气体钻井钻铤磨损后的安全性分析.pdf
第 3 9卷 第 6期 2 O 1 1年 1 1月 石 油 钻 探 技 术 PETR I EUM DRI LI I NG TECHN1 QUES Vo1 . 3 9 No. 6 NO V., 2 O1 1 . _ 钻 采机械 d o i 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1 0 8 9 0 . 2 0 1 1 . 0 6 . 0 2 2 气体钻井钻铤磨损后的安全性分析 祝 效华 , 刘少 胡 , 陈绍安 , 单代维 , 闫明明。 1 .西南石油大学机电工程学院 , 四川成都 6 1 0 5 0 0 ; 2 .中国石油川庆钻探工程 有限公司川东钻 探公 司 , 重庆 4 0 0 0 2 1 ; 3 .大 港油田 集团 中成机械制造有限公司 , 天津 3 O O 2 8 0 摘要 气体钻 井中, 由于缺少钻井液润 滑, 钻铤 与井壁容 易发生剧烈摩擦 碰撞 , 导致钻铤 快速 磨损 , 严 重时造 成钻具 失效。首先 , 分析 了钻铤磨损形貌 , 发现主要 有均 匀磨 损 、 一侧偏 磨和 两侧 偏磨 3种情 况。然后 , 针 对气体 钻 井钻铤磨损较 为严重的 问题 , 基于川 东北地 区 L J 一 1井 NC 6 卜9 O钻铤 磨损失效数据和 剩余 强度 、 剩余 强度 率、 强 度校核 、 安全 系数方法 , 建立 了磨损后钻铤的有 限元模型 , 对钻铤 均 匀磨损 、 一侧偏 磨和两侧偏磨后 的剩余强度 、 剩 余 强度 率和安全 系数 进行 了计算分析 。结果表明 ; 钻铤 磨损 后剩余 强度 降低 较快 , 磨损较 严重钻铤 的强度和安 全 系数较低 , 其原 因为磨损钻铤壁厚局部 变薄, 且在钻 井过程 中承受 非均 匀载荷 。建议 气体 钻井采 用低 转速 的空气 锤钻 井工艺, 也可适 当使用 气体钻 井专用稳 定器, 并加 强对磨损钻铤 的管理 。 关键词 气体钻井 钻铤 磨损 安全分析 剩余 强度 强度校核 中图分类号 T E 9 2 1 . 2 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 - 0 8 9 0 2 0 1 1 0 6 - 0 0 9 5 0 4 S a f e t y An a l y s i s o n W o r n Dr i l l Co l l a r i n Ga s Dr i l l i ng Zhu Xi a o hu a , Li u S h a o hu , Ch e n S ha o a n , S ha n Da i we i 。 , Ya n M i ng mi n g 1 . C o l l e g e o f Me c h a t r o n i c En g i n e e r i n g,S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y,C h e n gd u,S i c h u a n, 6 1 0 5 0 0, C h i n a; 2 .Ea s t e r n Si c h u a n Dr i l l i n g Ex pl o r a t i o n Co . , CNPC C h u a n q i n g Dr i l l i n g En gi n e e r i n g Co mpa n y Li mi t e d, C h o n g q i n g, 4 0 0 0 2 1 , C h i n a; 3 .Zh o n g c h e n g Ma c h i n e r y Ma n u f a c t u r i n g Co . Lt d. , Da ga n g 0i l f i e l d Gr o u P, Ti a n j i n, 3 0 0 2 8 0 , Ch i n a Ab s t r a c t I n g a s d r i l l i n g , s e v e r e f r i c t i o n a n d c o l l i s i o n ma y o c c u r b e t we e n d r i l l c o l l a