（油气井工程专业论文）气体钻井钻柱动力学特性及钻柱失效机理研究.pdf

s t u d yo nd y n a m i cc h a r a c t e “s t i c sa n d f a i l u r e m e c h a n i s mo fd r i l ls t r i n gi na i rd r i l l i n g w a n gy u n f e n g ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rg u a nz h i c h u a l l a b s t r a c t f o c u s e do nt h ei s s u eo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n df a t i g u ef a i l u r eo fd r i l l i n gs t r i n gi n g a sd r i l l i n g ，t h ep a p e rm a k e si n v e s t i g a t i o na n a l y s i so nr e s e a r c hr e s u l t so f t h ei s s u ea th o m e a n db r o a d o nt h i sb a s i s ，t h ea r t i c l ec a r r i e so u ts t u d yo nd r i l ls t r i n gm o v e m e n tl a wa n di t s i n f l u e n c i n gf a c t o r sb yt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fb h a m o t i o ns t a t e ，a n dp o i n t so u tt h e s e v e r a lp o s s i b l ek i n d so fb h am o t i o ns t a t e s ，t h ec a u s e sa n dc o n d i t i o n so ft u b u l a rw h i r l i n g a n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fw h i r l t h i st h e s i sa l s oe s t a b l i s h e st h eb u c k l i n gd i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s 谢t lf r i c t i o n ，p r e s e n t si t ss o l u t i o nm e t h o d ，a n a l y s e st h ee f f e c to ff r i c t i o na n dt o r q u e o nt u b u l a rb u c k l i n ga n do u t l i n e st h en u m e r i c a lr e l a t i o n sb e t w e e nt h em a x i m u ms p e e da n d c r i t i c a la x i a lf o r c ew h e nd r i l ls t r i n g sa r ei ns i n u s o i d a lb u c k l i n gs t a t e t h er e s e a r c hs h o w st h a t t h e r ea r et h r e ed i f f e r e n tb h am o t i o ns t a t e sa ts p e c i f i e dd r i l l i n gp r e s s u r ew h i c hr e s p e c t i v e l y c o r r e s p o n d 、析mt h a t ：ad r i l ls t r i n gc o m e si n t os t a b l