（固体力学专业论文）石油钻柱疲劳失效的动力学机理研究.pdf

卜海大学硕l 学位论文 摘要 在石油钻井过程中，每年都会发生大量钻柱失效事故，造成重大经济损失。国 内外对钻柱的失效研究已经很多，但前期研究主要集中于改善钻柱的结构和材质 方面。直到上世纪末，国外b a k e r h u g e s 、s h e l l 、s p e r r y s u n 等几家公司才在利 用动力学方法来预防钻柱的失效方面取得了突破性进展，并在工程现场获得了明 显的经济效益。国内在这方面的研究则相对落后，离工程应用的差距还很大。因 此，本文以减少钻柱失效事故、提高钻柱的安全可靠性为目标，主要以受压段钻 柱作为研究对象，应用g a l e r k i n 方法和有限元方法，通过对钻柱的静、动力学 分析，研究钻柱疲劳失效的动力学机理。 首先，通过微元分析法，建立了斜直井中钻柱静力学分析的一般方程，利用 g a l e r k i n 方法，得到了钻柱临界屈曲钻压，初步分析了钻柱危险截面的位置。 其次，在完善现有钴柱动力学有限元模型的基础上，利用m a t l a b 语言开发了 钻柱静、动力学分析的有限元程序，给出了钻柱静、动力学条件下危险截面的确 定方法，得到了钻柱变形随钻压的变化规律，探讨了稳定器与井眼间隙对钻柱变 形及稳定器横向位移的影响。对钻柱危险截面的动力学行为进行了初步探讨，给 出了其形心运动轨迹，得到了钻柱危险截面处的涡动速度，并通过傅立叶变换找 到了共振转速区问。 最后，在钻柱静、动力学研究的基础上，简单分析了钻柱的涡动特性，并进 一步把其与疲劳失效结合起来，建立了动力学条件下钻柱疲劳失效的强度准则， 初步探明了钻柱疲劳失效的动力学机理。 通过本文所建立的钻柱静、动力学模型和编制的计算程序，在设计井时可以 改善钻柱结构。优化钻压和转盘转速。所建立的疲劳失效准则既可对不同工况下 钻柱的疲劳强度、可靠性进行预测和评估，也可用于失效钻柱的事故分析。 关键词：钻柱；动力学；危险截面；疲劳失效；有限元 兰塑查兰堕! ! 兰壁堡壅 a b s t r a c t d u r i n gd r i l l i n go p e r a t i o n s ，t h e r ea r em a n ya c c i d e n t so ft h ed r i l l s t r i n gf a i l u r ee v e r y y e m ；w h i c hl e a dt oe n o r m o u sw a s t eo ft i m ea n dm o n e y al o to fr e s e a r c hw o r kh a s b e e nd o n eo np r e v e n t i n gd r i l l s t r i n gf a i l u r ea r o u n dt h ew o r l d e a r l ys t u d yi sm a i n l y f o c u s e d0 1 2t h es t r u c t u r ea n dm a t e r i a io fd f i l lp i p ea n dd r i l lc o l l a r 1 ot h ee n do ft h e 2 0 t hc e n t u r y , m u c hp r o g r e s si np r e v e n t i n gt h ed r i l l s t r i n gf a i l u r eh a db e e nm a d ei n s o m eo v e r s e a sc o m p a n i e s ，s u c ha sb a k e r h u g e s ，s h e l l ，s p e r r y s u n ，e ta 1 ，b yu s i n gt h e d y n a m i cm e t h o d ，a n dg r e a te c o n o m i cb e n e f i th a db e e no b t a i n e d h o w e v e r , i no u r c o u n t r y , t h e r ei s1 i t t l er e l e v a n ts t u d ya n dn op r a c t i c a lm e t h o d sw h i c hc a l lb ea p p l i e di n d r i l l i n ge n g i n e e r i n g t h e r e f o r e ，i no r d e rt or e d u c et h en u m b e ro f t h ed r i l l s t r i n gf a i l u r e a n dg u a r a n t e et h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fd r i l l s t r i n g s ，t h eg a l e r k i nsm e t h o da n d f i n i t ee 1 e m e n tm e t h o da ! u t i l i z e dt os t u d yt h ed y n a m i cm e c h a n i s mo ft h ed r i l l s t r i n g f a t i g u ef a i l u r ei nt h i sp a d e lt h em a i nc o n t r i b a t i o n so f t h i sn l e s i sa i ea sf o l l o w s ： it h eg e n e r a le q u a t i o no f g o v e r n i n gt h ed r i l l s t r i n gs t a t i cb e h a v i o ri ns t r a i g h th o l e s i se s t a n i s h e 6b vt h eu s eo fm i c r o e l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d a n di sn k l l n e 矗e a l l ys o l v e d u s i n gg a l e r k i nsm e t h o d t h ec r i t i c a ib u c k l i n gw o b f w e i g h to nb i t ) a n dt h e a p p r o x i m a t ep o s i t i o no fd a n g e r o u sc r o s s s e c t i o no f t h ed r i l l s t r i n ga r eo b t a i n e d 2 o nt h eb a s i so ft h ei m p r o v e dd y n a m i cf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h ec o m p u t e rc o d e o fa n a l y z i n gt h ed r i l l s t r i n gs t a t i ca n dd y n a m i cb e h a v i o ri sp r o g r a m m e d t h em e t h o d o fd e t e c t i n gt h ed a n g e r o u sc r o s s - s e c t i o no ft h ed r i l l s t r i n gi sp r o v i d e d ，a n dt h er e l a t i o n o f 也ed r i l l s t r i n gd e f o r m a t i o nw i t hw o bi so b t a i n e d t h ei n f l u e n c eo ft h es t a b i t i z e r c l e a r a n c eo nt h ed r i l l s t r i n gd e f o r l r l a t i o na n dt h el a t e r a ld i s p l a c e m e n to fs t a b i l i z e r si s s t u d i e d t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h et r a j e c t o r yo fg e o m e t r i cc e n t e ro ft h e d a n g e r o u sc r o s s s e c t i o no ft h ed r i l l s t r i n ga r ep r e s e n t e d a n di t sw h i r lm o t i o ni sa l s o s i m u l a t e di nt h i sp a p e r b e s i d e s ，t h er e s o n a n c ez o n ei sf o u n db yu s i n gt h ef f t ( f a g t f o u r i e rt r a n s f o r m ) m e t h o d 3 。w i _ c l lt h ec o n s i d e r a t i o no fd r i l l s t r i n gw h i r l ad y n a m i cs t r e n g t hc r i t e r i o no ft h e d r i l l s t r i n gf a t i g u ef a i l u r ei sd e r i v e d t h ed y n a m i cm e c h a n i s mo f t h ed r i l l s t r i n gf a t i g u e f a i l u r ei ss u c c e s s f u l l yi n t e r p r e t e dw i t ht h i sc r i t e r i o