r a n d we l l wa l 1 d u e t o t he l ac k o f t he l u br i c a t i on o f d r i l l i ng f l ui d . The r e f o r e t he d r i l l c o l l a r we a r s r a pi d l y, a nd ma y c a u s e f a i l u r e un de r c ompl e x 1 o a d s . The wor n mo r p ho l o gy o f d r i l 1 c ol l a r wa s a na l y z e d a nd r e s ul t s s ho we d t ha t t he r e a r e u ni f or m we a r。 o ne s i de w e a r a nd t wo s i de we a r .On t he ba s i s o f d a t a o f NC6 1 - 9 0 d r i l l c o l l a r f a i l u r e o f W e l 1 L J 一 1 i n n o r t h e a s t e r n S i c h u a n a n d t h e o r y o f r e s i d u a l s t r e n g t h, r e s i d u a l s t r e n g t h r a t i o a n d s a f e t y f a c t o r , a f i ni t e e l e m e nt mo de l wa s e s t a bl i s he d .The r e s i d ua l s t r e ng t h, r e s i d ua l s t r e ng t h r a t i o a n d s a f e t y f a c t or we r e c a l c u l a t e d f o r un i f o r m , on e s i d e a nd t wo s i d e we a r r e s pe c t i v e l y .The s i m ul a t i o n r e s u l t s s h owe d t ha t t h e wo r s e o f t h e d r i l l c o l l a r we a r , t h e r e s i d u a l s t r e n g t h d e c l i n e s q u i c k e r a n d t h e s t r e n g t h a n d s a f e t y f a c t o r we r e l o we r . The r e a s on W3 S t ha t t he n on un i f o r m l o a d ha p pe ne d t o t he wo r n d r i l l c o l l a r whi l e dr i l l i n g, b e c a us e o f t h e r e duc e d l o c a 1 t h i c kn e s s o f wo r n dr i l l c ol l a r . I t i S s u gg e s t e d t o u s e l O W r o t a t e s pe e d of a i r ha m me r o r t he s ui t a bl e s t a bi l i z e r i n t he pr o c e s s o f g a s dr i l l i n g, a s we l l a s s t r e ng t he n t he m a n a ge me nt o f wor n d r i l l c o l l a r . Ke y wo r d sga s d r i l l i ng; dr i l l c o l l a r; we a r ; s a f e t y a na l y s i s ; r e s i du a l s t r e n gt h; s t r e ng t h c h e c k 气体钻井 因其在钻井提速、 发现和保护油气层 、 防漏等方面有优势 , 而在 国内外被广泛应用 。