ep o s i t i v ew h i r l i n gu n d e rc r i t i c a lr o t a t e s p e e d , i r r e g u l a ra n du n s t a b l em o v e m e n to fb h aa p p e a r sa tc r i t i c a ls p e e d ，w h e nr o t a t es p e e d e x c e e d sc r i t i c a ls p e e dad r i l ls t r i n gf o r m ss t a b l er e v e r s em o t i o n w h a t sm o r e ，t h ea n a l y s i s a l s oi n d i c a t e st h a tt h e s ef a c t o r ss u c ha sd r i l l i n gp r e s s u r e ，t h ep o s i t i o na n dn u m b e ro f c e n t r a l i z e r , f r i c t i o no fb o r e h o l ew a l la n dt h el o c a t i o na n dn u m b e ro fs l i d i n gs l e e v eh a v ea g r e a ti m p a c to nm o t i o ns t a t eo fd r i l l i n gs t r i n g t h es t a b i l i t yo fd r i l ls t r i n gc a nb ei m p r o v e d e f f e c t i v e l ya f t e rt h ei n s t a l l a t i o no fs l i d i n gs t a b i l i z e ro ni t s e v e r ev i b r a t i o ni st h em a i nr e a s o n o fd r i l ls t r i n gf a i l u r ei ng a sd r i l l i n g t h ea u t h o rr e s p e c t i v e l yi n t r o d u c e st h ei n h e r e n tf r e q u e n c y o ft h ed r i l ls t r i n gl a t e r a lv i b r a t i o n ，t e n s i o n a lv i b r a t i o na n da x i a lv i b r a t i o n ，t h e nm a n i l y a n a l y s e st r a n s v e r s er e s o n a n c ea n dp r e s e n t st h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f c r i t i c a ls p e e d k e yw o r d s ：g a sd r i l l i n g ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fd r i l ls t r i n g ，t u b u l a rb u c k l i n g ， p o s i t i v ew h i r l i n g ，r e v e r s em o t i o n ，f a i l u r eo fd r i l ls t r i n g n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：丸欠风 吼1 年r 月 7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期：妒罗年s 月 7 日 日期。砷年r 月2 7 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章引言弟一早 ji 苗 1 1研究目的和意义 气体钻井技术是指在钻井过程中用气体作为循环介质进行钻进的一种欠平衡钻井 技术，它包括干空气钻井、天然气钻井、惰性气体钻井、废气钻井( 如柴油机尾气钻井) 等。