n b yu s i n gt h es t a t i ca n dd y n a m i cm o d e lo fd r i l l s t r i n ga n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n p r e s e n t e di nt h i sp a p e r , t h es t r u c t u r eo ft h ed r i l l s t r i n gc a l lb ei m p r o v e d ，a n dt h ew o b a n dr o t a r ys p e e dc a r tb eo p t i m i z e d t h es 廿e n g t hc r i t e r i o nc a nb eu s e dt op r e d i c ta n d e v a l u a t et h ef a t i g u es t r e n g t ho f d r i l l s t r i n g si nd i f i e r e n tc a g e s ，a n di ta l s oc a l lb eu s e dt o a r i a l y z et h ec a u s eo f t h ed r i l l s t r i n gf a i l u r ea c c i d e n t s ， k e yw o r d s ：d r i l l s t r i n g ；d y n a m i c s ；d a n g e r o u sc r o s s s e c t i o n ；f a t i g u e f a i l u r e ； s t r e n g t hc r i t e r i o n i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下进行的研究工 作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签轹呼嗍型牛 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 导师签名：率弛l 日期： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 石油工业的根本性目的是在提高生产效益的基础上尽量降低生产成本，在钻 井工程中的具体反映则是更快、更好、更经济的完成钻井任务“。近年来，各种 新工艺、新工具、新技术的出现，为钻井速度的提高提供了坚强的后盾，而优化 钻井等技术则为降低钻井成本创造了条件。但值得注意的是，在影响钻井周期和 钻井成本的诸多因素中，钻柱失效造成的事故仍然占有很高的比例。 钻柱失效研究是机械工程、石油工程、材料科学与工程、工程力学、可靠性 工程、信息科学与工程等多学科交叉的边缘学科，对于分析钻柱的失效原因，改 进钻柱的结构及工艺设计，延长钻柱的工作寿命，从而缩短钻井周期，降低工程 成本，具有重要的现实意义。 1 1 工程背景 石油钴柱是石油工业中用量大、质量要求高的管材，处在充满钻井液的狭长 井眼里工作，既有静载，又有冲击载荷，而且拉、压、弯、扭无一不有，并且大 部分是交变载荷。工作时又要受腐蚀、磨损、温度、压力的影响，加上地层的非 匀质性和各向异性引起的干扰，钻压、扭矩的动态特性的影响以及由于钻柱振动 引起的钻柱与井壁问的摩擦和高频撞击等，使得钻柱在井下的受力情况非常复 杂。每年国内外都会发生大量钻柱失效事故，造成重大经济损失( 如表1 - 1 所示) 。 仅1 9 8 8 年，我国各油田的钻具事故次数就达5 4 0 多次，直接经济损失超过4 0 6 0 万元23 。而塔里木油田在1 9 9 4 1 9 9 7 年间钻具事故次数多达1 4 6 次，直接经济损 失达3 8 7 7 万元”3 。 表卜l 钻具失效事故及经济损失统计 地区中国 塔里木油田“1西非5 口直井 统计时间1 9 8 8 矩 1 9 9 4 1 9 9 7 钲 1 9 8 7 - 1 9 8 8 钮 事故次数 5 4 01 4 66 6 直接经济损失4 0 6 0 多力兀3 8 7 7 万元1 3 0 多万美元 频繁的钻具失效事故不仅大大增加了钻具消耗，更重要的是增加了起下钻时 阳j ，影响了钻井作业的正常进行。中国石油天然气公司石油管材研究所曾对8 3 上海大学硕士学位论立 起钻具落井事故进行了停工时间统计。1 ：事故造成的停工时间超过5 天的占3 3 7 超过15 天的占1 9 3 。国内外由于钻具失效事故造成的停工损失统计如表卜2 所示。 表】一2 钻具失效事故停工经济损失统计 地区 波斯湾威林斯顿盆地中国 【停工经济损失1 0 6 万美元起2 0 0 0 3 0 0 0 美元起3 2 力兀起 般钻具事故会造成停工停产。若造成钻具落井事故，则会导致很大的打捞 代价。有时因打捞不起而报废进尺，甚至造成井口键报废，将造成巨大的经济损失。 1 9 8 8 年全国油气田钻具失效共计5 4 0 起，其中重大的钻具落井事故高达3 3 2 起， 占事故总数的6 1 5 “1 。 