空气钻井钻柱疲劳断裂计算分析

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20l0年第39卷石油矿场机械第8期第57页oILFIELDEQUIPMENT2010，39(8)：57～61文章编号：1001—3482(2010)08—0057-05空气钻井钻柱疲劳断裂计算分析朱德武，于会娟。，苟治平。(1．中国油化T股份有限公司石油工程技术研究院．北京100101；2．山东地勘局第二水文地质程地质大队，山东德州253000；3．渤海钻探工程公司井下作业公司，河北任丘062552)摘要：在现场调研空气钻井钻柱断裂现象的基础上，利用目前断裂力学较成熟的理论和试验数据对钻柱疲劳失效进行了分析计算。简述疲劳裂纹的特点及形成，对裂纹扩展速率的影响因素，即，应力变化量、裂纹长度、温度、过载峰进行分析，并对钻杆裂纹不扩展的临界转速及临界钻压进行计算，得出一些防止钻柱过早疲劳失效的参考结论。建议现场技术人员应高度重视钻具的使用和管理，坚持钻具定期探伤，同时尽可能使用优质钻杆和钻铤。关键词：气体钻井；钻柱；疲劳失效；裂纹扩展速度；影响因素中图分类号：TE921文献标识码：ACalculationandAnalysisofDrillStemFatigueFailureinAirDrillingZHUDewu，YUHui—juan。：GOUZhi—ping。(1．SinopecReseachInstituteofPetroleumEngineering，Beijing100101，China；2．No．2HydrologyGeologyEngineeringDepartment，ShandongGeologyExplorationAdministrationBureau，Dezhou253000，China；3．DownholeServiceCompany，BohaiDrillingEngineeringCompanyLimited，Reqiu062552China)Abstract：Drillsstembreakphenomenoninthesceneinvestigationandstudyairdrillinginthefoundation，theusepresentfracturemechanicsmaturetheoryandtheempiricaldatumtodrillthecolumnfatiguefailuretocarryontheanalysiscomputation．Summarizesthefatiguecrackingchar—acteristicandtheformation，tocrackgrowthrate’Sinfluencingfactorstressvariationquantity，thecracklength，thetemperature，theoverloadpeakcarriesontheanalysis，andthecriticalrotationspeedswhichandthecriticalbitpressuredoesnotexpandtothedrillrodcrackcarryonthecom—putation，obtainssometopreventtodrillthecolumnprematurefatiguefailurethereferencecon—clusion．Itwasthoughtthatthescenetechnicalpersonnelshouldtakedrillingtool’Suseandthemanagement，andinsistedthatthedrillingtoolregularcrackdetection，simultaneouslyasfaraspossibleusesthehighqualitydrillrodandthedrillcollar．Keywords：gasdrilling；drillsstem；fatiguefailure；crackspeed；influencingfactor空气钻井能大幅度提高机械钻速，解决了硬地空气钻井中疲劳失效比例更高，钻铤和钻杆的连接层转速慢的难题，但空气钻井也遇到了一些难题，其处更易断裂。从现场调研空气钻井钻柱断裂现中断钻具是空气钻井中遇到的主要问题之一。据统象和从断裂理论分析计算钻柱疲劳失效，对解决川计，川东北大约50％的钻柱失效是由于疲劳引起，东北空气钻井钻柱断裂问题有一定的指导意义。收稿日期：20lO一02—01作者简介：朱德武(1964一)，男，湖北公安人，高级工程师，硕士，1985年毕业于江汉石油学院钻井工程专业，现从事石油工程技术研究，E—mail：zhudewu@sina．