它能够大大提高钻井机械速度、降低钻井成本、提高石油天然气勘探开发速度，还 可以保护油气层，提高油井产量。凭借其独特的优势，气体钻井在油田勘探开发中正发 挥着越来越重要的作用。然而，随着气体钻井技术在油气勘探开发中所占的比重越来越 大，一些问题也慢慢暴露出来，如地层出水、井壁稳定、防斜打直、井眼轨道控制、钻 具疲劳失效等问题。特别是钻柱失效问题，不仅大大延长了气体钻井的建井周期，而且 大幅度地增加了钻井成本。如何预防钻柱失效成了气体钻井施工中的重点和难点之一。 因此，加强气体钻井钻柱失效机理研究是一个非常迫切的问题，它将为实际的气体钻井 技术提供有力的技术支持。 气体钻井钻柱失效是一个涉及钻柱、钻头、岩石和钻井循环介质的系统动力学问题， 开展气体钻井环境下的钻柱动力学研究，并在此基础上开展钻柱失效机理研究是解决钻 具疲劳断裂问题的理论基础和技术关键。建立气体钻井条件下的钻柱动力学模型，有助 于弄清气体钻井钻柱失效机理，找出预防钻柱失效的具体措施，在此基础上，可以研制 相应的井下工具并进行现场试验，从而减少气体钻井事故的发生，提高气体钻井质量。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 钻柱力学研究 根据国内外钻柱力学研究的内容和水平，可以将钻柱力学发展进程分为三个主要发 展阶段，即以防斜打直为目标的早期阶段、以井眼轨迹控制为目标的中期阶段，以及以 提高综合钻井效益为目标的现代研究阶段。 ( 1 ) 以防斜打直为目标的早期阶段 从2 0 世纪5 0 年代到6 0 年代末，钻柱力学研究是以井斜控制理论和技术为主题，以解 决防斜打直问题为主要研究目标。 1 9 5 0 年，a l u b i n s k i 将弹性稳定理论用于钻柱力学研究，较系统、全面地研究了竖 直井中钻柱的受力与变形【l 】，开创了钻柱力学研究的新局面；自1 9 5 3 年起，a l u b i n s k i 与h b w o o d s 合作2 捌，对旋转钻井中影响井斜角和产生狗腿角的因素进行了研究，首次 第一章引言 以定量关系发表了地层的各项异性钻井理论，并提出了使用扶正器控制井斜的有效方 法，对井斜控制理论和技术发展做出了突出贡献；c e m e r p h e y 和j b h e a t h a r n 也对二维 井眼中钻柱受力和变形进行了研究【4 】，得到了与a l u b i n s k i 与h b w o o d s 样的结果，另 外，他们在a l u b i n s k i 有关地层作用理论的基础上，提出了地层造斜力的概念并推出了 相应的计算公式。 ( 2 ) 以井眼轨迹控制为目标的中期阶段 从2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代末，这一时期以定向井井眼轨迹控制为主要研究目标，钻 柱静力学问题的研究进展迅速，集中体现在力学问题求解方法的多样化，出现了能量法、 差分法、有限元法、纵横弯曲梁法等。 w a l k e r 首先应用最小势能原理对常规底部钻具组合进行了两维分析【5 】，应用弹性力 学的势能原理求解钻具组合受力和变形问题；b r a d l e y 秉l l k k m i l l h e i m t 6 刀分别采用了差分 法和有限元方法来求解底部钻具组合的力学问题。b r a d l e y 还对岩石力学问题进行了研 究，认为钻柱的力学因素对井眼的方向控制有很大影响，岩石钻头的相互作用是另一 个影响井斜控制的关键因素。如果每样东西都是均质的，井眼就会沿着钻柱对钻头作用 力合力的法向方向钻进。然而，钻头与岩石相互作用的结果使得井眼方向发生改变。作 者引用了几幅井斜角与井斜力的关系曲线及钻头受力的分析图，说明了当钻头受力方向 与井眼方向不一致时，钻头并不是沿着受力的方向钻进。 