的瓶颈问 题之一。气体钻井钻柱失效概率约为钻井液钻井钻 柱失效 的 2～3倍 ，迫切需要弄清其失效机理 ，并 研究制订有效的预防措施。 气体钻井钻柱失效主要表现为钻铤内、外螺纹 及钻柱本体的断裂。目前行业共识认为，气体钻井 钻柱失效是振动、冲蚀 、腐蚀和冲击 中的某种因素 或多因素的耦合作用造成的。除振动等因素外 ，钻 柱与井壁之间的剧烈碰撞和干摩擦可能在钻柱表面 产生大量的局部热 ，局部热产生的热应力可能是影 响钻柱 失 效 的 重要 因素⋯ 。E a t o n _ 2 和 A l t e rma n n 等 _ 3 通过对钻井液 钻井 中失效钻柱案例 的分析认 为 ，在某一小段时间内钻柱与井壁的摩擦发生在 同 一 局部位置且每次的摩擦热量都不能完全被钻井液 石 油机械 2 0 1 4年第4 2卷第2期 带走，于是每次剩余的热量就积累下来，使钻柱表 面局部被加热到钢材相变临界温度以上 ，从而出现 热过载现象。热过载引起的相变导致裂纹萌生 ，在 机械载荷的耦合作 用下最终引发钻柱失效。H e h n 等 研究了某例大位移钻井液钻井 中的灾难性钻 柱断裂事故 ，通过理论和检测分析也认为水平段钻 柱与井壁之间的持续摩擦生热使钢材相变并产生热 裂纹 。 但 目前对气体钻井钻柱 与井壁摩擦的生热量 、 该局部热产生的热应力及循环介质的携热能力 尚缺 乏一套计算模型与评价方法。为此 ，笔者建立 了一 套气体钻井摩擦热致钻柱失效问题的计算模型，并 给出了计算算例分析热应力对钻柱的作用机制 。 1 理论计算模型建立 1 ． 1 钻柱与井壁接触摩擦模型 钻井过程 中，钻柱既存在 自转 ，也存在公转。 偏离井眼轴心线的公转引起了钻柱与井壁接触并产 生碰撞摩擦 ，由于实钻井眼都存在狗腿度 ，即使是 直井或直井段也存在井斜和方位漂移问题 ，这会加 剧钻柱与井壁之间的碰撞和摩擦 ，钻柱接头处尤为 严重。气体钻井 由于缺乏钻井液 的润滑和粘滞作 用 ，钻柱与井壁的碰撞摩擦强度会更大 ，会产生更 多的摩擦热。图 1为气体钻井钻柱与井壁之间的摩 擦示意图。图中 为钻柱转速 ， 为钻柱对井壁 套管作用的法 向载荷 ， 为钻柱与井壁之间的 摩擦 因数 。 a ． 钻柱 接 头与井 壁 b ． 钻柱 本 体与井 壁 图 1 钻柱与井壁之间的示意摩擦图 F i g ． 1 D i a g r a m o f f ri c t i o n b e t we e n d r i l l s t r i n g a n d w e l l wM1 1 ． 2 摩擦热温升计算模型 钻柱与井壁之间的摩擦生热、能量转化及摩擦 接触面传热问题非常复杂，为简化问题，笔者只考 虑钻柱侧 向力 、钻柱外表面与井 壁相对接触速度 即接触线速度 及钻柱与井壁之间摩擦 因数 3个 主要的影响因素。 钻柱与井壁单次摩擦之后 ，根据理论分析 ，接 触部位的表面 温度可 由摩擦 前温度 升高 到 。 根据热平衡原理 ，闪温温升方程如下 AT 一 1 式中，△ 为钻柱摩擦表面平均温升， ℃； 为钻柱表 面与井壁 的相对线速度 ，m ／ s ；h 为钻柱材料 的传 热系数 ，w／ m ℃ ；A 为摩擦接触面积 ，m。 。 1 ． 3 循环介质携热计算模型 气体钻井过程中，循环介质与钻柱之间所发生 的热量交换形式为环空内有界强制对流换热。采用 D i t t u s B o e l t e r 模型l 6 及考虑不均匀物性场对换热 的 影响 ，可得出努塞尔数的表达式 N u 0 ． 0 2 3 R e P r 2 其 中 ⅣM 3 A Re v jp j d r 4 根据式 2 ～式 4 ，得出空气平均表面传 热系数表达式 ，以其来衡量压缩空气携热能力。 0 ． 0 2 3 f v jp j c l 1 P r A h 一 5 式中， 为努塞尔数 ；R e为雷诺数 ；P r 为普朗特 数 ；A为空气 的导热系数 ，W／ m o C ；h 为介 质 空气平均表面传热系数 ，W／ m o C ；d 为被冷却管体 钻柱 的外径 ，m； 为介质运动 黏度 ，m ／ s ；V i 为介质 流速，m ／ s ；凡为指数 ，当 流体被加热时， 0 ． 4 ，当流体被冷却时，n 0 ． 3 ，这里流体被加热 ，因此 n 0 ． 4 ；P 为介质密 度 ，k g ／ m 。 