不同服役年限钻杆疲劳性能研究_刘仕银.pdf

2020年第11期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-01-13修回日期 2020-01-14 第一作者简介 刘仕银 （1985-） ， 男 （汉族） ， 湖北荆州人， 工程师， 现从事油气田钻井技术研究工作。 不同服役年限钻杆疲劳性能研究 刘仕银*1， 罗军 1， 张 悦 2， 陈 超 1， 桂 晶 3， 孙志刚2 （1.中石化西北油田分公司石油工程监督中心， 新疆 乌鲁木齐 830011； 2.东营市产品质量监督检验所， 山东 东营 257000； 3.安科工程技术研究院有限公司， 北京 102209） 摘要 通过对不同服役年限的钻杆取样进行旋转弯曲疲劳性能测试， 明确了不同服役年限钻杆的 疲劳性能规律。结果表明， 随着服役年限增加 （1～10年） ， 5-1/2″与3-1/2″钻杆的疲劳性能均未发生 显著的变化 （疲劳极限在560～628MPa之间） ， 并且钻杆实际服役过程中受到的弯曲应力均小于钻杆 受到的疲劳极限。 关键词 钻杆； 服役年限； 疲劳性能； 弯曲应力 中图分类号 TE2 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202011-0059-04 随着西北油田分公司部署的深井越来越多， 给钻 具的安全使用以及服役寿命提出了严峻的考验。目前 相关资料表明， 西北油田工区服役5年以上的钻具占到 总量的60以上。通过相关研究成果表明[1-3]， 钻具的 失效形式主要包括 疲劳失效、 腐蚀失效等。在满足钻 具腐蚀减薄要求基础上， 其疲劳性能是否随着服役年 限的增加而呈现出降低的趋势仍未有定论。本文通过 对不同服役年限的钻杆取样进行疲劳性能测试， 明确 了不同服役年限钻杆的疲劳性能规律。 1实验方法 1.1不同服役年限钻杆取样 分别选取服役年限为1～2年、 3～5年、 8～10年的 3-1/2″钻杆以及5-1/2″钻杆进行疲劳性能测试。 1.2疲劳测试方法 钻杆在服役过程中， 钻杆的内压载荷、 外压载荷以 及轴向载荷均不发生周期性变化； 当钻杆钻进到弯曲 井眼时， 由于钻杆发生弯曲， 这样钻杆外侧表面与内侧 表面受到拉、 压载荷， 即弯曲应力， 同时由于钻杆的自 转作用， 弯曲应力会发生周期性的变化， 即产生循环交 变载荷作用[4]。钻杆在此循环交变载荷作用下会发生 疲劳。本文采用旋转弯曲疲劳测试方法对钻杆的疲劳 性能进行测试。 1.3疲劳性能测试装置 本文采用如图1所示的型号为QBWP-10000旋转 弯曲疲劳试验机对不同服役年限钻杆进行旋转弯曲 疲劳测试。其中旋转弯曲疲劳试验机设定转速为 6000r/min。如疲劳试样旋转次数未达到107次发生断 裂， 则记录对应的旋转次数； 如疲劳试样旋转次数达到 107次未发生断裂， 则旋转弯曲疲劳试验机自动停止。 图1QBWP-10000旋转弯曲疲劳试验机 1.4疲劳性能试样 参考标准HB 5152-96金属室温旋转弯曲疲劳试 验方法 ， 从钻杆管体按照如图2所示的试样尺寸进行 样品加工。 1.5疲劳性能分析方法 参考标准HB 5152-96金属室温旋转弯曲疲劳试 验方法 6.3.3 单点升降法对钻杆疲劳极限进行测试。 具体测试方法如下 ①取σ10.6σb（σb为钻杆的拉伸 强度， 根据API 5DP 标准中规定取1000MPa） ， 经N1次 59 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 循环失效； ②取σ20.45σb， 若其疲劳寿命N2＜107， 则 降低应力继续， 直至在σ2下， 疲劳寿命N2＞107； ③此时 疲劳极限在σ1与σ2之间； ④在σ1与σ2之间插入4个等 差应力水平σ3、σ4、σ5、σ6， 假设对应疲劳寿命分别为 N3、 N4、 N5、 N6； ⑤采用逐步逼近的方法确定疲劳极限， 例如 若 N6＜107， 则疲劳极限在σ6与σ2之间， 若 σ6-σ2≤5σ2，则 疲 劳 极 限 为0.5σ6σ2；若 σ6-σ2≥5σ2， 则取σ70.5σ6σ2代替σ6进行， 逐步 逼近最终疲劳极限。 2结果与分析 2.1不同服役年限疲劳性能测试结果 图2旋转弯曲疲劳试样 表1不同服役年限钻杆疲劳性能测试结果 不同服役年限钻杆疲劳性能测试结果如表1所示。 2.2不同服役年限疲劳性能测试结果分析 对5-1/2″大钻杆， 不同服役年限的钻杆的疲劳性 能测试S-N曲线如图3所示[5-6]， 从图中可以看出， 服役 年限为1～2年的钻杆与服役8～10年的钻杆的疲劳极 限均为627.5MPa， 服役年限为3～5年的钻杆的疲劳极 限为612.5MPa。钻杆的疲劳性能并未随服役年限的 增加而呈现出降低的趋势。 对3-1/2″小钻杆， 不同服役年限的钻杆的疲劳性 能测试S-N曲线如图4所示， 从图中可以看出， 服役年 限为0～2年的钻杆与服役8～10年的钻杆的疲劳极限 均为612.5MPa， 服役年限为3～5年的钻杆的疲劳极限 为560MPa。钻杆的疲劳性能并未随服役年限的增加 而呈现出降低的趋势。 2.3钻杆实际服役过程最大弯曲应力 由上述分析结果可知， 不同服役年限的钻杆 （ 5-1/2″ 60 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 钻杆/3-1/2″钻杆） 的疲劳极限均在560MPa以上， 为确 保钻杆服役过程中受到的弯曲应力在钻杆的疲劳极限 范围内， 需对钻杆在实际服役过程中的弯曲应力进行 模拟计算。 钻杆弯曲应力主要来自几何变形和外力作用两方 面[7]， 一是由于井眼曲率导致钻杆发生弯曲， 产生弯曲 应力； 另一方面由于钻压、 重力作用下， 使得钻杆在井 眼弯曲部位曲率增大， 产生弯曲应力。故在进行弯曲 应力计算时， 必须综合考虑两方面因素。