J 1 l 渝 地区气体钻井实践表明, 相 比于常规钻井液钻井 , 气 体钻井平均机械钻速提高 2 ~1 4倍_ 1 ] 。但是 , 气体 钻井时钻具容 易因摩擦磨损等原 因而失效r 2 ] 。其 中, 钻铤失效发生的概率很高 , 如文献[ 7 ] 统计 的 4 5 起钻具失效事故中, 钻铤失效 1 3起 , 占失效总数 的 2 8 .9 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 一 O 7 ; 改 回日期 2 0 l 1 1 O 一 1 ] 。 作者简介 祝效华 1 9 7 8 一 , 男, 山东菏泽人 , 2 0 0 0年毕业 于西 南 石 油学院机械制造专业 , 2 0 0 5年获西南石油大学机械设计及理论专业 博士学位 , 副教授 , 主要从事杆管柱力学及井下工具等方面的科研工作。 联 系方式 0 2 8 8 3 0 3 7 2 2 6 , z x h t h l 1 3 1 6 3 . c o in。 基金项 目 国家 自然科学基金项 目“ 气体钻井钻具与井壁碰摩机理 及量化评价方法研究” 编号 5 0 8 0 4 0 4 0 部分研 究内容; 国家 自然科学基 金项 目“ 高温 腐蚀环境 下套 管的结构 完整性评 价方 法研 究” 编 号 5 1 0 0 4 0 8 2 和油气藏地质及开发 工程国家重点实验室开放基金项 目“ 高 温腐蚀环境下热采井井筒的结构完整性评价研究” 编号 P L N0 9 1 2 资助。 石 油 钻 探 技 术 目前 , 关于气体钻井钻铤失效问题的研究 , 主要 集 中于钻铤 失效 机 理分 析 和 预 防措 施 研 究 方 面 , 对 钻铤基于剩余强度、 剩余强度率、 强度校核和安全系 数等的安全评定研究较少 。磨损后 , 钻铤壁厚变薄、 钻铤等级降低 , 再下井易塑性变形或断裂 , 所以有必 要对其进行安全性评估 , 以有效预 防或减少钻铤断 裂 失效 事故 的发 生 。 1 钻铤磨损后 的形貌 现场钻铤摩擦磨损主要有均匀磨损 、 一侧偏磨 和两侧偏磨 3种形式 , 其磨损后 的结构如 图 1 图 中 0 为钻铤 轴 心 , d为 钻 铤 外 径 , b 和 b 。 为 钻铤 两 侧 磨损 的最 大厚 度 所 示 。 a 钻铤均匀磨损 ◇ b 钻铤一侧偏磨 c 钻铤两侧偏磨 图 1 现场钻铤磨损形式 Fi g .1 S c h e ma t i c s o f wo r n dr i l l c o l l a r 钻铤安全评价方法 笔者应用剩余强度、 剩余强度率、 强度校核和安全 系数方法 对磨损后钻铤 的安全性能进行 了评价 。 磨损后钻铤剩余强度 0 r r 是指钻铤材料的屈服强 度减去磨损后钻铤 的最大等效应力强度 , 其关系式为 r一 口 一 R 1 式 中 为剩余强度 , MP a 为钻铤钢材 的屈服强 度, AP I 规范的钻铤最小 屈服强度为 6 8 9 MP a ; 为磨损后钻铤的最大等效应力强度 , MP a 。 剩余强度率 一Or 1 0 0 2 s 式中 为剩余强度率 , 。 若剩余强度 一 0 , 即钻铤内的最大等效应力 强度等于钻铤的屈服强度 , 此时钻铤进入塑性状态 。 根据应力强度 对 磨损后 的钻铤进 行强度校 核, 其计算公式为; 1 一 一 嘞 一 。 一 3 式中 o -i 为应力强度 , MP a ; a r 为径向应力强度, M _ P a ; 嘞 为周 向应力强度 , MP a ; a 为轴 向应力强度 , MP a 。 若 0 - i 则钻铤处 于弹性状态 , 否则处于塑性 状 态 。 因为应 力 从 钻铤 内壁 到外 壁是 变 化 的 , 因此 取 其最大值进行安全系数的计算 。 S 一 4 O “ i ma 式中 S 为安全 系数 ; 为截面上 的最大应力 , MP a 。 3 实例计算分析 川东北 地 区L J 一 1 井 大 尺寸 钻铤 失 效 居 多[ 7 ] , 基 于此 对磨损 后 的 NC 6 1 - 9 0钻 铤进行 了安全 性分 析 , 对该钻铤均匀磨损、 一侧偏磨和两侧偏磨情形下的 剩余强度 、 剩余强度率和安全系数分别进行 了计算。 