eom 石油矿场机械2O1O年8月最终断裂失效。1空气钻井钻柱易疲劳断裂2．2钻柱微观裂纹的形成钻具制造前虽经过“无限寿命”的疲劳设计，但如果钻柱表面无缺陷，疲劳裂纹的形成可由滑钻柱疲劳失效仍时有发生，因为测定持久极限的试移而产生]。钻柱使用一段时间后，内部各个晶粒件是无裂纹缺陷的光滑试件，而钻柱因加工、热处理内有滑移线出现，通常是均匀地出现在局部区域。及钻井中各种伤痕等因素会产生大小不同的裂纹，随着时间的延长，滑移线的滑移量不断增大，形成滑将大大降低其使用寿命]。移带，在钻柱表面上形成“侵入沟”和“挤出带”，如川东北空气钻井与常规钻井相比，夹着岩屑的图2。气体对钻柱的冲蚀、地层气体对钻具的腐蚀及钻柱旋转对井壁的碰撞等现象更加严重，更易产生微小的初始裂纹，加上钻具振动比常规钻井严重，增大了交变应力，初始裂纹加速扩展，钻柱容易断裂。例如，川东北地区空气钻井中的老君1井、河坝2井和老君3井分别发生3次、2次和1次断钻具事故。普光D-1井发生2次断钻具事故，第1次是钻铤母扣根部断裂，第2次是钻杆本体断裂。据资料图2钻柱表面形成“侵入沟”和“挤出带”统计，空气钻井发生断钻具事故频率大于常规泥浆钻井的频率。这种“浸入沟”也是裂纹的起源，即疲劳裂纹成核。沿着与拉力成45。的方向扩展，称为疲劳裂纹2钻柱疲劳裂纹扩展的一般特点扩展的第1阶段。2．1疲劳裂纹扩展特性第1阶段后，又沿着与拉应力垂直的方向扩展对于承受载荷的钻柱，假设钻柱上有一表面裂至裂纹长度66．7S时，da／dN为常数。近3．2温度牙轮钻头钻柱纵振频率m为通常，裂纹的扩展速率是随着温度升高而增大，m—Dnz／(60d)(3)即井越深，裂纹扩展速度越大。所以在钻进中，经常式中，D为钻头直径，mm；1"／为钻头转速r／min；d为倒换钻具对降低裂纹扩展速度也是必要的。牙轮最大直径，mm；为1个牙轮的齿数。在25～650。C范围内，da／dN-dik曲线出现转D、d、z为钻头结构参数，对于某一牙轮钻头，折点后，它们之问服从指数关系，随Ak值增高，温D、d、为常数，可算出各种钻头与扩展速率无关的度对da／dN的加速作用逐渐减弱。临界转速为3．3过载峰川东北实际钻井中有时会突然蹩、跳，钻柱并非J一60din~(Dz)一60mh／(riD)(4)受一恒定的交变戴荷，整个载荷谱中，高、低载荷交式中，h为牙轮最大直径处的齿距，mm。替且无序。利用式(4)可以求出川东北国产D215．9、在恒定载荷谱中出现一个过载峰后，裂纹扩展0244．5mm和o311．1mm三牙轮钻头不影响dN／dn率立即下降，或完全停止。经过若干次循环后，裂纹的临界转速、n。、。，其计算结果如表1。表1川东北钻井不影响裂纹扩展速率的临界转速n从表1看出，大多数”值超过100r／min，即在到临界转速，m不能达到66．7s，所以转速会影响牙轮钻头钻进中，转速没有达到临界转速，不能裂纹扩展速率，故钻柱易疲劳断裂。达到66．7s，所以转速会影响裂纹扩展速率。若在钻头结构设计时，选用适当齿距，可以使裂0311．1mm三牙轮钻头例外，其硬地层的钻头有可纹扩展速率不受钻头转速影响。将式(4)变换为能达到临界转速，其转速不会影响裂纹扩展速率。h—nDn／(60m)(5)目前，川东北地区D311．1mm三牙轮钻头转速对于牙轮钻头，转速取55～70r／rain，利用式一般为60～80r／min，空气钻井时考虑到旋转头胶(5)可以求出川东北各种牙轮钻头的的转速不影响芯的寿命，转速稍低，一般为55～70r／min，没有达裂纹扩展速率的临界齿距，计算结果如表2。表2川东北钻井不影响裂纹扩展速率的牙轮外囤临界齿距钻头直径D／mm381．0齿距h／mm16．5～20．9 石油矿场机械从表2可以看出。钻头尺寸越小，齿距越小，它当漏检裂纹长度DO．5mmH,j"，钻压若大于或接比常规齿距要小，只要齿距设计成小于临界齿距。转近W，则裂纹要扩展。速对裂纹扩展速率的影响就小，且为定值。随着钻杆直径增大，w逐渐增大，裂纹不扩展的可能性越大。随着漏检裂纹长度的减小，w明显5裂纹不扩展的临界钻压增大，钻压就不易达到w值，裂纹不扩展可能性应力强度因子幅度值Ak在门槛值Ak以前，裂增大。纹扩展速度小得无法观察。规定当da／dN≤10将式(2)变更为mm／周时，称裂纹不扩展。ao一(AkA／(2W))／7【(8)由Paris公式得式中，n。为裂纹不扩展的临界裂纹长度，mm。da／dN--(、(△k)一10。(6)若以牙轮钻头钻压176．5kN作为裂纹不扩展用中强度钢的疲劳裂纹扩展有关常数代替钻柱的临界钻压，利用式(8)计算出各种钻杆的起始裂纹的f、rg值，有长度a计算结果列于表4。