套管钻井中套管疲劳损伤模型研究.pdf

2 0 1 0 年第 3 9 卷 第 1 O期第 1 页 石 油 矿 OI L FI ELD 场机 械 EQUI P MENT 2 0 1 0， 3 9 1 O 1 ～4 o o 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 O 1 0 1 0 0 0 0 1 0 4 套管钻井中套管疲劳损伤模型研究 李文飞 ， 周延军 ， 饶冬。 ， 于承朋 1 ． 胜利石油管理局 钻井 工艺研究 院， 山东 东 营 2 5 7 0 1 7 ； 2 ． 宝鸡石油 机械有 限责任公司 成都装备制造分公司 ， 成都 6 1 0 0 5 1 摘要 根据套管材料的疲劳应力寿命曲线推导出了套管构件的疲劳应力寿命曲线； 结合疲劳损伤理 论， 通过定义套管疲劳损伤量和疲劳损伤强度 2个基本参数， 对套管疲劳损伤进行度量 ， 建立 了套 管疲劳累积损伤计算模型。由现场套管钻井实例分析结果可知 ， 位 于井 12 的套 管疲劳损伤程度最 大； 采用单因素分析法， 当转速一定时， 套管的疲劳损伤 随着井深的增加而减 小； 当钻压固定不 变 时， 套管的疲劳损伤随转速的增大而增大。该模型对于套管的疲劳损伤评估具有重要的指导意义。 关键词 套管钻井； 套管； 疲劳； 损伤； 应力循环 中图分 类号 T E 9 3 1 ． 2 0 2 文 献标识 码 A S t u d y o f Fa t i g u e Da ma g e M o d e l o f Ca s i n g i n Ca s i n g Dr i l l i n g L I We n f e i ， ZHOU Ya n j u n ， RAO Do n g ， YU Ch e n g p e n g 1 ． Dr i l l i n g Te c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e， S h e n gl i Pe t r o l e u m Admi n i s t r a t i o n， Do n g y i n g 2 5 7 0 1 7， C h i n a； 2 ． Ch e n g d u Eq u i p me n t Ma n u f a c t u r i n g Br a n c h Co mp a n y， Ba o j i Oi l f i e l d Ma c h i n e r y Co ． ， Lt d ．， Ch e n g d u 6 1 0 0 5 1 ， Ch i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e s t r e s s l i f e c u r v e of c a s i n g m a t e r i a l ， s t r e s s l i f e c u r ve o f c a s i ng c o mpo n e nt i s de du c e d． The n a c c o r d i n g t o f a t i gu e d a ma g e t he o r y， t wo pa r a me t e r s of f a t i g ue da m a ge i n o ne s t r e s s c y c l e a n d f a t i gu e d a ma g e s t r e ng t h o f c a s i n g s t i ng we r e de f i n e d， S O c a l c u l a t i on mo de l o f c a s i n g f a t i gu e da m a ge wa s e s t a bl i s he d． Th e a na l y s i s r e s ul t s o f c a s i ng dr i l l i ng s h owe d t ha t t he f a t i g u e da m a ge o f c a s i n g s t r i n g i n we l l h e a d wa s t he mos t s e r i o us ． By a n a l ys i s m e t h od o f s i ng l e f a c t ， whe n t he r o t a t i o n s pe