再根据牛顿冷却公式，计算出压缩空气在 1 S 内的携热量 ，表达式为 Q h g A A t 6 式 中，Q为空气携热量 ，J ；A t 为钻柱与井壁摩擦 升温后与空气的温差 ， ℃。 最后，根据传热量与温度的关系可得环空压缩 空气携热后钻柱温升处降低 的温度。表达式为 △ 7 式中，△ 为压缩空气携热后降低的温度， o C；c 为 钻柱材料的比热容 ，J ／ k g C c ；m为钻柱局部 受热的质量 ，k g 。 ． 一 ， ●● _ _ ● ●● ●● ●● ， 石 油机械 2 0 1 4年第 4 2卷第 2期 由图4 、图 5可知 ，局部温升对钻柱应力 的影 响非常大 ，两者基本呈线性关系。结合表 1可知 ， 在工程 中可能出现的相对恶劣的钻柱与井壁接触情 况下 如侧 向力 为 8 k N、相对转 速为 5 5 r ／ mi n 、 摩擦因数为 0 ． 5 5 ，钻柱局部的综合应力将达到和 超过钻柱的屈服强度 S 1 3 5钻杆的屈服强度为 9 1 3 ～ 1 1 3 8 MP a 。局部热 以及粘滑振动工况下 瞬时 扭矩很大 ，机械载荷的影响也会导致钻柱发生表 面屈 服 。 在以空气为循环介质的气体钻井过程中，压缩 空气在环空中的流速是变化的，根据现场数据采 用正 向循环 ，空气运动 黏度 为 1 ． 7 3 X 1 0 m ／ s ， 普 朗 特 数 为 0 ． 7 ，导 热 系 数 为 0 ． 0 2 5 9 W／ m ℃ 。计算出空气在不同环空处的流速 ，然后 由 式 3 可计算出空气在对应位置的平均表面传热 系数 ，结果如图 6所示。 0 0 _IE 0 主 。 覆 坦 图 6 空 气 钻 井 不 同井 深 环 空 处 空 气 流速及平均表面传热 系数 曲线 F i g ． 6 C u r v e o f a i r r a t e a n d a v e r a g e s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e ff i c i e n t i n a n n u l u s a t d i f f e r e n t w e l l d e p t h s i n a i r d r i l l i n g 根据不同井深处环空介质的传热系数计算结果 以及前文的携热公式和温降公式 ，可计算出不 同井 段处循环介质的携热量，最后得出温升处降低的温 度。经过试验测得，空气钻井钻柱与井壁的平均摩 擦因数约为 0 ． 4 。空气注入量为 2～ 4 m ／ s ；转速为 5 0 r ／ m i n ；侧向力一般为 4 4 1 0 N _ 8 J 。钻柱 的比热容 为 4 6 0 J ／ k g ℃ ，密度为 7 ． 8 X 1 0 。k g ／ m 。不 同注气量不同井段处温降计算结果见图7 。 井 深 ／ k m 图7不同空气注入量 下温升 处的温降 F i g ． 7 T e mp e r a t u r e d r o p a t t e mp e r a t u r e r i s e p o s i t i o n u n d e r d i f f e r e n t a i r i n j e c t i o n s 由图 6和图 7可知 ，环空压缩空气在高速下有 较高 的携热和降温能力 ，尤其在上部和底部井段更 是如此。结合表 1中的温升计算结果可以知道 ，中 部井段钻柱相 比上部与底部井段钻柱更容易发生热 积累。 2 ． 2 气体钻井钻柱热致失效机理分析 钻柱与井壁摩擦过程 中的能量耗散形式主要有 2种 热能和机械能。摩擦常伴随塑性变形 ，在摩 擦引起的塑性变形 中，摩擦能 的 9 5 ％通过热形 式 扩散 J ，且随着 应变 的加 大或温度 的上升 ，这个 百分 比会增加 。因此 ，钻柱与井壁摩擦表面的温升 是一个不容忽视的问题 。 摩擦 副表 面的迅 速温升会导 致热过载或热疲 劳。摩擦热 的快速加热作用 使得钢材表 面局 部升 温 ，从而在钢材体内产生较大温度梯度和热应力 。 在热应力和结构应力 机械载荷产生 的叠加作 用下，钻柱表面在重复的摩擦生热与冷却作用下终 会产生热疲劳或热过载 ，引发钻柱表面金属晶格位 错和断裂。 笔者的计算算例也证实 了热过载和热疲劳的可 能性。