气体钻井钻具失效研究的试验设计.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 1 年第 3 9卷第 1 1期 试 验研究 气体钻 井钻具失效研 究的试验设计 王钱钱 陈次昌 黄志强 李东洋 吕东莉 西南石油大学研究生部 摘要针对现有气体钻井钻具冲蚀试验装置只能单一模拟气体钻井过程中岩屑对钻具冲蚀磨 损 的情况，研制 了用于模拟气体钻井钻具失效研究的多功能试验装置 ，给出了气体钻井钻具失效 研究的试验方法。多功能试验装置能够在模拟钻具冲蚀磨损的同时，模拟钻具受横 向、纵向和扭 矩振动等复杂的受力工况下的疲劳断裂试验。装置采用无线遥测动态应变测试分析系统进行试验 测试，还可实现远程 自动控制，整套装置结构简单紧凑 ，并且管道封闭，运行噪声小，功能 多样 ， 为气体钻井过程 中所遇到的钻具失效的相关问题提供 了更为全面的研 究平 台。 关键词 气体钻井钻具失效试验设计 多功能模拟试验 0 引 言 国内从2 0 世纪 8 0 年代开始引进和研究气体钻 井技术 ，目前 已取得 了明显 的经济效益和社会 效 益 。气体钻井 因其 自身 优势 ，具有 提高机 械钻 速 、降低钻 时 ，有效保护 油气层 ，有利 于井斜 控 制，克服井漏，环境污染小等优点，是开发低压低 渗油气田最有 效 的方法之 一l 2 J 。但是 ，气体 钻井 中钻具失效频率远高于钻井液钻井 。 目 前，公开发表的研究钻具失效的资料认为气 体钻井中钻具失效主要是由于腐蚀 、磨损 、钻柱的 过量变形 、钻柱接头的偏磨及疲劳断裂 J 。钻具 过早失效问题严重制约了气体钻井技术 的大规模推 广应用。迄今 ，俄 罗斯 已研发 了一种 模拟井 下 钻井环境下对整套井底钻具组合进行直接检测试验 的装置 ，但这套装置用于钻井液钻井。国内对气体 钻井钻具失效试验研究方面的研究和报道不足 ，而 且现有的气体钻井钻具失效的试验研究也存在模拟 钻具失效形式单 一的问题 ，例如黄小兵等 7 1 的气 体钻井钻具冲蚀磨损试验装置只能单一模拟气体钻 井过程中岩屑对钻具的冲蚀磨损，不能完全真实地 反映钻具失效的情况。王敏生 只研究了气体钻 井条件下钟摆钻具组合运动规律的模拟试验 ，姚清 添等 研究 的钻柱模型试验平 台则侧 重钻柱参数 测量 ，都未涉及钻具失效方面。 综合来看，国内外对气体钻井钻具失效研究的 重点在理论分析和计 算机数值模拟 等技术应 用上 ，关于气体钻井钻具失效的试验研究都还处于 不成熟阶段。因此 ，对气体钻井钻具失效进行试验 探索 ，从而设计 出气体钻井钻具失效的试验方案对 预防钻具失效，大规模应用气体钻井技术有十分重 要的现实意义。笔者采用模型试验方法研制了用于 模拟气体钻井钻具失效研究的多功能试验装置 ，阐 述了气体钻井钻具受冲蚀磨损及振动疲劳断裂失效 研究 的试验方案。 1 多功能试验装置 1 ． 1 原 理 气体钻井钻具冲蚀磨损模拟是利用风机产生的 空气流携带砂粒冲刷钻柱 、接头及套管 ，用风机风 量模拟气体钻井过程中气体的注气量，用加砂量模 拟气体钻井过程中的机械钻速 。 气体钻井钻具振动疲劳断裂所受载荷是利用液 压传动技术通过调节液压油的压力、流量来模拟控 制施加给钻具的横 向、纵向和扭转振动所受载荷。 采用无线遥测动态应变测试分析系统进行测试。 基金项目中石化项目 “ 气体钻井中钻具失效安全评价技术研究”的部分内容。多功能试验装置及试验方法已申报国家专利 ，专 利 申请号 2 0 1 0 2 0 6 2 2 0 7 4 ． 6和 2 0 1 1 1 0 0 0 9 8 7 4 ． X。 2 0 1 1 年第 3 9卷第 1 1期 王钱钱 等 气体钻 井钻具失效研 究的试验设计 受到试验条件的限制，试件无法使用现场使用 的真实钻具 ，所以试验用试件必须按 比例缩小 ，而 试验参数也需要根据试件缩小的比例进行确定。 根据相似理论 ，在结构动力模型试验 中模型的 相似条件主要有以下 3个 惯性力相似、弹性力相 似和重力相似 。若要满足 3个相似条件则必须满足 以下 2个关系惯性力弹性力相似和惯性力重力相 似。