e d wa s c o ns t a n t ， t he f a t i gu e d a ma g e o f c a s i ng s t r i n g i n on e s t r e s s c y c l e d e c r e a s e s wi t h we l l de pt h i n c r e a s i ng ． Th e f a t i gu e d a ma g e i nc r e a s e d wi t h t he r o t a t i o n s pe e d i nc r e a s i ng whi l e t he pr e s s ur e wa s ke pt c on s t a nt ．I t i s s i gn i f i c a n t f o r f a t i g ue d a ma ge e va l ua t i on o f c a s i n g s t r i ng du r i n g t h e c o ur s e o f c a s i n g d r i l l i ng ． Ke y wo r d s c a s i n g d r i l l i ng； c a s i ng； f a t i gu e； d a m a ge ； s t r e s s c y c l e 套管钻井技术是用套管作为钻柱边钻进边封隔 地层 ， 将机械动力和液压动力传给钻头实现钻进和 钻井液 循环 ， 钻 达设 计 井 深后 再 进 行 固井 的 钻井 方 法。以套管叫代替钻杆作为钻柱进行 钻进 ， 套管 同 样 会 受到 拉 、 压 、 弯 、 扭 等 复 合 交 变 应 力 跚 的作 用 ， 也 会 和常 规 钻 杆 一 样 发 生 疲 劳 失 效 ， 一 旦 套 管 发 收 稿 日期 2 0 1 0 0 4 - 2 0 基金项 目 国家科技重大专项 2 O O 8 z x O 5 O 2 2 ； 中石化集 团公 司项 目 P 0 6 0 6 6 作者简介 李文飞 1 9 7 8 一 ， 男 ， 山东菏泽人 ， 工程师 ， 博士 ， 现从事钻井工程设计技术研究 ， E ma i l l i w e n f e i s l o f ． c o rn。 石 油矿 场 机 械 2 O 1 O年 1 O月 生疲劳失效 则会导致严 重后果 ， 造成 巨大的经 济 损失。 1 套管构 件的疲劳应 力寿命 曲线 1 ． I 非对 称循环 应 力状态 下的疲 劳应力 寿命 曲线 表征应力 与循环使用寿命关系曲线称为应力寿 命曲线， 是进行疲劳损伤研究时的重要参数 ， 通常是 在对称 循环 应力 状态【 3 下 通过试 验得 出 ， 即 N a k_ 1 N0 一C 1 式 中， 、 N 为对称 应力 循 环 条件 下 套 管柱 受 到 的应 力和该 应力 作 用下 套管 柱 的疲 劳循 环 寿命 ； 6 r 一 、 No 为对称应力循环条件下套管柱的疲劳极限和 一 对 应的套管柱疲劳循环寿命 ； C为常数。 套管柱在钻井过程中处于非对称应力循环_ 4 ] 状 态， 为了有效利用套管疲劳应力寿命曲线进行分析 ， 需将非对称循环应力等效为对称循环应力， 即 一 0 “a 2 式中， 为对称应力循环的应力幅值。 将式 2 代人式 1 ， 整理得套管在非对称循环 应力 下 的疲 劳 应力寿命 曲线 表达式 为 N 一No a *- 1 3 式中， 为循环应力幅值 ， P a ； 为循环应力均值 ， P a 为套管屈服强度， P a ； 愚为套管构件疲劳应力 寿命 曲线斜率。 1 ． 2 套管构 件疲 劳应 力寿命 曲线 的推导 上述疲 劳应力寿命曲线 只针对套管材料， 与套 管钻井 中套 管 的受 力状态 相差 较大 。确定套 管构件 的疲劳应力寿命曲线的最好方法是进行全尺寸套管 构件的疲劳试验， 但要耗费巨大的人力、 物力 ， 而且 试验周期长。比较常用的方法是用套管材料的疲劳 应力寿命 曲线 推导 出套 管构 件 的疲 劳应 力 寿命 曲线。 根据疲劳应力寿命 曲线的特点 ， 即当横坐标是 套管疲劳寿命的对数值 、 纵坐标是套管应力 的对数 值时， 疲劳应力寿命曲线是一条直线 ； 当套管应力循 环次数 N一1 0 。时， 一 一0 ． 9 a ； 当套管应力循环次 数为其疲劳循环寿命时 ， NNo ， 一 一口 一 。将以 上 2 点 在双对 数坐 标 中标 出并 连 接成 直线 ， 此直 线 即为套管材料寿命在 1 O 。 ～N。 之间的疲劳曲线 ， 其 表 达式为 l g a - N一 1 g 一 1 g 。 ． 9 b 一 l g 一 4 一1 3 8 0 ． 4 6 a b 5 式 中， c r b 为套管屈服强度 ， P a ； N。 为套管疲劳循环 寿命 ， 通 常取 1 O 。 。 综合 考 虑套 管 尺 寸 系数 ￡ 一0 ． 7 7 ， 套 管应 力 集 中系数 K1 ． 6 ， 套管表面加工系数 O ． 9 ， 套管 分散系数 K。 一1 ． 2 ， K。 。 一1 ． 3 ， 可推导出带系数__ 3 ] 的套管构件疲劳应力寿命 曲线表达式为 l g a -- w g l g a -- m 1 g 。 6 一 1 m一 K aD 一 吉 一 即套管构件的疲劳应力寿命 曲线表达式为 l g 仃一 2． 9 7 0． 1 6X l g N 7 式 中 ， 为疲 劳应力 ， P a ； N 为循 环次数 。 2 套管疲劳损伤模型分析 疲劳损伤理论 是估算变应力幅值下套管疲劳 安全寿命的关键理论， 主要包括线性疲劳损伤理论 和非线性疲劳损伤理论。用于表示疲劳损伤的方法 主要有 4种 用 疲劳极 限变化 表示 ； 用后一循 环应力 水平嘲上循环寿命的相对变化表示 ； 用裂纹长度表 示 ； 用最 大应力 和强度 极 限表示 。 目前 ， 由于 Mi n e r 线性疲劳损伤理论刚形式简单， 使用方便 ， 在工程 中 得 到 了广 泛的应用 ， 其理 论公式 为 言 1 一 1 8 z 』 。 式中， 为套管应力循环次数 ； N 为在该级应力水 平下套管达到疲 劳破坏时的循环次数； T ／ 为套管应 力级数 。 研究发现， ∑ T ／ i ／ I 、 苊兀r ． 全等于 1 ， 由于试验材 料和应 力 加 载顺 序嘲 的不 同 ， 使 得 其值 围绕 1上下 波动。因此， 对 Mi n e r线性疲 劳损 伤理论 进行修 正， 可假设其值为 。 ， 即 妻 一a 9 i一 1 i 式中， n为临界损伤值 ， 依据试验材料和试验条件的 不同， 取值不同， 对于套管可取 0 ． 6 8 。 第 3 9 卷第 1 O期 李 文飞， 等 套管钻井 中套管疲 劳损伤模 型研究 根据修 正 的 Mi n e r线 性 疲 劳 损 伤 理 论 对 套 管 进行 疲劳损伤 分析 ， 并且考 虑 了套管材 料 的影 响 ， 结 果将 更加准 确 。由式 3 和式 9 得 圣 一 耋 n i a ．a b k 一 。 ．6 8 t J】v N 一 N 。 1 整理得 一 口 b 一0 ． 6 8 N0 1 1 0 由式 3 和式 1 0 可知 ， 将应力幅值为 、 应力 均值为 的应力循环一次所造成 的疲劳损伤度用 由式 1 O 可以看 出 ， 等 式左 边 是 套 管 的实 际 疲 劳损伤量 ； 右边 0 ． 6 8 N。 是套管疲劳损伤总量 ， 其 中 N。和 一 均 为 常 数 ， 忌可 由 式 7 得 出 ， 因 此 0 ． 6 8 K。 也是 一个 常 数 ， 由此 可 定 义参 数 D 为 套 管疲 劳损伤 强度 疲 劳损 伤极 限 ， 即 D一 ∑ AD 通过以上分析 ， 建立了套管钻井 中套管疲劳损 伤模型 ， 即当套管上 的应力循环一定次数所造成 的 疲劳损伤总量等于套管疲劳损伤强度时， 套管就会 发生疲劳失效。该模型对于套管疲劳损伤分析评估 具 有重要 的理论 意义 。 3 实例分析 套管 串组 合 4 0 6 ． 4 mm 钻 鞋 0 ． 7 9 m十 0 3 3 9 ． 7 ， mm浮箍 0 ． 4 6 mo 3 3 9 ． 7 mm 套管捞 矛_ g ] 连接 套 管与 顶 驱 传输 扭 矩 。钻 井参 数 钻 压 0 ～4 O k N， 转 速 6 0 ～ 1 0 0 r ／ mi n ， 排 量 5 5 ～6 0 L ／ s ， 泵 压 3 ～4 MP a ， 扭 矩 6 ． 7 7 ～ 1 3 ． 5 0 k N m。根 据 文中建立的套管疲 劳损伤计算模型 ， 对套管疲劳损 伤随钻井参数的变化 如 图 1 ～2 规律进行 了单因 素分 析研究 。 由图 1 ～2可 以看 出 ， 位于井 口的套 管单 次疲劳 损伤最大， 当转速一定 时， 随着井深的增加 ， 套管应 力循环一次造成 的疲劳损伤变化趋势是减小 的； 当 钻压保持不变时， 随着转速的增加 ， 套管单次疲劳损 伤逐渐增大。该分析结果对于套管钻井现场嘲套管 疲劳损伤的评估具有重要指导意义 。 可。 