在弯曲井眼 中， 钻杆受力示意图如图5所示。 根据材料力学静力平衡可知， 沿钻杆上任一点的 弯矩可由下式计算 （设0点为坐标原点， 建立直角坐标 系） ， 式中EI为钻杆的抗弯刚度；P为钻压；Cw为该 段平均曲率；S0为0点的剪切力；Q为钻杆的线重；β 为井斜角； 计算中各参数单位全部采用国际单位制。 EI d2y dx2 -PyEICwS0 x- 1 2Qx 2 sinβ 通过对上述微分方程求解， 求取其弯矩， 进而求得 该段的弯曲应力， 可由下式表示， 式中Dp为钻杆外径； Pc为钻压；E为弹性模量；L为该段钻杆长度。 σmax DpE 2 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Cwq η sinη -q η0.5KL K2 Pc EI q Qsinβ K2EI 根据西北油田钻井井相关数据， 钻杆直径取 0.0889m， 钻压20～80kN， 单根钻杆长度约9.14m； 在垂 直水平过段段井斜角约为3； 狗腿度约为2/30m； 钻杆 线重约为 214.52N/m （钻杆直径为 139.7mm， 线重为 404.74N/m） ； 钻杆弹性模量210GPa。将上述参数代入 进行计算， 不同钻压下对应的弯曲应力， 如表2所示。 钻压 （kN） 20 30 40 50 60 70 80 最大弯曲应力 （MPa） 3-1/2″钻杆 364 386 409 434 462 492 526 5-1/2″钻杆 521 526 530 535 540 545 550 表2实际服役钻杆最大弯曲应力计算结果 从计算结果中可以看出， 实际钻杆在服役过程中 最大弯曲应力在350～550MPa之间。即便是服役10 年的钻杆， 其疲劳极限＞550MPa仍满足实际服役过 程中的弯曲应力要求。 3结论（下转第65页） 图3不同服役年限的5-1/2″钻杆的疲劳性能测试S-N曲线 图4不同服役年限的3-1/2″钻杆的疲劳性能测试S-N曲线 图5弯曲井眼中钻杆受力示意图 61 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 leum Engineering Co., Ltd., Dongying Shandong 257017, China Abstract This paper introduces the structural characteristics and potential risk factors of riser of offshore production plat, sum- marizes the common detection s and characteristics of pro- duction plat riser, analyzes and compares the advantages and disadvantages of each detection in detail, and points out the advantages of magnetic memory detection in the early fatigue damage detection of riser structure, so as to provide the ba- sis for the selection of riser structure detection . Key words riser； testing technology； testing s and charac- teristics； magnetic memory 检测技术 超声导 波 检测 电磁涡 流 检测 漏磁检测 磁记忆检 测 可检测缺陷 内表面、 外表面缺陷 表面缺陷 表面及近 表面缺陷 表面及内 部缺陷 优点 （1） 长距离、 大范围检测效率高； （2） 可实现缺陷和壁厚同时检测 （1） 非接触测量， 不用耦合剂， 检 测速度快； （2） 适用于多种类型的腐蚀和裂 纹缺陷； （3） 能检出油漆层或金属蒙皮下 金属构件的表面裂纹 （1） 重复性好， 高速自动化检测； （2） 技术成熟， 应用广泛 （1） 可检测应力集中， 能确认早期 疲劳损伤； （2） 非接触测量， 对介质和被测表 面要求低； （3） 无需耦合剂、 不需电磁激励 缺点 （1） 缺陷定性难度大、 定量精度不高， 难以检测小缺陷； （2） 管件包裹的保温层、 浮力块、 防腐层会导致导波迅速衰减； （3） 对管件的外表面处理要求较高 （1） 只适于导电材料； （2） 对试样材质、 形状和尺寸敏感， 仅适于金属表面层检查和分析 （1） 接触测量， 探头易磨损； （2） 需外加磁化设备， 装置长， 增加卡堵风险； （3） 无法识别早期疲劳损伤 （1） 应力的定量评价技术有待发展； （2） 只能用于铁磁性材料 表1检测方法优缺点对比 （上接第61页） （1） 对5-1/2″钻杆， 不同服役年限 （1～10年） 钻杆 的疲劳极限在613～628MPa之间； 对3-1/2″钻杆， 不同 服役年限 （1～10年） 钻杆的疲劳极限在560～613MPa 之间。 （2） 随着服役年限增加， 5-1/2″与3-1/2″钻杆的疲 劳性能均未发生显著的变化。 （3） 钻杆实际服役过程中受到的弯曲应力小于钻 杆受到的疲劳极限， 当只考虑钻杆材质的疲劳性能时， 不同服役年限 （0～10年） 的钻杆均能满足使用要求。 参考文献 [1]罗军,白马,董海龙.塔河油田钻具失效分析及预防措施[J].西 部探矿工程,2018 （1） 57-60. [2]周杰, 卢强, 吕拴录,等.塔里木油田用钻杆失效原因分析及 预防措施[J].钢管,2010,39448-51. 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