m e l a m o r e t 8 l 和b r a d l e y 先后进行了单楔齿破岩( 层状) 试验，提出了“优先成屑地层理 论 ( p r e f e r r e dc h i pf o r m a t i o nt h e o r y ) ，他们还根据修正的m o b _ r - c o u l o m b 破坏准贝t j ( t h e m o d i f i e dm o h r - c o u l o m bf a i l u r ec d t e f i o n ) ，建立了一个偏斜力公式，试图对井斜现象作出 定量解释。 白家祉、苏以脑等【9 】，根据弹性力学基本原理，提出了求解钻柱力学问题的纵横弯 曲梁方法。纵横弯曲法具有求解精度高、运算速度快等特点，便于现场推广和普及应用， 得到了国内外钻井界的管柱和公认。 刘希圣、高德利等建立了应用加权余量法进行底部钻具组合三维静力分析方法【1 0 1 。 高德利、刘希圣出版了专著井眼轨迹控制 1 1 1 ，对钻柱力学及井眼轨迹控制理论进行 系统研究，建立了钻柱力学的基本方程，首次考虑了钻柱的涡动效应；建立了钻头与正 交各向异性地层相互作用模型，提出了井眼轨迹预测和控制的新方法。 h s h o 建立了新的岩石钻头相互作用模型，预测定向钻井中的经验轨迹【1 2 1 ，它考 虑了地层和钻头的各向异性钻进特性对钻具钻进趋势的影响。由于该模型是三维的，因 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 此能够预测各种钻井状态下特定的底部钻具的运动走向及造斜或降斜趋势。 杨勋尧是较早进行钻具控制井斜研究的学者【1 3 】，根据地层各向异性理论，推导了地 层造斜力的直接计算模型公式。利用这个模型公式不仅能简化钟摆钻具控制井斜的计 算，准确而又方便地计算地层各向异性指数，还可以结合钻柱力学对钻头上的总偏斜力 进行定量分析。 2 0 世纪8 0 年代后期，钻具组合的动力学问题及共振问题引起人们的关注【1 4 1 ，不少学 者开始钻柱振动机理问题的研究。根据钻柱振动测量发现，钻柱振动在直井中比在斜井 中严重。文献认为引发振动的因素有多种：转速、钻头与地层的相互作用、泥浆泵和稳 定器与井壁的冲击等。横向振动的共振频率主要取决于钻铤的尺寸和刚度、稳定器的位 置和井斜角等。 ( 3 ) 以提高综合钻井效益为目标的现代研究阶段 从2 0 世纪9 0 年代至今，钻柱力学的研究以提高钻井综合效率为目标，研究的问题也 从以往的静力学为主拓展到动力学问题。 m w d y k s t r a 和d c k c h e n 等人【1 5 1 对钻头和钻柱的动力学特性进行实验研究。结果 表明：采用抗回旋设计能够有效控制p d c 钻头涡动；钻柱横向振动产生的不利影响远大 于轴向振动。现场测试说明，由于扶正器的隔离作用，钻头振动沿钻柱衰减很快。同时 还发现，地面与井下测量结果可能不一致。1 9 9 5 年，他们采用实验研究与理论分析相结 合，证明了钻柱质量不平衡是引起钻柱横向振动的主要原因之一( 钻柱质量不平衡包括 偏心、初弯曲及偏磨等) 。 j w n i c h o l s o n 提出了一套钻柱动力学设计、识别和控制方法【1 6 1 。该方法包括：钻柱 动力学分析和设计，实时监测，对三牙轮钻头的跳钻现象进行识别和控制，如b h a 螺旋 弯曲、横向振动及粘滑振动。此外，很多国外学者也对钻铤的振动及涡动、阻尼对振动 的影响、自激励振动等问题开展了研究，为后来研究者开展更深入的研究起到了很好的 推进作用。 a s 班和a e c h r i s t o f o r o u 系统研究了钻柱的各种振动及其耦合问题【1 7 1 。对轴向振 动与横向振动耦合问题，采用假设模态法( a s s u m e dm o d e sm e t h o d ) 建立b 哦动方程； 采用h e r t z 接触理论处理钻柱与井壁的相互作用；对b 雌动方程数值求解，论述了耦 合模型的非线性影响。另外对扭转振动与横向振动耦合，轴向振动、横向振动及扭转振 动耦合等问题也进行了研究。 高德利等人更加完善了用加权余量法解决钻柱力学问题的方法【1 8 1 。1 9 9 5 年，高德利、 3 第一章引言 徐秉业应用加权余量法，建立了b h a 大挠度三维分析模型，并编制了相应的计算机程序； 通过算例分析，初步阐明了井眼曲率及方程中的非线性项对钻头力学特性的影响。还对 井眼轨迹控制力学模型、钻柱力学若干基本问题进行了系统论述。此外，高德利等人还 对钻柱涡动机理、涡动规律进行了系统研究；并尝试利用b h a 涡动特性来“防斜打快 ， 提出了大钻压防斜理论并付诸实践n 9 1 。 