鹭 图 1 套管应力单次循环损伤随井深变化 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 转速／r ra i n 图 2 套管应力单次循环损伤随转速变化 4 结论 1 基于套管材料 的疲劳应力寿命 曲线 ， 综合 考虑套管尺寸系数、 应力集中系数 、 表面加工系数和 分散系数 ， 推导出了非对称循环应力状态下套管构 件的疲劳应力寿命 曲线。 2 针对 Mi n e r 线性疲劳损伤理论进行修正 ， 考虑套管材料的影响， 结合套管构件的疲劳应力 寿 命 曲线 ， 建立了套管钻井中套管疲劳损伤计算模型 ， 对于套管钻井 中套管的疲劳损伤评估具有重要的理 论 指导 意义 。 3 实例分 析结果 表 明 ， 套管钻 井 中 ， 位于井 口 的套管单次循环疲劳损伤最大； 转速不变时， 套管应 力循环一次造成的疲劳损伤随着套管深度的增加而 逐渐减小 ； 当钻压不变时， 套管应力循环一次造成的 疲劳损伤随着转速的增大而增大。 参 考 文 献 E l i 赵洪山 ， 闫振来 ， 马广军 ， 等． 深井套管柱安全 可靠性影 响因素分析 E J - I ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 1 2 3 2 7 ． E 2 ] 闫相祯 ， 张殿锋 ， 杨秀娟 ， 等． 表面缺陷深度对套管强 度 影 响规律数 值模 拟 研究 E J ] ． 石油 矿场 机 械， 2 0 0 9 ， 3 8 1 1 1 4 ． 5 O 5 O 5 0 2 2 1 l 0 。 0 _【 、 酶 2 0 1 0年第 3 9卷 第 1 O期第 4页 石油 矿 场机 械 OI L F I E LD EQUI PMENT 文 章 编 号 1 0 01 3 48 2 2 01 0 1 0 0 0 0 4 ～ 0 4 变速驱动抽油机井运行参数变化规律研究 姜 民政 ， 王 慧 。 高 源 。 戴或昕 大庆石油学院 机械科学与工程学院 ， 黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 8 摘 要 利 用变频调速 智 能控 制技 术对 游梁式抽 油机 冲次进行 无级调 节 ， 可以改 变 1个 冲程周期 内的 悬 点速 度与加 速度 ； 建立 了抽 油机 变速运 行 的数 学仿 真模 型 ， 模 拟 出悬点 示功 图和减速 箱输 出轴 扭 矩的变化规律 。计算结果表 明， 变速后减小了悬点载荷中的最大惯性载荷 ， 增大了最小载荷 ， 从而 降低抽 油机 载荷的 波动程度 ； 曲柄扭 矩峰值 降低 ， 可 以选 用 小额 定功 率 电机 ， 使 其 在 较 高 负荷 下 运 行 ， 达 到一定 的节能 效果 。现场试验 测试 结果也证 明 了变频调速 智能控 制技 术数 学模 型 的可靠性 。 关键词 抽 油机 ； 变速 运行 ； 示功 图； 曲柄扭 矩 中图分类 号 TE 9 3 3 ． 0 1 文献标 识码 A S t u d y o n Ch a n g e s o f Op e r a t i n g Pa r a me t e r s o f Va r i a b l e - s p e e d Dr i v e n Pu mp i n g W e l l s J I ANG Mi n z h e n g， W ANG Hu i ， GAO Yu a n ， DAI Yu x i n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g， Da q i n g Pe t r o l e u m I n s t i t u t e ， Da q i n g 1 6 3 3 1 8 ， Ch i n a Ab s t r a c t The v e l o c i t y a nd a c c e l e r a t i o n o f t he s u s pe ns i o n po i n t d ur i n g a s t r ok e c y c l e c a n be c ha n g e d wh e n f r e qu e n c y o f i n t e l l i g e n t c o n t r o l t e c h no l o g y i s u s e d t o a c hi e v e s t e pl e s s r e gu l a t i on of b e a m pu m p i n g u ni t s t r ok e ．