钻柱服役条件十分恶劣，因而其失效形式及原因多种多样，钻柱失效形式主 要可分为过量变形、断裂和表面损伤三类。钻拄破坏的主要原因有疲劳破坏、氢 脆、腐蚀、磨损、刺穿、机械损伤等。钻井实践表明：疲劳是钻柱失效的最主要 原因( 表1 3 ) 。据石油管材研究所对近几年钻柱失效实例的分析统计，有8 0 以上属于疲劳或与疲劳有关的失效“3 。 表卜3 国内外钻柱失效统计分析 地区中国1 9 8 8 年“塔里木 江汉鄯善西非“1 钻杆钻铤 油田”油田油田 f 失效统计次数 2 4 82 7 6 5 0 多 1 31 06 6 i 疲劳失效百分比 8 1 5 7 5 4 9 0 7 7 1 0 0 1 0 0 因而，开展对石油钻柱的失效研究，特别是疲劳失效研究，揭示其疲劳失效 的原因及机理，进而提出预防和改善措施，给出合理的钻井工作参数，从而提高 钻柱的寿命和安全性，提高钻井效率，降低钻柱失效次数，减少国家财产损失， 就显得非常重要。 理论研究及工程实践均表明：钻柱的疲劳失效和其力学行为密切相关，特别 是钻拄的届曲及振动会大大加剧钻柱的疲劳失效。研究钻柱的疲劳失效，应该从 研究其静、动力学行为出发，才有可能揭示其疲劳失效的力学机理。 1 2 钻柱失效研究的最新进展 从钻柱失效的统计数据可以明显看出，钻柱失效事故不仅在国内外各油田频 2 e 海大学硕士学位论文 繁发生，并且造成的损失是非常巨大的，因而钻柱失效一直是国内外学者研究的 热点问题之。钻柱的失效研究主要集中于以下几个方面： 1 ) 、分析钻柱的材料成分和组织结构，提高钻柱的材料性能。钴柱疲劳破坏 与钻柱内的应力状态有关而应力状态将会促进钻柱在钻井液环境中的应力腐 蚀，这种腐蚀又将影响钻柱的抗疲劳破坏能力。为此，许多研究人员一直在探索 通过提高钻柱的材料性能来减少或解决钻柱的失效问题。例如为了防止深井开发 中c o 。的腐蚀，国内外许多油田使用了耐蚀合金( c r a ) 中的1 3 c r 马氏体不锈钢， 效果良好，得到了广泛的应用。为了提高钻杆内部的防腐性能，推广应用了内涂 层钻丰下，即在原钻杆的内表面涂敷一层抗h ：s 、c 0 。等腐蚀介质的涂层，使钻井中 钻杆内表面与腐蚀介质隔开，起到防腐作用，创造了显著的经济效益。 2 ) 、改进钻柱结构，提高其机械性能。为了提高钻柱的强度，减少失效，提 出了不少改进钻柱结构的建议。西安管奇才研究所首创了钻车于内加厚过渡区的双圆 弧结构。工程实践表明，这种结构是合理的，有效地减少了钻杆失效事故，已被 国内外各钻杆生产厂采用，并被采纳修改了a p i 标准“1 。西南石油学院施太和等 人通过对钻杆刺漏失效集中位置内加厚过渡带及其附近区域的仔细分析与 研究，提出了改善钻杆内加厚过渡带结构及表面强化措施的建议。 3 ) 、研究钻柱失效的力学机理，进行受力及变形分析，优化钻井参数。主要 是通过研究钻柱的工况，改变钻井参数，尽可能使钻柱内的振动、变形及应力处 于较低的水平。 以上三个方面的研究工作都已经进行很多，但第三方面的研究工作直到上世 纪末，才取得了突破性进展。莠逐渐应用予工程现场。 1 9 9 5 1 9 9 6 年h u g h e s ( 休斯) 公司的m w d y k s t r a 等人“。”3 利用有限元方 法，结合s p e r r y s u n 公司的井下钻具组合动力学分析程序w h i r l ，对钻柱的静 力学屈曲和动力学振动进行了分析及数值模拟，并做了大量的实验。他们指出： 钻柱的质量不平衡对钻柱的横向振动有很大的影响。在钻柱的固有频率附近运行 时，钻柱与井壁碰摩严重。当出现低转速共振时，可通过提高转速来减小钻柱的 振动，而当出现高转速共振时，提高转速反而会加剧钻柱的振动。前涡向后涡的 转化会导致地面扭矩的突然增加。硬地层则会加剧钻柱的振动，促使前涡向后涡 的转化。经过多年的探索和完善，b a k e r h u g h e s ( 贝克休斯) 公司自主开发的底部 上海大学硕j ：学位论爻 钻具组合动力学分析软件“( b h ad y n a m i c sa n a y s i ss o f t w a r e ) 已得到了广泛 应用。在设计阶段，通过对底部钻具组合b h a ( b o t t o mh o l ea s s e m b l y ) 的静、 动力学响应分析，可以优化钻具结构，合理的安置唧d ( m e a s u r e m e n tw h i l e d r i l l i n g ) 等井下工具，最大限度的避免这些井下工具的破坏，该动力学分析软 件可模拟出钻进过程中钻柱轴向、扭转、横向的动态变形，给出临界钻压、临界 转速及屈曲模态、振动模态等重要的相关信息( 图卜1 ) ，优化出合理的钻进参数， 避开临界钻压及临界转速。与此同时，b a k e r h u g h e s ( 贝克休斯) 公司开发了相 应的v s s ( v i b r a t i o n s t ie k - s 1 i p ) 监测工具及软件，实时监测并下钻柱的动 力学状况，对钻柱的有害振动进行早期预警。利用这些数据，钻井人员可以及时 调整钻进参数，防止剧烈振动的发生，避免b h a 、钻头及m w d 等昂贵设备的早期 破坏。 