李子丰等人也建立了b h a 三维大挠度静力分析模型，选用加权余量法、加权目标函 数和最优化方法确定了钻柱与井壁的切点位置，解决了多元非线性微分方程组和多元非 线性方程组的求解问题；还建立了三维转速方程及其反演模型，考虑了钻头和地层的各 向异性，及地层产状的影响。至1 9 9 6 年，李子丰出版了专著油气井杆管柱力学【2 0 】 和井眼轨道控制理论【2 ，系统论述了油气井杆管柱力学研究及其在井眼轨迹控制中 的应用。 施太和等人吲在钻柱动力学特性研究及应用等方面取得重要研究成果。包括：( 1 ) 钻柱失效机理研究；( 2 ) 研制了测扭方补心，直接测量方钻杆的扭矩和扭转振动；( 3 ) 首 次在钻柱分析中引入了机械学科中的故障振动及谱分析技术；( 4 ) 研制成功了水力加压 器，并已经系列化。 王宇和高国华根据物理相似原理，设计了井眼中管柱屈曲变形的小尺寸模拟实验装 型2 3 1 ，利用该装置对管柱在斜直井眼中的钻压传递规律、位移与载荷的关系以及临界屈 曲载荷进行了研究。通过改变管柱变形微分方程中包含的无因次轴力、无因次摩擦系数 和无因次轴力分布系数的值，对管柱在斜直井中的临界载荷、载荷传递效率、变形效应 等进行了模拟试验。 刘清友等通过建立牙轮钻头与井底岩石互作用模型，将钻头与井底岩石互作用力矩 作为钻柱的下端边界条件。在适当简化的条件下，利用弹性杆理论和单元法，建立了在 钻井过程中由于钻头与岩石互作用和钻柱弹性变形而导致钻柱产生扭转振动的动力学 模型【2 4 1 。在给定初始条件和边界条件的情况下，采用数值计算方法求解了钻柱扭振模型。 为进一步弄清钻头、钻柱在井底的实际运动规律和动力学性能，控制井眼轨迹，预防钻 杆早期失效奠定了理论基础。 中国石油大学( 华东) 建立了底部钻具动态模拟试验装置，利用该装置研究了不同钻 进参数条件下底部钻柱的动力学特性2 5 1 。研究表明：钻压和转速是影响钻柱运动状态 的最主要因素；受压钻柱的横向运动在不同转速条件下一般分为三个阶段：有规则摆 动阶段、无规则摆动阶段和规则反向涡动阶段，随转速的增加，钻柱运动逐渐由有规则 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 摆动阶段向无规则摆动阶段和规则反向涡动阶段转化；在利用b h a 防斜问题上，除了 钻具结构设计，还存在钻压和转速的最优配合问题。 章扬烈建立了国内首个底部钻具组合运动状态模拟试验装置，取得了十分重要的试 验研究成果 2 6 】。在“旋转钻柱的运动原理 中，提出了以反转运动为主要特征的旋转钻 柱运动原理，分析了钻柱的受力和变形。通过实验对钻柱运动状态有了新的理解和认识： ( 1 ) 当钻柱在直井中以转盘转速按顺时针方向绕自身轴线旋转时，贴向井壁的各钻杆接头 或钻铤，将以近乎无滑动滚动的方式绕井眼轴线反时针转动，这种反转运动的实质是多 支点接触的自激励振动；( 2 ) 只有当钻柱与井壁的摩擦力很小时，才不产生钻柱的反转运 动，而只绕自身轴线旋转。 1 2 2 钻柱失效研究 钻具是钻井系统中一个非常重要的组成部分，钻具失效是钻井作业中经常出现的问 题，破坏性极大，带来较大的直接和间接经济损失。美国2 0 0 0 年的一项统计和估算表 明，钻井费用占总勘探开发费用的5 0 8 0 ，大约1 4 的井都会发生钻具断裂事故， 每次断裂事故总损失约为1 0 60 0 0 美元【2 刀。 近年来，气体钻井技术在国内得到了迅速发展，取得了阶段性的研究成果，各大油 田纷纷在符合气体钻井作业的地层开展气体钻井作业，取得了显著成效，机械钻速是同 区块泥浆钻井的2 - 4 倍。随着气体钻井数量的增加，钻具失效问题日益突出，已影响到 气体钻井的安全和推广应用。据不完全统计，钻具失效次数与气体钻井数之间的比例为 o 8 1 o 次井，这还不包括施工过程中现场检测发现的有严重超标裂纹缺陷的钻具数量。 例如，四川地区某井在空气钻井过程中发生3 次钻具断裂失效事故，造成巨大经济损失。 表1 1 为气体钻井钻具失效情况统计。 