在部分常见 的钻井参数区间内，钻柱与井壁 局部摩擦导致 的闪温超过钢材的相变临界温度 ，间 断的摩擦使某些井段钻柱反复出现热过载；同时， 循环介质连续流动对钻柱局部温升有冷却作用 ，钻 柱局部 出现热疲劳，中部井段钻柱由于流速较低介 质携热能力稍弱 ，该处钻柱的局部摩擦热不能全部 被空气携走 ，钻柱局部发生热积累 ，热积累最终导 致热过载。热影响和机械载荷同时作用于钻柱 ，加 速钻柱微裂纹的产生。 钻柱微裂纹产生后 ，在机械载荷的作用下裂纹 的发展就进入第 2阶段 ，即长大或扩展期。钻柱在 井下旋转运动中，受轴 向拉力、侧向接触力和摩擦 力 、弯曲载荷及扭矩作用。随着钻柱 的旋转运动 ， 交变或间歇的环境载荷使钻柱表面裂纹不断的张开 或闭合 ，加速裂纹的扩展。当钻柱裂纹长大或扩展 到一定临界尺寸时，在外力的作用下就会发生脆性 断裂。 3 结 论 1 摩擦热是 导致气体钻井 中钻柱异常失效 的重要 因素 。钻柱与井壁的摩擦热对钻柱局部区域 急速加热形成闪温温升，钻柱局部表面产生高幅热 应力。 下转第 3 9页 2 0 1 4年第4 2卷第2期 沈龙泽等海洋石油平台自动化管路布局优化算法设计 一 3 9一 法局部寻优能力差的问题。对遗传操作设计了等温 和退温内、外 2 层循环，提高了算法的收敛速度和 能力。算法能有效控制管段长度和弯头数量，提高 设计效率，降低建设成本 ，用于海洋石油平台管路 布局设计可取得较好 的经济效益。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 参考文献 冯军 ，应文烨 ，陈宾康 ．基于遗产算法三维管路布 置设计方法 [ J ]．交通与计算机，2 0 0 4 ，2 2 3 7 57 8 ． I t o T ． A g e n e t i c a l g o r i t h m a p p r o a c h t o p i p i n g r o u t e p a t h p l a n n i n g [ J ]． J o u r n a l o f I n t e l l i g e n t M a n u f a c t u r i n g ， 1 9 9 9 1 0 1 0 31 1 4 ． 樊江，马牧，杨晓光 ．航空发动机外部管路 自动敷 设研究 [ J ]．机械设计，2 0 0 3 ，2 0 7 2 1 2 3 ． 范小宁，林焰，纪卓尚 ．船舶管路三维布局优化的 变长度编码遗传算法 [ J ]．中国造船 ，2 0 0 7，4 8 1 8 2 9 0 ． 周洪伟，原锦辉，张来顺 ．遗传算法 “ 早熟”现象 的改进策略 [ J ]．计算 机工程 ，2 0 0 7，3 3 1 9 2 0 12 0 3 ． 颜建军，郑建荣，夏春明，等 ．任意实体最小包容 盒的确定 [ J ]．中国机械工程 ，2 0 0 6 ，1 7 增刊 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] 1 3 4 43 4 7 ． 伊鹏，刘衍聪，石永军 ，等 ．基于改进 自适应遗传 算法的海洋平台管路优化设计方法 [ J ]．中国海上 油气，2 0 1 0 ，2 2 2 1 3 41 3 8 ． Q n Y a n g ，L i u Y a n c o n g ，Y i P e n g ，e t a 1 ． A g e n e t i c a l g o r i t h m b a s e d a p p r o a c h t o p i p e r o u t i n g d e s i g n[ J ]． C A D D M，2 0 1 0 ，2 0 2 81 4 ． 马晨宇，李伟，陈祖舜 ．空间机器人路径规划的姿 态空间快速计算方法 [ J ]．清华大学学报自然科 学版 ，1 9 9 7 ，3 5 5 1 6 ． 陈国良，王熙法 ．遗传算法及应用 [ M]．北京 北京人民邮电出版社 ，1 9 9 6 ． 周明，孙树栋，彭炎午 ．基于遗传模拟退火算法的 机器人路径规划 [ J ]． 航空学报 ，1 9 9 8 ，1 9 1 l1 8一】 2 0． 第一作者简介沈龙泽 ，生于 1 9 8 8年，中国石油大学 华东机电工程学院在读硕士研究生，主要研究方向为 海洋平台自动化管路布局设计。地址 2 6 6 5 8 0 山东省青岛 市。E ma i l s h e n 2 0 0 7 8 8 1 2 6 ． c o rn。 