图卜1b a k e r h u g h e s 公司底部钻具组合动力学分析软件仿真模拟结果 s h e l l ( 壳牌) 公司的p c k r i e s e l s 等人1 于1 9 9 9 年发表文章介绍了一套 可以很好的防止钻柱失稳及振动的综合方法。自1 9 9 7 年开始该方法应用于中东 某油田，钻柱失效事故急剧下降，在工程实际中已收到了很好的经济效益，如图 1 2 所示。其综合方法主要包括：( 1 ) 应用软扭矩旋转系统s t r s ( s o f tt o r q u e r o t a r ys y s t e m ) 抑止钻头及b h a 的扭转和粘滑振动：( 2 ) 利用钻柱动力学分析 软件d s d ( d r i l ls t r i n gd y n a m i c s ) ，优化b h a 设计，避开临界钻压及硅陵转速 区间，防止b h a 的屈曲及共振：( 3 ) 行之有效的振动监测工具；( 4 钻柱按时进 行常规检查。其中，软扭矩系统是在研究钻柱扭转粘滑振动的基础上，基于一个 包含了b l 璩、钴柱及转盘的数学模型，由壳牌公司开发的新技术。d s d 则是基于 钻桂的届曲、纵向振动、横向振动和涡动分析，开发的钻柱动力学综合分析软件， 4 卜海大学硕士学位论吏 主要是在设计井时对b h a 进行结构优化。首先根据纵向振动对b h a 的长度、减震 器的刚度及安放位置进行优化；其次通过b h a 屈曲和横向振动分析，优化稳定器 的个数及安放位置，抑止钻柱的屈曲及横向振动。该动力学分析软件的不足之处 在于要求井眼是规则的直井眼，不能进行实时监测及优化。 图1 - 2 中东某油田钻柱失效数据统计“”( 1 9 9 7 年开始应用s t r s 及d s d ) 无论是贝克休斯，还是壳牌公司的综合方法，在工程现场都降低了钻柱振动， 对各种井下工具起到了保护作用，使钻柱失效事故大幅度减少，但是其功能主要 局限于设计井时优化钻具结构，预测工作参数，或者对现有钻具组合进行工作效 果评估。这些方法虽然包括了振动监测工具，但还不能很好的进行实时数据处理 及参数优化，有待进一步研究。 s p e r r y s u n 公司于2 0 0 3 年发表了利用综合方法对钻柱动力学特性进行实时 监测及优化的相关文章“。其综合方法主要包括：( 1 ) 实时的b h a 动力学分析软 件；( 2 ) 带有振动传感器的m w d 系统；( 3 ) 信息收集及处理系统。s p e r r y s u n 公司于上世纪9 0 年代中期开发了井下钻具组合动力学分析程序一w h i r l 程序， 并在m w d 系统上装置钻柱动力学传感器d d s ( d r i l l s t r i n gd y n a m i c ss e n s o r ) ， 结合信息工程技术集成系统i n s i t e ( i n t e g r a t e ds y s t e mf o ri n f o r m a t i o n r e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g ) 进行实时数据收集、处理、显示，进行参数优化。 其目的主要是避免共振，减小钻柱的振动。与传统的动力学软件相比，其突出的 优点是可以对钻井参数，特别是转速进行实时优化( 图卜3 ) ，不断更新临界转速。 以上分析表明，在钻柱失效控制综合方法，特别是实时振动测量及控制中， 上海人学硕士学位论史 随钻测量m w d 是必不可少的一部分，主要用来实时监测钻进参数，反馈给钻柱动 力学分析软件进行进一步分析。上世纪8 0 年代出现了随钻测量m w d 仪器，9 0 年 代随钻测井l w d ( l o g g i n gw h i l ed r i l l i n g ) 逐渐得到应用。m w d l 弭d 是一种钻井 过程中进行井下测量的技术，其结构体系包括传感器组及微处理器、脉冲器、电 源组成的并下仪器和 实时采集软件、前导 模拟软件组成的井场 信息系统。目前国际 上的m w d l w d 可测量 3 0 多种参数，基本能 满足各项定向钻并的 需要。现在斯伦贝谢、 图卜3s p e r r y - s l l n 公司转速实对优化1 贝克休斯和哈罩伯顿 公司等都拥有这种技术，其中，尤以斯伦贝谢公司的随钻测量技术最为突出。近 年来，斯伦贝谢随钻测井服务领域从早期主要集中在海洋钻井平台服务逐步向陆 地钻井服务中推进，据作者2 0 0 4 年9 1 0 月份在中石油塔里木油田八盘l 井的现 场观察，斯伦贝谢公司的m w d 工具可以测量大钩载荷、地面钻压、并底钻压、转 速、横向振动、扭转振动、轴向振动等众多的钻井参数，并可通过数据处理，实 时监测井斜及振动，提高井身质量，保护井下工具。 除了测量工具外，钻柱失效控制综合方法中另个核心组成部分便是b h a 动 力学分析软件。国外几家大公司的软件均是在考虑了钻柱屈蓝、纵向振动、横向 振动、扭转振动、粘滑振动、涡动等钻柱静、动力学行为的基础上开发完成的。 通过模拟仿真，既可在设计井时优化钻具组合，预测工作参数，又可与先进的随 钻测量工具相结合，实时优化钻井参数。 与国外知名公司开展的大量钻柱动力学失效分析及控制相比，国内在这方面 的研究还比较少，离工程应用的差距还很大。 首先，国内随钻测量技术落后。