表1 - 1 气体钻井钻柱失效数统计 t a b l e l - 1q u a n t i t a t i v es t a t i s t i c so nt h ef a i l u r eo fd r i l ls t r i n gi na i rd r i l l i n g 调研井钻具失效下部钻具( 钻铤、扶正器、 钻杆( 包括加重钻 检测到有超标裂纹 数v i数次转换接头等) 失效数次 杆) 失效数次 的钻具数量例 ，3 53 01 31 75 5 由于可调研的公开发表的资料较少，根据会议交流、座谈和参阅公开发表的文献， 目前认为，气体钻井钻具失效主要由以下三方面因素引起：一是钻具的剧烈振动及钻柱 共振造成的疲劳失效；二是钻具与气体中的氧及多种腐蚀性的化学剂接触产生化学腐 蚀；三是地层研磨性颗粒的高速冲击对钻具产生冲蚀作用。 5 第一章引言 针对以上三方面原因，目前用于防止气体钻井钻柱失效的具体措施如下。 1 2 2 1气体钻井中钻柱失效事故的预防 目前认为气体钻井中钻柱失效多以断裂失效形式为主，且钻柱断裂多集中在钻铤螺 纹根部，现场多采用通过改善钻柱的受力状况和降低钻铤根部应力集中的方法来预防钻 柱发生失效事故。 改善钻柱受力状况的关键是消除钻柱反转运动，通过防振或减振工具降低钻具的失 效几率。 ( 1 ) 气体螺杆 根据交变弯曲应力理论，要预防气体钻井中钻铤断落事故就必须减小交变弯曲应 力，就需要尽量消除或降低钻是适宜于气体钻井的一种井下动力钻具，但目前受到诸多 因素的影响使用还未推广，需要加快研究。 ( 2 ) 抗涡动钻头减振 涡动是引起横振的原因之一，它被认为是b h a 和钻头与井壁的啮合结果。b r e t t 等人 最早提出了p d c 钻头的涡动，同样牙轮钻头也存在涡动的情况。钻头的镶齿和井壁的 磨合因侧向切削力过高而引起钻头涡动。特别是硬地层切削性能很强的钻头，涡动效应 更强。之后b r c t t 等人提出了抗涡动钻头概念，具有一个低摩擦力的满眼翼片产生非平 衡的侧向力减少涡动。在与地层接触中，抗涡动钻头产生滑动避开与地层的啮合。目前， 抗涡动钻头在试验中用得很成功并在常规钻井中得到了推广应用。 ( 3 ) 钻铤接头的偏心度 钻铤接头的偏心度( 即相对于钻铤接头与钻铤本体的同心度) 也是引起横振的原因 之一。气体钻井中，钻铤接头的偏心度越大，则钻柱产生的横振效应也越大；而同心度 越大，则钻柱产生的横振效应就越小。因此，在实施气体钻井时，应尽量控制钻铤接头 的偏心度，现场最有效的办法是尽量使用新钻铤。 ( 4 ) 减振器 在气体钻井过程中，井下钻具产生的纵向振动和横向振动比常规钻井产生的振动要 大得多，严重情况下钻头的实际载荷( 钻压与转矩) 可能超过平均值的2 倍，将直接危害 钻头、钻具和地面设备。应用专门设计的钻具减振器可以大大减轻钻井过程中振动对钻 具的危害。大量反复模拟实验证明，减振器对波状井底引起的低频大位移纵振有多方面 的良好效果：消除钻头跳离井底的现象；大幅度降低钻头动载；使钻头能在较宽 的纵振频率范围内保持与井底接触；可加大钻头工作钻压的范围；减小钻头的功率 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 消耗；减小钻柱的纵振与应力；提高低钻压下的钻井效果；促使波状井底高差减 小。在气体钻井过程中，推荐采用纵向液压减振器。 目前常用的降低钻铤内螺纹根部应力集中的方法主要有：使用应力减轻槽、高扭矩 接头和高摩擦螺纹油。 ( 1 ) 应力减轻槽 各种类型和尺寸的b h a 接头一直都在使用应力减轻槽。应力减轻槽主要用于n c 3 8 或者更大的接头，其目的是：除去公扣台肩附近和母扣后部非啮合的螺纹，因为这些 螺纹常常是应力集中的区域；使弯曲发生在应力减轻结构区域，而不是发生在螺纹区 域。文献表明，不同的应力减轻槽宽度对旋转肩台连接头的疲劳寿命有不同的影响，应 通过有限元分析法计算不同尺寸钻铤应力减轻槽的宽度。 ( 2 ) 高扭矩接头 振动很可能使螺纹联接的台肩承载减少，导致螺纹联接失效。为此，需要提高螺纹 联接的台肩承载力，这就需要提高接头的紧扣扭矩。但是，紧扣扭矩过大会导致接头的 高应力和结构破坏或很快的疲劳破坏。采用多台阶螺纹是增加接头抗扭性能的有效途 径。常规a p i 接头提供了单一外部扭矩的螺纹台阶。在给定的接头外径和内径情况下， 双台阶和多台阶螺纹可增大接头的抗扭能力。双台阶接头比常规接头的抗扭能力提高 4 0 - 6 0 。 ( 3 ) 高摩擦螺纹油 钻柱接头紧扣分井口动力紧扣和井下上扣。螺纹联接承载受螺纹油摩擦特性的影 响。