(一1．61×10表4钻压176．5kN时各种钻杆的临界裂纹长度一9．96外径／ram壁厚t／mm临界裂纹长度口。／mm代入式(6)得88．99．347O．22Akh一4．01／mMPa1l4．39．4l7O．39127．O9．1950．47通常，钻杆断裂失效主要发生在钻柱连接部位，139．79．169O．57下面计算该部位裂纹不扩展时的临界钻压，将式(2)写成Akh一(7【)△W，A从表4中可以看出，各种钻杆的裂纹不扩展的式中，△w为钻柱轴向载荷变化值。当转速为6O临界起始裂纹长度为a。一0．22～0．57mm。钻杆在r／min，和钻铤连接钻杆的△w近似为钻压的2出厂前，漏检裂纹长度只要做到110r／min时，或用于硬地层的0244．5、0215．9mm牙轮钻头在高速旋转时，其转速不影响裂纹扩展速率，其他情况下均影响裂纹扩展速率。牙轮钻头齿距小到一定距离时，转速也不影响裂纹扩展速率。3)井温升高，裂纹扩展速率增大；过载峰使裂纹扩展速率降低。4)扭矩对裂纹扩展影响很小，钻压对裂纹扩从表3看出，当漏检裂纹长度<0．1mm时，展影响较大。轴向载荷引起的应力强度因子占W>250kN。钻进钻压要小于w，裂纹不扩展94以上，而扭矩只占6以下。随着钻柱刚性增(da／dN小于10。mm／周)，但现场钻进中很难做大，扭矩影响愈小。到使漏检裂纹长度O．1mm，使裂临界钻压>245kN，常规钻井中一般不超过此值，纹不扩展是不可能的。故裂纹不扩展；常规钻井中裂纹不扩展的I临界起始 2010年第39卷石油矿场机械第8期第61页0ILFIELDEQUIPMENT文章编号：1001-3482(2O10)08—0061-04天然气藏欠平衡水平井钻井技术在HW801井的应用刘应民，刘永伟，叶承庆，付和，刘文娟。(1．西部钻探工程有限公司充拉玛依钻井工艺研究院，新疆克拉玛依8340002．长庆油田分公刊机械制造总厂，两安710201)摘要：HW801井是新疆油田第1口采用欠平衡方式实施的天然气藏大位移水平井，也是新疆油田首次部署水平段长达1000ITI左右的水平井。长水平段延伸钻进中存在钻具摩阻、扭矩大，井眼净化困难，容易形成岩屑床，轨迹控制效率和精度低，采用液相欠平衡控压钻井作业，如何有效实现井控目标等技术难题。通过优化钻具组合和钻井参数，保证了钻压的有效传递，井眼轨迹平滑；FJQ一245型井下封井器和双节流管汇的合理应用，实现了三开全套欠平衡钻井作业；利用固控设备来控制好钻井液性能，以“净化”保“优化”，满足有效携岩的要求。通过解决以上难题，HW801井安全钻进至井深3358m，其中水平段长1O51．92m，为以后欠平衡大位移水平井钻井提供了成功经验。关键词：水平井；欠平衡；钻井；天然气中图分类号：TE92文献标识码：BApplicationofNaturalGasUnderbalancedHorizontalWellDrillingTechnologyinHW801WellLIUYingmin，LIUYong—wei，YECheng—qing，FUHe。LIUWen-juan。(1．ResearchInstituteofDrillingTechnology，WesternDrillingEngineeringCompany，Karamay834000，China2．MachineryFactoryo厂General，ChangqingQilfieldCompany，Xi’an710201，China)section，theseproblemsprotruderelatively；includingdrillingrig’sdrivingtorque．cuttingstrans—portation，wellpathcontrol，wellcontrolinliquidphaseunderbalanceddrilling，andSOon．Byopti一裂纹长度为0．22～0．57mm。钻杆在出厂前，只要钻采工艺，2008(5)：34—37．做到漏检裂纹长度d0．22mm，钻杆使用寿命会大[2]朱炳坤．水平井眼中受压钻柱的临界载荷计算[n石大增加。油矿场机械，2005，34(4)：44—46．6)川东北现场技术人员应高度重视钻具的使[。]林元华·考虑运动状态时全井段钻柱疲劳裂纹扩展寿要持钻具定期刚尽使用优质[_4]寿~／g,2005(4)：4n04一删407．探钻杆和钻铤。。：；_””。‘。⋯参考文献：油钻采T艺，2O08(1)：12—18．收稿日期：201001—18作者简介：刘应民(1982一)，男，四川叙永人，2006年毕业于西南石油大学石油丁程专业，主要从事钻片1．程技术研究管理工作。