国内的槲d 系统一般只能测得井斜角、方位 角、工具面角等少量几个参数，还远远满足不了工程现场的需要，特别是还不能 测得钻柱动力学的相关参数，阻碍了我国钻柱动力学研究的进步发展。 6 海大学硕士学位论文 其次，在钻柱疲劳失效的动力学研究方面，目前国内还没有可以广泛应用于 现场的工程分析软件。1 9 9 6 年，高宝奎、高德利等人“4 3 利用梁的横向振动方程， 对钻拄的横向振动进行了分析，他们认为横向振动只发生并存在于钻柱底部。底 部钻具的屈曲、动力失稳和钻柱与井壁的碰撞是引起横向振动的直接原因，中和 点以上钻柱的横向振动能量主要被钻井液的阻尼消耗掉了，不可能传播到地面， 中和点附近的运动状态非常复杂，是钻柱容易碰磨的危险区域。1 9 9 8 年，张学 鸿等人”通过建立钻柱的有限元振动方程，利用振型迭加法、改进的李兹向量法 对侧钻井钻柱的级向振动进行了初步研究，对钻柱的疲劳极限作出了定量的分析 和界定，并开发了相应的软件系统。但其忽略了钻柱横向和扭转振动的影响。更 没有考虑到钻柱的涡动，认为钻柱疲劳断裂的主要应力是轴向应力，与实际的钻 具动力学运动状态及钻柱失效状况相距甚远。2 0 0 1 年，石晓兵、施太和“”建立了 下部钻具组合在弯曲井眼内的变形微分方程，导出了求解钻具任一截面弯矩和弯 曲应力的计算公式，初步揭示了下部钻具组合失效的力学机理，但其模型过于简 单，对于多稳定器和变截面钻柱实际运用起来有一定的难度，更没有考虑到钻柱 动态因素的影响。 纵观钻柱动力学失效国内外的研究现状我们可以清晰的看出，国外在钻柱 动力学失效研究及控制方面已遥遥领先，并已大量应用于工程现场，取得了良好 的经济效益。而国内在这方面的研究则严重匮乏，既没有先进的随钻测量仪器， 也没有可以现场应用的钻柱动力学分析软件。国内的钻柱动力学研究还局限于钻 柱某一方面具体问题的简单分析，缺乏对钻柱甚至钻井系统整体的综合的研究， 没能与工程实际很好的结合起来，停留在初步的理论探索阶段。 目前我国在钻柱失效防治方面的景况是：一方面是国内各大油田钻柱失效事 故频繁，另一方面是国外公司技术垄断，国内仍然没有先进的监测工具和实用的 钻柱动力学分析软件。国外公司为了获得高昂的垄断利润，对我国采取只租赁， 不出售的政策。在一些重点探井上，昂贵的租赁服务费给国家造成了较大的经济 损失。正是基于这些原因，作者才试图在钻柱静、动力学特性研究的基础上，开 展钻柱疲劳失效的动力学机理研究，进而开发相应的软件系统，为钻具结构设计 及工程现场钻井参数优化提供理论依据，以期减少各大油田的钻柱失效事故。 上海人学硕十学位论文 1 3 钻柱失效动力学机理分析及控制的总体框架 从国外几大公司降低钻柱振动。减少钻柱失效的的综合方法可以看出，其主 要包括：( 1 ) 先进的井下测量工具( m w d 、振动传感器等) ；( 2 ) 考虑钻柱屈曲及 各种振动的动力学分析软件；( 3 ) 信息传输及处理系统：( 4 ) 有时会附带一些其 它的配套工具( 如软扭矩系统等) 。 通过大量的调研资料，基于国内现在所拥有的设备及技术条件，我们制定了 如下的总体设计框架，如图1 4 所示：主要包括前处理( 各种基本参数的输入) 、 钻柱动力学分析软件( 固有频率和临界屈曲钻压的计算、危险截面的确定、疲劳 强度校核等) 、后处理( 钻井参数优化、数据显示等) 系统，共三个部分。其中。 钻柱动力学分析软件是其核心。 图卜4 钻柱疲劳失效动力学分折控制的总体设计框架 1 4 钻柱疲劳失效动力学机理研究的意义 钻柱疲劳失效动力学机理研究的主要意义有：( 1 ) 利用钻柱仿真分析所得数 据、图表等信息，为钻柱结构优化提供重要的参考依据；( 2 ) 利用静、动力学理 论对钻柱进行仿真分析，不仅能得到钻柱的空间变形规律，为钻柱失效原因、承 载能力、制定报废标准等提供必要的分析数据，还能优化钻井过程中的销压、转 速等钻井参数，改善钻柱的工作状况。 速等钻井参数，改善钻柱的工作状况。 8 一! 塑查兰塑圭兰丝堡兰 1 5 本文主要研究内容 本文主要以减少钴柱失效事故和提高钻桂的安全可靠性为目标，集中精力致 力于锗柱疲劳失效动力学援理的分析与探索。主要研究内容包括： 1 ) 、调研国内外钻柱疲劳失效和动力学研究的最新进展： 2 ) 、通过钻柱微元分析，建立斜直井钻柱静力学分析的微分方程，研究斜直 井眼中钻柱的静力学屈曲行为。 3 ) 、完善现有钻桂有限元模型，并进行仿真方法研究， 4 ) 、探讨钻柱危险截面确定方法。 5 ) 、分析钻柱危险截面的动力学行为。 6 ) 、以工程实际为例，进行数值仿真计算。 7 ) 、初步建立动力学条件下钻柱疲劳失效的强度准则。 8 ) 、探讨钻柱疲劳失效的动力学机理。 9 上海大学硕士学位论文 第二章钻柱组成及失效力学研究方法概述 2 1 钻柱的组成 如图2 - 1 所示，钻井系统主要包括地面设备及井下设备，而井下设备主要包 括钻柱与钻头。钻柱是钻井的重要工具，在钻井过程中，通过钻柱把钻头和地面 连接起来。方钻杆、钻杆、钻铤及其它井下工具组成的管串称为钻柱。 图2 一l 钻井系统和钻柱 钻柱的具体组成随着不同的目的要求而不同，但主要是钻杆段和下部钻具组 合两大部分。下部钻具组合是钻柱的重要组成部分，它与轨迹控制效果和钻头的 工作状况有着十分密切的关系，是影响井身质量和钻井速度的重要因素。