套管钻井多轴疲劳试验与可靠性研究(1)

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1、石油机械2009年第37卷第5期CHINAPETROLEUMMACHINERY●试验研究套管钻井多轴疲劳试验与可靠性研究闫相祯宋根才许志倩杨秀娟高进伟(1．中国石油大学(华东)学科建设处2．中国石油大学(华东)机电工程学院)摘要根据套管钻井中套管柱承受的载荷状况，借助现有的技术水平和手段，首先进行了套管试件的拉．拉单轴高周疲劳试验，通过相关的试验数据获得了套管试件在不同应力水平下的疲劳寿命及其统计分布，为进一步获得试件的基于概率的等效P—S-N曲线奠定基础。然后通过拉压一扭转双轴循环复合疲劳试验，验证了等效P—S—N曲线的正确

2、性。最后根据P—S-N曲线，采用有限元疲劳分析软件，进行典型工况下套管的疲劳可靠性分析，计算得到套管体中的最大等效循环应力，并据此计算出要求可靠度(或存活率)下套管的疲劳寿命，再由钻井周期得到套管疲劳的剩余寿命。关键词套管钻井多轴疲劳试验P一5一Ⅳ曲线可靠性研究况，借助现有的技术水平和手段，通过试验、理论0引言分析与计算机数值模拟、仿真相结合的方法来进行套管柱的疲劳可靠性分析。套管钻井并不是一个新概念，早在20世纪5O年代就有很多陆上钻井公司用油管进行钻井生1套管柱的双轴循环疲劳试验产J，钻达油气层后对油管进行固井作业，将钻头

3、留在井下。套管钻井技术就是指在钻进过程中，1．1拉一拉单轴高周疲劳试验直接采用套管取代传统的钻杆向井下传递机械能量拉．拉单轴高周疲劳试验是整个套管疲劳试验和水力能量，井下钻具组合接在套管柱下面边钻进的基础。考虑到套管钻井过程中载荷的复杂性和不边下套管，完井后用作钻柱的套管留在井内供完井确定性，采用成组多级试验方法，以获得套管试件用的钻井技术¨。套管钻井将钻进和下套管合并在不同应力水平下的疲劳寿命及其统计分布，为进成一个作业过程，不再需要常规的起下钻作业，与一步获得试件的基于概率的等效P—S—N曲线奠定基常规钻井技术相比，可以节

4、省大量钻井工时，减少础。试验试件是根据GB4337—1984推荐的轴向加井下事故，降低钻井成本。套管钻井中，套管受力载光滑圆柱形标准试样设计的。试件采用J一55小比固井套管要复杂得多，工作环境也更加恶劣。套尺寸油管(外径×壁厚=60．3×4．8mm)制成。管不仅要承受轴向力、外挤力、内压力，还要承受试件尺寸：内径50～52mm，外径60mm；试验段扭矩、弯曲和冲击振动(纵向、横向和扭转振动)外径53～55mm，内径50～52mm，壁厚1．5～2．0等载荷的作用。套管开始服役时，循环载荷持续且mm；试验段长度70mm，过渡段圆角

5、曲率半径30不可恢复地作用于套管柱，导致套管疲劳裂纹的产mm。试验时采用三级加载方式，其对应的疲劳寿生。如果裂纹不断扩展，最后在应力小于材料强度命分别为1×10、5×10和1×10。，每一应力等时，套管柱就断裂。这是一种积累式的破坏，发生级试验4～6个试件，试验频率120～140Hz；循环时没有预兆，一旦发生将给整个工程带来巨大损应力为正弦波，应力比r=0．25左右，试验得到有失。鉴于此，笔者针对目前套管钻井技术在国内的效试件16个样本数据，见表1。其中，各轴向应应用状况，根据套管钻井中套管柱承受的载荷状力为对应载荷与试件最小

6、截面积之比。基金项目：国家科技重大专项大型油气田及煤层气开发项目(2008ZX05017)；中国石油集团重点实验室资助项目“石油管应用基础研究”(2008A一3005)。石油机械2009年第37卷第5期表1拉一拉单轴高周疲劳寿命试验结果对于金和S之间的线性关系，使用相关系数P来定量评定二者之间的线性拟合程度，P的计算式如下：p=(L)／[(ss)()](4)根据式(2)、式(3)和式(4)求得的不同存活率下的nb及P，如表2所示。表2不同存活率下P—S—N曲线的有关系数不同存活率下套管的疲劳寿命Ⅳ与对应的等效循环应力S之间具有

7、如下关系¨。。131：lgNP=口P+6Plg．s(1)1．2拉．扭双轴循环复合疲劳试验式中，a和b为不同存活率下的待定系数，仅与材拉压．扭转双轴循环复合疲劳试验，选择剪切料性质有关。显然，lgNe与lgS之间为线性关系。应变幅AT与轴向应变幅△之比=0．25～0．60对于m级加载试验的套管试件疲劳数据，采的等比例加载循环试验模式，目的在于通过相关试用最小二乘法对式(1)中的o、6进行计算求验数据，验证等效P．S．N曲线的正确性。试件结构解得：同拉．拉高周疲劳试验，不同之处是在其两端与转m换接头连接的部位，各加工有1对相互垂直

8、的销孔。=殳一gs(2)用来传递扭矩。根据以往经验，圆管的拉一扭复合疲劳试验具有较好的试验结果。本试验仅选用4个试件进行拉压一扭转复合疲劳试验。对于应力级别6DP：—蚤———————————圭—————车：——!———蚤—一I3j，的选取，考虑到长寿命数据的离散性，设计4个应