由于试验台模拟的钻铤或钻杆 自身的重力与整 个钻具结构的重力相比仅是极小的一部分 ，所以其 自身重力可忽略，试验中考虑惯性力与弹性力相 似 ，而不考虑重力相似。根据相似理论 的推导 ，结 合普光气田现场钻具失效调研和试验台搭建的具体 条件 ，模型钻具与真实钻具尺寸 比为 1 -5 ，二者 转速比为 5 1 ，受力 比为 1 2 5 。 1 ． 2 结构 模拟气体钻井钻具失效的多功能试验装置由送 气混砂系统、动力系统 、传动系统 、测试 系统及循 环系统组成，其结构如图 1 所示 。 2 2 2 0 2 4 21 ／ 开式套管 、套管、井架及降尘装置等组成 。 1 ． 3 主要参数 以钻铤为试验对象，模拟气体钻井钻具失效 的 多功能试验装置的主要参数如下。 装置的外形尺寸 长 x宽 高 6 3 0 0 m m x 2 3 6 6 mm x 5 05 0 mm ； 井筒 6 6 mm摸拟井筒 3 3 0 mm； 钻铤 外径 3 5 ． 5 6 mm模拟外径 1 7 7 ． 8 m m 7 i n ， 内径 1 4 ． 4 m m模拟内径 7 1 ． 4 4 i n ／ l l 2 1 3 ／ 1 6 i n ； 高度 5 ． 4 m， 用 3 根钻铤连接模拟2 7 m高度； 钻铤转速 3 2 5 、4 0 0 、4 5 0和 5 0 0 r ／ m i n 4个等 级 ，分别模拟 6 5 、8 0 、9 0和 1 0 0 r ／ rai n 4种转速 ， 功率为 3 0 0 0 m钻机转盘相应转速功率的 1 ／ 2 5 ； 钻铤所受拉力 拉力为 1～ 7 k N模拟 2 5～1 7 5 k N。其中模拟 8 51 1 2 m处需提供的拉力为 1～ 2 k N，模拟 1 4 2～1 6 8 m处需提供拉力为 5～ 7 k N； 排气量 2 0～ 6 0 m ／ ra i n 标准状态 ； 砂粒粒径 8 mm； 注砂量 5 ． 0 5 0 ． 0 k g ／ m i n 。 2 气体钻井钻具失效试验方法设计 2 ． 1 试验台试验项 目 图 1 多功 能试 验 装 置 结 构 示 意 图 1 一水泥基础 ；2 一试件 ；3 一对开式套管 ；4 一套管 ； 5 一 旋 转 头 ； 6 一 井 架 ； 7 一 扭 矩 转 速 变 送 器 ； 8 一 油 马达 ； 9 一 拉压力传变送器 ； 1 O 一 位移变送器 ； 1 1 一 油缸 ； 1 2 一 液压 站 ； 1 3 一 径向加 压装 置 ； 1 4、 1 8 、 1 9、 2 2 、 2 5 一 阀门 ； 1 5 一旋 风分离 器 ； 1 6 一送料 器 ； 1 7 ～ 降尘装 置 ； 2 0、 2 7 一 压力 变送 器 ； 2 1 一 流 量传 感器 ； 2 3 一 大风 机 ； 2 4 一 小风 机 ； 2 6 一 流量 变 送器 ； 2 8 一 空压机 ； 2 9 一 电动 机 ； 3 0 一遥测 控制显 示记 录系统 。 送气混砂 系统由送料器 、旋风分离器及风机组 等组成 ；动力系统 由电动机 、旋转头及径 向加压装 置等组成；传动系统由油马达、油缸及液压站等组 成，其中液压站由油箱、油缸、油马达、过滤器、 电动机、油泵、压力表、换向阀、调压阀、调速阀 和安全阀组成 ；测试系统 由扭矩转速变送器 、拉压 力传变送器、位移变送器、压力变送器、流量传感 器、流量变送器、压力变送器及遥测控制显示记录 系统等组成；基础循环系统由水泥基础、试件、对 根据钻具失效的主要形式 ，针对气体钻井钻具 受冲蚀磨损和振动引起的钻具疲劳断裂的现象提出 3个试验项 目①振动受力试验 ，测试模型钻具在 气体钻井工况下 受到的拉应力 、弯 曲应力和剪应 力 ，并记录此 三者随试验时 间的变 化而发生的变 化；②冲蚀磨损试验，测试模型钻具在气体钻井工 况下 ，试件受到的冲蚀磨损而产生的磨损量和冲蚀 磨损对钻具受力的影响；③疲劳断裂测试，测试模 型钻具在气体钻井工况下，钻具受到不同的应力和 携砂冲蚀的情况下 ，钻具疲劳断裂的时间。 2 ． 