因而， 根据井下工作条件及工艺要求，合理地设计下部钻具组合，对于预防钻具事故， l o 上海大学硕 学位论文 提高钻头工作指标和有效地控制井眼轨迹，从而实现安全快速钻井和完成各种井 卜i 作业具有十分重要的意义。 2 2 钻柱的作用“” 钻柱的主要作用有：( 1 ) 提供从钻机到钻头的钻井液通道，即输送钻井液； ( 2 ) 把地面动力( 扭矩) 传递给钻头并给钻头加压，使钻头破碎岩石：( 3 ) 通 过钻柱可了解与观察钻头工作情况，井眼情况与地层情况等；( 4 ) 进行取心、处 理井下事故与复杂情况，打捞落物，挤水泥等特殊作业；( 5 ) 对地层流体及压力 状况等进行测试与评价。 下部钻具组合是钻柱的重要组成部分，其主要作用有：( 1 ) 提供钻压；( 2 ) 防止和减少“狗腿”及键槽的出现，使井眼规则，或是提供合适的井眼轨迹控制 能力；( 3 ) 改善钻头的工作条件，减小有害振动；( 4 ) 减少卡钻及其它钻井事故 的发生。 其中，钻杆是钻柱中最长的段，主要作用是传递扭矩和输送钻井液，每一 根钻杆都包括钻杆管体及钻杆接头两部分，利用钻杆接头的特殊螺纹使钻杆连接 起来。钻铤的作用则是给钻头提供钻压，同时使下部钻具组合具有较大的碍4 度， 从而使钻头工作稳定，并实现井眼轨迹的有效控制。 2 3 钻柱受力分析。 ”3 钻柱在井下的工作条件恶劣，受到地层、井眼、钻井液、钻压、转速等各种 因素的影响，其受力十分复杂。为了描述方便，这量以斜直井眼中的钻柱为例进 行受力状况介绍。 2 3 1 轴向力 经常作用于钻柱且数值较大的轴向力是钻柱的自重力。处于悬挂状态下的钻 柱在自重作用下，从上到下均受拉力，最下端拉力为零，井口处的拉力最大。在 钻井液中钻柱将受到浮力的作用，浮力使钻柱所受拉力减小。在钻进过程中，钻 铤以自重给钻头加压，钻压使钻柱轴向拉力减小，并使得钻柱下部处于压缩状态。 起( 下) 钻过程中，钻柱与井壁之间的摩擦力以及遇阻、遇卡，均会增大( 或减 小) 钻柱上的拉伸载荷。循环钻井液时，钻柱内和钻头水眼上的循环压力降也将 使钻柱的轴向拉力增大。 j ：海人学硕士学位论文 2 3 2 外挤压力 钻柱在以下两种工作条件下将受到外挤压力的作用：( 1 ) 应用卡瓦进行起下 钻作业时，由于卡瓦有一定的锥角，对钻柱产生一定的外挤压力：( 2 ) 在中途测 试作业时，当钻柱内部完全或部分掏空时，坏空钻井液将对钻柱产生较大外挤压 力。 2 3 3 扭矩 在旋转钻进中，钻柱要受到扭矩作用，在钻柱内产生剪应力。在转盘钻进中， 旋转钻柱和带动钻头破碎岩石的扭矩是由转盘通过方钻杆传递给钻柱的。由于钻 柱与井壁及泥浆之间有摩擦阻力，钻柱所承受的扭矩在井口处最大，而在井底处 最小。在井下动力钻具钻井中( 涡轮钻具、迪纳钻具等) ，钻柱承受动力钻具的 反扭矩，在井底处最大，向上随着能量的消耗逐渐减小。 2 3 4 弯矩 弯曲力矩的产生是因钻柱上有弯曲变形的存在。正常钻 进时，当钻头上的钻压超过钻柱的临界值时，钻柱下部受压 部分将产生弯曲变形( 图2 2 ) ，在钻柱内产生弯曲应力。 旋转钻柱产生的离心力将进一步加剧钻柱的弯曲变形，并将 在钻柱内产生交变弯曲应力。钻柱在交变弯曲应力作用下， 容易发生疲劳破坏，使用寿命将大大降低。 2 3 5 振动载荷 图2 - 2 钻柱弯曲 振动载荷是由钴柱在井下的振动所引起的，这将在 2 6 节中做详细介绍。 2 4 钻柱的运动状态 自2 0 世纪5 0 年代起，关于钻柱的运动原理主要有以下两种论点：以美国科 学家鲁宾斯基为代表的学者认为，钻柱在井下工佟对一般只绕其自身的轴线旋 转，这样，耗于钻柱与井壁之间摩擦所用的能量最少，即钻柱只自转；以前苏联 科学家萨尔基索夫为代表的另一种观点认为，无论钻柱是在空转还是在钻进，钻 柱轴线弯曲成平面正弦曲线形状，其半波波长沿钻柱逐渐变化，并且整个轴线按 转盘的旋转方向和转速旋转，即钻柱只公转。 1 2 上海大学硕士学位论文 按照第一种观点，钻柱只有弯曲部分会产生交变应力从而产生疲劳失效，并 且与井壁接触的钻柱外径会产生均匀磨损；按照第二种观点，钻柱弯曲部分不应 产生交变应力，与井壁接触的钻杆接头外径一般只产生偏磨。通过对钻柱磨损和 断裂的分析和观察发现，钻柱断裂更多的是疲劳失效，钻杆接头则大多均匀磨损 但有时出现偏磨。另外，实践还表明，随着转速的增加，消耗于空转钻柱的扭矩 亦为之增加，它反映出离心力对钻柱有很大的影响。这一切都说明，上述两种观 点中的哪一种都难以圆满地解释钻柱使用中的种种现象。模拟实验及实测表明： 在钻井作业过程中，旋转向下的钻柱在地面动力的驱动下不仅自转而且还常常发 生轨迹多为转动椭圆的横向振动，即涡动。 数据统计表明，疲劳是钻柱失效最为突出的原因。钻柱在工作过程中，受到 交变的拉压、弯曲、剪切应力的作用，在平均应力远小于屈服的情况下，常产生 应力疲劳破坏。失效分析表明，钴柱疲劳破坏的主要原因是由于钻柱在井眼中弯 曲旋转时产生周期性交变弯曲应力所致。因而，为了搞清楚钻柱失效的机理，特 别是疲劳失效机理，必须从钻柱静、动力学行为出发，从其受到的动态交变应力 入手来研究。 2 5 钻柱静力学研究 钻柱静力学是钻柱力学的个重要分支，它是在忽略动态因素的前提下，对 钻柱进行受力和变形分析，主要集中于研究钻柱的静力学屈曲。 