其有限元力学模型如图 2 所示 钻铤一端固定一端 自 由, 自由端受轴向载荷 F和一个周向的扭矩 M 。 I F 图 2钻 铤 有 限 元力 学 模 型 Fi g . 2 F EM M e c ha n i c a l mo d e l of d r i l l c o l l a r 3 . 1 钻铤磨 损对 剩余 强度 的影响 为了进行对比, 首先计算了扭矩 6 k N m下未 磨损钻铤在不同轴向载荷下的剩余强度; 然后计算 了钻铤均匀磨损 4 3 , 5 3和 6 3 mm时的剩余强度 ; 并 对钻铤一侧偏磨 3 8 , 5 3和 6 3 mm 时的剩余强度进 行了计算 ; 最后对钻铤两侧分别偏磨 5 2和 4 3 , 5 2和 4 8 , 5 2和 6 3 mm的剩余强度进行了模拟, 结果见图 3 。 从图 3可看出, 随着钻铤均匀磨损 、 一侧偏 磨和两 第 3 9卷第 6 期 祝 效华等. 气体钻 井钻铤磨损后 的安 全性 分析 侧偏磨厚度的增加 , 钻铤剩余 强度依次 降低 , 两侧 偏磨后 的钻铤剩余强度明显小于一侧偏磨和均匀磨 损钻铤 的剩余强度 。管壁较薄的钻铤偏磨和均匀磨 损将会导致剩余强度 降低较快 , 易引起钻 铤失效。 NC 6 1 9 0钻 铤 管 壁 较 厚 壁厚 为 7 8 . 6 ram 两 侧 分 别偏磨 5 2和 6 3 i iT l , 钻铤剩余强度降低非常 明显 , 轴 向载 荷 5 0 0 k N 时 , 钻铤 剩余 强 度 为 5 6 6 . 8 MP a , 剩余强度率为 8 2 . 3 。 墨 \ { 醚 骥 始 熏 轴向载荷/ k N -I 1 -未磨损 均匀磨损6 3 mm _ 一 均匀磨损5 3m m 均匀磨损4 3 m m _ 。 _一侧偏磨6 3 m m, 一侧偏磨5 3 mm 一 侧偏磨3 8 mm - g -两侧分别偏磨5 2 , 6 3 mm 两侧分别偏磨5 2 , 4 8 m m } 两侧分别偏磨5 2 , 4 3 mm 图 3轴向载荷对钻铤剩余强度的影响 Fi g .3 The e f f e c t o f a x i a l l o a d on r e s i d ua l s t r e ng t h o f dr i l l c o l l a r 扭矩对钻铤剩余强度的影响的计算结果见 图 4 。 由图 4可 知 , 钻 铤 均匀磨 损 、 一 侧偏 磨 和 两 侧偏 磨 3 种工 况 下 , 轴 向载 荷为 2 0 0 k N, 扭 矩小 于 1 O k N m 时随着扭矩的增大剩余强度降低较缓慢 , 而扭矩大 于 1 0 k N m 时 随着扭矩 的增大剩余强度 降低较 快 。分析可知 , 两侧偏磨钻铤剩余强度相对一侧偏 磨和均匀磨损剩余强度降低较快 。N C 6 1 - 9 0钻铤两 侧 分别偏磨 5 2和 6 3 mm 时 , 轴 向载荷 为 2 0 0 k N, 扭 矩为 4 0 k N I T l 时其剩余 强度 为 3 1 9 MP a , 剩余 7 0 0 6 0 0 量5 0 0 越 囊 4 0 0 熏 3 0 0 2 0 0 , 两侧分别偏磨5 2 , 4 8 mm . 两侧分别偏磨5 2 , 4 3 r a m 2 O 3 O 4 0 扭矩/ k N m 图 4 扭矩对钻铤剩余 强度的影响 Fi g . 4 The e f f e c t o f t o r q u e f or r e s i du a l s t r e ng t h 强度 率 为 4 6 . 3 。由此 看 出 , 与 轴 向载 荷 相 比, 扭 矩对 钻铤 剩余 强度 和剩余 强度 率 的影 响较 大 。 3 . 2 磨 损钻铤 强度 校核 为进 一 步对 磨 损 钻铤 进 行 安全 性 分析 和 评定 , 基于保守算法 , 只对钻铤两侧分别偏磨 5 2和 6 3 , 5 2 和 4 8 , 5 2和 4 3 mm等 3种磨损较严重 的钻铤进行 了应力 计算 , 结果 如 图 5 所 示 。由图 5可 知 , 3种磨 损 钻铤 在计 算扭 矩 范 围 内应 力 虽 小 于其 屈 服强 度 , 但在实际钻井过程 中钻铤承受瞬时纵横弯扭振动 、 还要承受钻具涡动和空气锤高频冲击引起的瞬时冲 击 载荷 。