2 试验实现方法 2 ． 2 ． 1 振动 受力试验 钻铤横 向、纵向和扭转振动所受轴向力 、扭矩 和转速的模拟由动力系统和传动系统提供。动力系 统 中电动机产生风机组启动所需 的动力 ，旋转头带 动套管和试件旋转 ，径向加压装置提供试验所需压 力范围。传动 系统 中油马达提供钻 井试 验所需扭 矩 、转速 ，并将动力系统产生的旋转运动和压力传 递给固定在井架顶部 的油缸 ，油缸的上下运动带动 钻具实现模拟钻具的起下钻和振动过程。 2 ． 2 ． 2冲蚀磨 损试验 钻铤所受岩屑冲蚀磨损的模拟由送气混砂系统 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 1 1 期 实现 。送气混砂 系统中大风机 、小风机和空压机组 成的风机组产生空气流 ，经压力变送器和流量变送 器 ，压力变送器调节控制风压和流量 ，产生的空气 流通过送料器和旋风分离器送达试件中。空气流携 带砂粒冲刷钻柱 、接头及套管 ，用风机风量模拟气 体钻井过程中气体的注气量 ，用加砂量模拟气体钻 井过程中的机械钻速。根据试验中开启 、关闭风机 的时间及试验前后钻铤失重即可找 出钻铤受冲蚀磨 损的相关规律 。 2 ． 2 ． 3 疲 劳断裂测试 在振动和冲蚀磨损的工况下 ，钻具发生疲劳断 裂。试验过程 中，各种试验参数的显示与记录由无 线遥测动态应变测试分析系统完成 。测试系统中扭 矩转速变送器 、拉压力传变送器 、位移变送器将试 件的扭矩 、转速、压力和位移变量数据传送给遥测 控制显示记录系统。试验时功率及钻具所受应力 、 变形等相关数据也通过遥测控制显示记录系统进行 采集 、记录和显示 。 3 试验装置应用 试验装置经过安装调试后 ，在标准状态下注气 量为 2 0 I l l ／ rai n时 ，以粒径 1 IT l m的石英砂作磨粒 ， 流量计显示数据稳定 ，无漏气 ，无粉尘 ，噪声小 ， 较好地模拟了气体钻井过程中气体携岩对钻具造成 的冲蚀磨损工况；试验钻铤能够在动力系统和传动 系统带动下快速启动 ，以所需模拟速度稳定运转 ， 并能够实现灵活正反转 、起下钻制动控制 ；无线遥 测动态应变测试分析系统能够对钻铤所受拉应力 、 弯曲应力等试验数据进行采集、记录和显示。 4 结 论 1 气体钻井钻具失效 的多功 能试验装 置可 以在模拟气体钻井过程 中气 体携岩冲蚀钻具 的同 时，能够模拟气体钻井钻具受横向、纵向和扭转振 动等复杂的受力工况和疲劳断裂试验 ； 2 多功能试验装置 以相似理论为基础采用 模型试验 ，建立模拟试验台架进行模拟试验 ，其结 果可以推广应用到现场 实际钻具上 ，具有研究方 便 ，操作安全 ，结论可靠的优点 3 液压传动元件 的快速启动 、制动和频繁 换向的优点 ，使得气体钻井钻具模拟试验过程中可 实现钻具迅速的起下钻 、旋转和制动 ，还可实现远 程 自动控制 ； 4 采用 无线遥 测动 态应 变测试 分析 系统 ， 提高了试验的效率和可靠性 ，可以得到准确的测试 数据 ，采集的数据能在计算机 中直接进行处理 ，绘 制出各参数随时间变化的曲线及数据报表 ； 5 试验装 置的各系统集成度 高，结构简单 紧凑 ，并且管道封闭，运行噪声小 ，功能多样 ，为 研究气体钻井钻具疲劳断裂失效等气体钻井过程中 遇到的相关问题提供了方便的研究平台，因此很适 宜气体钻井钻具相关研究部门和高校实验室使用。 参考文献 孙君君，魏钢，宋胜南 ．气体钻井技术发展综述 [ J ]． 勘探开发 ，2 0 0 8 4 2 2 2 3 ． 刘合，杨智光，张书瑞，等 ．大庆油田气体钻井 技术研 究与应 用 [ J ]．大庆石 油 地质与 开发 ， 2 0 0 9 ，2 8 5 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6 1 0 5 0 0 四川省成都市。 Ema i l w 0 9 1 0 0 5 1 6 3 ． c o rn 。 收稿 日期 2 0 1 1 0 91 3 本文编辑刘峰 ] ] ] j ] ] ] O 1 I二 寸l