1 9 5 0 年，l u b i n s k i “”首先研究了钻柱在垂直井眼中的平面正弦屈曲，并根 据钻柱的受力和变形分析，导出了钻柱的平面屈曲方程( 2 1 ) ，并给出了其级数 解，利用边界条件求得了钻柱在垂直井眼中的临界屈曲载荷，但采用的铅垂井假 设与实际不符，弹性钻柱在实际情况下不可能钻出竖直井眼。 ，参+ a 面a y + f = 。 ( 2 1 ) 式中：e 一钻柱的弹性模量，一钻柱横截面对中性轴的惯性矩，q 一单位长度 钻柱的浮重，f 一钻柱轴向载荷，x 一钻柱轴向坐标，y 一为钻柱轴线横向位移。 1 9 8 1 年，m i t c h e l l 2 0 1 运用梁柱在三维空间的静力平衡方程、变形几何方程 1 1 r 海大学硕士学位论文 和物理方程，导出了考虑自重时管柱在斜直井眼中的三维屈陆方程( 2 2 a ) 以及管 柱与井壁之间相互作用的法向正压力所满足的方程( 2 2 b ) 。此外，m i t c h e l l ”m z 】 还分析了边界约束条件及摩擦等对管柱屈曲的影响。 日i 警一s 窘b m ，司d o + 净嬲i n 删 z a ， 7 n = 日f 。窘警删剥州x ，4 一半c o s 口 z n ， 式中：f ( x ) 一钻柱轴向载荷( 随钻柱长度变化) ，a 一井斜角，含一扭转角，r 一 井眼半径与钻柱外半径差值，n 一钻柱与井眼之间的接触力。 与国外学者相比，国内这方面的研究工作开展的还不够，无论是理论研究还 是实验分析都有很大差距，相关的科研文献较少。 1 9 9 2 年，蔡宗熙。”利用拖带坐标系，把钻柱的空间变形分解为两个平面内的 变形，建立了斜直井眼中钻柱大挠度弯曲问题的平衡方程： 口参( 1 + 2 , u ) r 窘廿矿d 2 y 叩瓦d y 邓i n 口 ( 23 a ) e t d 萨4 z - ( 1 + 2 舻窘一f 警邓o s 口罢= 曲s i n 口 ( 2 ，3 b ) 式中：y 、z 一钻柱横向位移，泊松比，t 一扭矩。 高国华“对钻柱在井眼内的屈瞌行为进行了较为系统的分析，建立了钻柱在 弯曲井眼内的三维屈曲方程： 警+ 芸言一警 2 警 + 雩笋s i 甜一o c z t ， 式中：s 一钻柱在弯曲井眼内轴线的弧坐标。 我国其他学者如高德利、李子丰。6 1 等也对钻柱的屈曲做了大量研究。 在方程( 2 1 ) 及( 2 3 ) 中均采用了平面假设，考虑了钻柱自重轴向分量的影 响，对于分析斜直井中中和点以下的钻柱较为合理，但没有考虑到井眼的约束： 而方程( 2 2 ) 与( 2 4 ) 虽然都考虑了井眼的影响( 倾斜弯曲) ，但均采用了连续接 触假设，这对于钻杆段较为合理，对于井下钻具组合则有一定的出入，并且没有 考虑钻柱自重轴向分量的影响。无论是二维平面分柝，还是三维空间分析，由于 1 4 一 苎墨= 苎鲎塑圭兰堡婆兰 基本假设及模型建立过程中的缺陷，均不能作出钻柱在井眼内的实际变形曲线。 2 6 钻柱动力学研究 在钻柱静力分析和实践过程中，钻井科研及工程人员发现，尽管钻柱静力分 析对钻井过程有较大的帮助，使钻并工程师们有可能较好的控制钻井过程，并且 对井眼轨迹进行预测，但是，实际的钻井过程是个动态过程，由于钻头切削岩石 的不均匀性、钻柱的弯曲、共振等因素的影响，导致钻柱剧烈振动，常常使得井 底实测钻压产生较大范围的波动，不仅降低了钻进速度，还会引起钻柱的磨损及 疲劳破坏，也使井眼轨迹更加难以控制。但是，适当的利用钻柱振动又可提高钻 进速度。为了更好的了解和掌握钻柱的运动状态，以便对井眼轨迹控制做准确预 测以及揭示钻柱疲劳失效的动力学机理，必须对钻桂进行动力学分析。 m i c h e 1 和a 1 l e n 在1 9 8 7 年指出“替换失效部件、延长钻井时间、增加检 查次数、处理落鱼等的花费以及井眼报废的危险，使得人们不得不去了解钻柱动 力学。”因而，开展钻柱动力学的研究，不仅对于钻柱失效分析及预防，井眼 轨迹的科学控制具有十分重要的意义，而且还会推动相关学科的发展。 钻柱在井眼中的运动状态可视为钻柱本体、钻井液、井壁或井底几大部分相 互作用的结果。钻柱在地面设备的驱动下，处在内外均有钻井液流动的环境中， 局限于井筒的有限空间里，遭受着井底岩石的反作用力而进行钻进作业。在石油 钻井过程中，钻柱的主要运动形式是旋转向下的运动，但实际上却总伴随着各种 振动状态的出现，近代研究表明”。”3 ，钻柱振动是导致钻柱失效的主要的而且 复杂的原因。钻柱一般具有四种振动形式( 图2 3 所示) ：纵向振动，横向振动， 扭转振动，涡动。这四种振动在形态及机理上各不相同。 纵向振动扭转撼动横向振动涡动 图2 3 钻柱的振动形式“6 l 海大学硕士学位论文 2 6 1 钻柱的纵向振动 纵向振动是沿钻柱轴线方向进行的。类似于杆的上下反复伸缩振动。由于牙 轮钻头的结构特点，井底常存在三个突起，牙轮钻头的牙齿交替地引起钻柱纵向 跳动。当外界的周期干扰力与钻柱的固有频率相同时，钻柱发生共振，出现剧烈 跳钻。跳钻不但影响钻头使用寿命，而且易引起钻柱疲劳破坏。钻柱的纵向振动 使钻头受到冲击载荷的作用，容易导致钻头轴承和牙齿过早的破坏；在钻柱的受 拉与受压的分界面上将产生交变的拉应力和压应力，导致钻