在 多种 载荷 耦 合 和 瞬 时加 载 过 程 中 , 钻 铤 应 力强 度急 剧上 升 , 钻铤 易 发生塑 性变形 。 曼 \ 趟 骥 - R 瑙 图 5 扭矩对钻铤应 力强度的影响 Fi g . 5 The e f f e c t o f t o r qu e o n s t r e s s i n t e n s i t y o f dr i l l c o l l a r 3 . 3 磨 损钻铤 安 全 系数 磨损 钻铤 安全 系数 随扭矩 增加 而变化 的 曲线 如 图 6所 示 。对 未 磨 损 钻 铤 、 均 匀 磨 损 6 3 mm、 一 侧 偏磨 6 3 mit t 和两侧 分别 偏磨 5 2 , 6 3 mm 钻铤 , 计 算 了其 安全 系数 , 结果 见 图 6 。由 图 6可 知 , 随着 扭 矩 增大 , 安全 系数 降低。两侧分别偏磨 5 2和 6 3 mm 时钻 铤 的安全 系数最 小 , 在扭矩 为 2 0 k N m 时 , 其 安全系数接近 2 . 5 , 如考虑波动载荷和冲击的作用 , 1 2 O 1 O 0 8 O 籁 1 l {; 6 O 帐4 0 2 0 0 2 0 3 O 扭矩/ k N m 图 6 钻铤扭矩与安全 系数 Fi g . 6 The t o r qu e an d s a f e t y f a c t o r o f d r i l l c o l l a r 9 8 石 油 钻 探 技 术 2 O 1 1年 1 1月 在钻井过程中易发生塑性变形或者断裂失效 。 通过对磨损钻铤剩余强度 、 剩余强度率 、 强度校 核和安全系数的安全评定发现 , 相对于未磨损钻铤, 不 同形貌 的磨 损钻 铤在 服役过 程 中强度呈 现 出不 同 程度的下降。分析钻铤磨损引起强度降低的主要原 因 , 认 为表现 在两 方面 1 磨损 后 的钻铤 由于磨 损量 较大 , 钻铤壁厚局部减薄, 承载能力降低, 使用等级 降低 ; 2 磨损后钻铤的外表面呈不规则状, 在服役过 程 中钻铤 承受非 均匀 载荷 。 3 . 4 磨损 钻铤 失效模 式 图 7为 钻 铤 磨 损 后 应 力 云 图 。从 图 7可 以 看 出 钻铤均磨应力分布比较均匀 , 应力主要集 中在钻 铤的外表面 , 钻井过程 中钻铤易发生弯曲变形或者 整体塑性变形 ; 钻铤一侧偏磨和两侧偏磨应 力主要 集 中在偏 磨 区域 , 形 成 了应力 带 , 其 中两侧 偏磨 中应 力峰值主要分布在偏磨量较大的区域。磨损使钻铤 壁厚减薄, 由此造成钻铤螺纹连接部位强度减低, 这 样 钻铤 易产 生裂 纹 , 发 生 疲 劳断 裂 。这 些 钻 铤失 效 模式与现场钻铤失效部位相吻合 ] 。 应力 / MP a A v g 7 5 % 应力 / MP a Avg75% o a 钻铤均匀磨损 b 钻铤一侧偏磨 c 钻铤两侧偏磨 图 7钻铤均匀磨损和偏磨应力云图 Fi g . 7 Th e s t r e s s di s t r i b u t i o n f o r un i f o r m an d e c c e nt r i c we a r o f d r i l l c o l l a r 4 结论 与建议 1 钻铤磨损后剩余强度降低较快 , 磨损较严重 钻铤 的强度和安全系数较低 , 数值模拟失效部位与 气体钻井钻铤易失效部位相吻合 。 2 磨损是引起钻铤失效的主要原 因之一 , 为减 小钻铤失效概率, 建议气体钻井采用低转速 的空气 锤钻 井工 艺 , 低 转速 空 气 锤钻 井 工 艺 可在 很 大 程 度 上减小钻挺磨损, 也可适当使用气体钻井专用稳定 器 。建议油田企业通过计算使磨损钻铤使用载荷不 超 过其 最大许 用载 荷 , 并 加 强对 在 役 钻铤 的探 测 及 管理, 制定磨损钻铤的使用标准 。 参 考 文 献 Re f e r e nc e s [ 1 ] 艾惊涛 , 余锐 , 廖兵 , 等. 四川油气 田气体钻井技 术现状及发 展 方向[ J ] . 天然气工业 , 2 0 0 9 , 2 9 7 3 9 4 1 . 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