Sus pe ns i o n po i n t dy n a mo m e t e r wa s s i mul a t e d a n d t he v a r i a t i on o f g e a r bo x o ut p ut s ha f t t o r q ue wa s ob t a i ne d． t he r e s ul t s s h owe d t h a t t h e m a x i mum i ne r t i a l o a d d e c r e a s e d a nd t he mi n i m u m l o a d i nc r e a s e d ． So t he f l u c t u a t i o n o f pu m p i n g l oa d de c r e a s e d． Th e p e a k c r a n k t o r qu e a l s o r e d uc e d， S O t h a t s ma l l r a t e d p o we r mo t o r c a n b e us e d ．I t wa s us e d un de r hi g h l o a d a n d a c e r t a i n e n e r g y s a v i ng e f f e c t wa s r e a c h e d ． Fi e l d e xp e r i me n t r e s ul t s a l s o s ho we d t ha t t h e ma t he ma t i c a l mod e l o f f r e qu e n c y of i nt e l l i g e nt c o nt r o l t e c hn ol og y wa s v e r y r e l i a bl e ． Ke y wo r d s p u m p i ng un i t ； v a r i a b l e s p e e d o pe r a t i on； i nd i c a t i ng d i a g r a m ； c r a n k t o r qu e 随着 石油 开采 的不 断深入 ， 采油成 本逐 年增加 。 油 田前期 投入使 用 的抽 油机减 速箱输 出轴扭 矩 和悬 E 3 ] E 4 ] E 5 ] [ 6 ] 点载荷 峰值较大 、 周期 载荷 系数较 大 、 动力 学性能 差 等缺点成 为油 田亟待解 决 的问题 。 目前 ， 使 用 较 广 闰相祯 ， 宋根才 ， 许志倩 ， 等． 套管钻井多轴疲劳试验与 可靠性研究E J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 9 ， 3 7 5 卜4 ． 曾春华 ， 邹十践． 疲 劳分析方法及应用 [ M] ． 北京 国防 工 业 出版 社 ， 1 9 9 1 1 1 - 3 5 ． 徐灏． 疲劳强 度设 计 [ M] ． 北 京 机械 工业 出版社 ， 1 9 81 26 6 6． 赵少汴． 常用 累积损伤理论疲 劳寿命估算精 度 的试 验 研究口] ． 机械强度 ， 2 0 0 0 ， 2 2 3 2 0 6 2 0 9 ． [ 7 ] E 8 ] [ 9 ] 宋 生印， 高德 利． 石油套管钻井 中套管柱疲劳寿命实验 研究[ J ] ． 科技导报 ， 2 0 0 7 ， 2 5 2 1 2 7 3 0 ． 况雨春 ， 张宇， 伍开松 ， 等． 套管钻井 中套管柱疲劳寿 命分析方法[ J ] ． 钻采工艺 ， 2 0 0 8 ， 3 1 3 2 5 2 7 ． 牛洪波 ， 胥豪 ， 陈建 隆． 胜 利滩海油 田表层套管 钻井 技术 研究 与 应 用 [ J ] ． 石 油 钻 探 技 术 ， 2 0 0 7 ， 3 5 5 32 3 4． 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 1 6 作者简介 姜 民政 1 9 6 4 一 ， 男 ， 河南周 口人 ， 教授 ， 博士 ， 2 0 0 3年毕业于哈尔滨工程大 学固体力学 专业 ， 主要从事工程力 学 及机械节能等方面的研究 ， E - ma i l J mz 1 9 6 4 1 2 6 ． c o rn。