螺纹油一般由可塑性相对较弱的材料以及油混合组成，在连接紧扣时，螺纹油中的 固体金属和非金属性成分被挤压并发生变形。紧扣后，螺纹中和台肩不规则表面被补偿 并且由一层薄的可压缩性附属物所盖住，形成保护层，从而防止金属与金属的相互接触， 因而降低了金属与金属的相互摩擦趋势。螺纹油影响上扣扭矩有三方面：摩擦系数、螺 纹油成分的变形和固体颗粒的坚硬性。一般来说，润滑机油和原油、铅、石墨和硫可降 低摩擦系数；而铜、锌、氧化锌和硅酸盐可增大摩擦系数。针对气体钻井钻铤容易出现 失效的情况，可以柱的反转运动。其最理想的办法是采用井底动力钻具，让钻柱不转。 气体螺杆选择铜基螺纹油，并根据实际需要采用高摩擦系数的铜基螺纹油。目前，铜基 螺纹油的最高摩擦系数可达到1 2 7 。现场试验表明，使用高摩擦螺纹油可按需要的紧扣 扭矩增加2 0 - - 3 0 。 1 2 2 2 气体钻井中钻具腐蚀的防治与控制措施 7 第一章引言 气体钻井离不开空气，要清除空气中的氧是不可能的( 除非使用氮气，但成本太高) 。 另一方面，由于空气钻井气柱压力低，地层流体易进入井眼。因此必须根据井下情况采 取合理措施，扬长避短，既要发挥空气钻井的优势，又要尽可能地减轻腐蚀，保护钻具， 提高经济效益。结合以往经验，空气钻井应采取以下措施进行钻具防腐。 ( 1 ) 干地层使用纯空气钻井；低压水层使用干泡沫钻井；高压水层使用泡沫钻井。 由腐蚀机理可知，空气( 氧气和二氧化碳) 对钻具产生腐蚀，必须有水存在。在干燥环境 中，空气不会产生腐蚀，但在潮湿环境中，即使氧的含量相当低( 少于l m g l ) ，也能引 起严重的腐蚀，所以地层不出水时，可以进行干空气钻井。当地层出水后，可以增加空 气排量进行雾化钻井。当地层出水量较大，含盐量较高时，干空气钻井无法作业，必需 采用泡沫钻井。这样既可降低空气排量和环空返速，减少钻具冲蚀，又可用泡沫将空气 包裹起来，减少空气与钻具接触机会。同时，通过调节p h 值，提高缓蚀剂和泡沫的协 同效益，减轻钻具腐蚀【2 引。 ( 2 ) 钻杆与介质( 包括空气、泡沫) 接触的表面需进行防锈处理，如电镀锌保护层等。 ( 3 ) 停钻后应用清水及时冲洗所有泡沫通道、钻具、设备。 ( 4 ) 配制高p h 值的发泡剂，且其中添加有各种保护剂。 1 2 2 3 气体钻井中钻具冲蚀的防治措施 巴西在采用空气泡沫钻井时，在钻井施工中遇到的主要问题之一是钻柱在玄武地 层的磨损，并专门合成了一种抗腐蚀和磨蚀剂，该剂是一种气体钻井防腐剂，尤其适用 于高温地热空气钻井。h a r a 研究了在油气环境中流速对不同分压的c 0 2 腐蚀行为的影 响【2 9 。3 0 】。w r a n g l e ng 的研究结果认为，当流体由层流变为湍流时，金属表面将由腐蚀变为 磨蚀，具有表面光亮没有腐蚀产物的特点，其破损面一般具有按流入方向切入金属表层， 呈现深谷或马蹄状狭长凹槽的特征。 目前防止磨损腐蚀的措施主要有以下几种： ( 1 ) 结构设计合理，改善流体流型，减少造成湍流和涡流的产生条件； ( 2 ) 正确选材，根据实际钻井工艺条件选取适宜的耐磨材料； ( 3 ) 表面处理，如采用喷丸、冷加工等措施增加表面硬度； ( 4 ) 电化学保护。 1 3 目前存在的问题及本文的研究内容 尽管近年来国内外采用理论分析、现场测量及室内模拟等方法，深入研究了b h a 运 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 动状态及动力学特性，但目前对气体钻井钻柱运动学特性及钻柱失效的原因和机理方面 的研究仍存在以下问题： ( 1 ) 对气体钻井b h a 运动状态( 尤其是涡动) 的认识有限，对b h a 涡动机理、影响规 律等关键问题认识不清，制约了b h a 动力学研究及其在防斜打直中的应用； ( 2 ) b 峨动状态及动力学分析模型还不完善，对b h a 运动状态的处理均过于简单 化，考虑因素不全面； ( 3 ) 国内外目前还不能现场测量气体钻井b h a 动力学特性，缺少先进的地面和井下 测量系统，需要进一步提高室内模拟试验研究水平； ( 4 ) 对气体钻井钻柱失效机理及原因缺乏足够的认识，不能有效降低气体钻井过程 中的钻柱失效。 