收稿 日期 2 0 1 3 0 81 5 本文 编辑刘锋 上接第 3 0页 2 当钻 柱 转速 高 、接触 力 大 、井 眼粗 糙 、 狗腿度严重、注气量低或井眼扩大严重 气流速 度低时 ，摩擦热易在钻柱表 面积累 ，并 可能超 过钻柱材料的相变临界温度 ，从而导致热过载 ；当 钻柱转速低 、接触力小 、井眼光滑、井身质量高、 注气量大或井眼扩径不严重时，反复的摩擦生热和 快速冷却使钻柱 承受 交变热载荷 ，从而 导致热疲 劳 ；热过载或热疲劳与机械载荷共 同作用使钻柱表 面产生微裂纹 ，从而加速气体钻井钻柱失效 。 3 为减轻摩擦热的影响，应尽量降低钻柱 与井壁的摩擦强度 ，提高循环介质携热能力 。建议 采用低转速的空气锤钻井工艺 、使用低摩擦 因数 的 专用保护工柱 、适 当提高注气量 、合理设计 B H A 以确保井身质量和抑制井眼扩大。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] 祝效华，蒋祖军，童华，等 ．气体钻井钻具失效因 素与机 理分 析 [ J ]．石 油 钻探 技术 ，2 0 0 9 ，3 7 2 6 06 2 ． E a t o n L F ． T o o l j o i n t h e a t c h e c k i n g w h i l e p r e d r i l l i n g f o r a u g e r T L P p r o j e c t[ R]． S P E 。 2 5 7 7 6 ． A l t e r ma n n J A．S mi t h T B ． He a t c h e c k i n g q u e n c h c r a c 一 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] k i n g t o o l j o i n t s[ R]． S P E 2 3 8 4 6 ． He M L，J e l l i s o n M，Wy b l e K，e t a 1 ． C a t a s t r o p h i c d r i - l l s t r i n g f a i l u r e s c a u s e d b y d o wn h o l e f r i c t i o n h e a t i n g a n i n c r e a s i n g t r e n d ． S P E ／ I ADC 1 0 5 0 2 6 ． 薛景文 ． 摩擦学及润滑技术 [ M]．北京 兵器工 业 出版 社 ，1 9 9 2 ． 杨世铭 ，陶文铨 ． 传热学 [ M ]． 3 版 ． 北京 高等 教育 出版社 ． Ve r n o n R J ．Wa d e E H R ． B e y o n d h e a t c h e c k i n g F r i c t i o n a l h e a t i n g c a u s e s d r i l l p i p e f a i l u r e i n a n e x t e n d e d r e a c h we l l f R1． S P E 8 6 5 6 2 ． J e l l i s o n M J ， He h n L，C h a n d l e r R B， e t a 1 ． S e v e r e d o wn h o l e f r i c t i o n a l h e a t i n g d r i v i n g i n c r e a s e i n d r i l l s t r i n g f a i l u r e s 『 R] ． S P E 1 0 7 6 4 6 ． 刘道平 ．对滑动摩擦热效应问题的认识 [ J ]．润滑 与密封，1 9 9 4 6 1 1 1 4 ． 第一作者简介罗整 ，工程师，生于 1 9 8 1年，2 0 0 5 年毕业于西南石油学院机械制造及其 自动化专业，现从事 气体钻井技术工艺、装备研究和管理工作。地址 6 1 8 3 0 0 四川 省广 汉市。E ma i l 3 1 4 0 2 3 4 9 6 q q ． c o m。 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 0 8 本文编辑刘锋