针对上述问题和国内钻井现场实际需要，本论文将在国内外研究的基础上，将理论 研究和室内模拟实验相结合，开展以下几项研究工作： ( 1 ) 气体钻井钻柱动力学特性的实验分析 利用中国石油大学( 华东) 现有的下部钻柱运动状态模拟实验装置，针对不同井眼尺 寸及钻具组合条件，研究钻柱的运动状态及钻头处相关参数( 如钻压、转速等) 的变化规 律和钻柱的振动规律，为下一步气体钻井钻柱受力分析及力学模型建立提供依据。 ( 2 ) 气体钻井钻柱受力分析及力学模型 借鉴和参考国外在钻柱动力学和气体钻井方面的研究成果，结合我国气体钻井技术 的实际情况，建立气体钻井钻柱系统动力学模型，并确定合理的初始条件、边界条件， 实现对模型的求解。从而实现对钻柱受力状态及钻柱运动状态的分析。 ( 3 ) 气体钻井钻柱失效机理研究 结合钻柱的各种运动状态，分析气体钻井钻柱失效的主要原因，并找出确定转盘转 速的方法。 9 第二章底部钻柱运动状态的实验研究 第二章底部钻柱运动状态的实验研究 气体钻井中底部钻柱的工作环境和运动状态均十分复杂，现场测量研究存在技术难 度大、经济成本高等缺点。相比之下，模拟研究底部钻柱运动状态比较容易实现。本论 文以石油大学( 华东) 的底部钻柱模拟装置为依托，模拟研究底部钻柱在不同条件下的运 动状态，为下一步建立b h a 运动状态分析模型做准备。 2 1 模拟试验原理 2 1 1 运动方程 相似原理是研究自然界和工程中各种相似物理过程或现象的理论基础【3 l ，3 2 1 ，该原理 依据的是相似三定理，即相似正定定理、n 定理、相似逆定理。底部钻柱模拟实验装置 即是依据相似原理创建而成，相似准则的推导以钻柱运动微分方程作为现象描述方程， 采用相似转换法则推导出相似法则。文献【3 3 , 3 4 , 2 5 对实验装置的静力学及动力学相似原理 进行了研究，本文的工作在此基础上展开。 钻柱动力学方程： 聊窘+ 尸窘+ 嘉2 旧等2 + 白嘉，一( 嘉+ 2 6 0 嘉) + 詈= 。c 2 哪 如果忽略内外阻尼作用的影响，那么公式可以变为 所窘+ 尸窘+ 田窘一m r 2 ( 鑫+ 2 国嘉 _ o c 2 q 该方程即为底部钻柱运动状态模拟试验的运动微分方程，将各物理量下标用缈表 示，则得到模型的运动方程 等+ 己静+ 毛l 彖一“( 袅也袅 = 。， 2 1 2 相似准则 单值性条件如下： 几何条件：钻柱外径d 、内径d 及长度，、回转半径，及井眼直径仇。有时还要 给定井斜角口等。 物理条件：钢材的弹性模量e 、单位长度质量朋( 或密度p ) 以及“应力一应变 特性。不计转轴内阻尼，将钢材视为理想的弹性材料。 边界条件：转轴刚性铰支，边界上位移、弯矩均为0 ，边界条件取为 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 f z ( o ，f ) = z ( ，r ) = y ( o ，f ) = y ( ，) = o t 警( 吡) = 万0 2 z i ，) _ 窘( 。，f ) 一d 苏2 y ： f ) _ 。 起始条件：仅考虑轴向力尸、时间f 、自转速度国即可。 根据几何相似要求，单值条件中具有长度单位的物理量有相同的几何比c ，如钻柱 内外径d 和d ，长度，坐标x 、y 、z 等；具有角度单位的物理量保持不变，如井斜角 口等。 铲m m m ，c ，_ p 尸m 舻鲁， q = 争舻手舻等 ( 2 - 5 ) q 2 鲁，巳2 詈，2 告 模型甲明焚量全邵用原型中的变量来表不，= c = m ，己= 尸，瓦= e ， = c f l ，乙= 白，乙= 叩，= 国，代入式( 2 3 ) ，整理得到： 等珑窘专尸丽a 2 y + 丁c e gl - 可0 4 y 七c f ) m r 2 ( 壶丽0 4 y + 2 苦国丽0 3 y = 。( 2 - 6 ) 使实物与模型的控制方程对应系数相等，可以得到 了c c l ：垒：c e c 3 t = c m 2 c t = c = c t c 。 ( 2 7 ) c ：c tc ；c ：c t 、。 由于涉及到模型材料的选择，因此这里把用孑替换，q 用0 替换，从而得到下 列三个独立等式 c p = c e ce 2 ，c c e = c ，c 2 l ，c l c 口乱q 加上角度单值性条件，可以得到4 个相似指标方程如下 了c p = 1 ，萼= 1 ，番= l ，吃= 1 ( 2 - 9 ) c 矗 c 囊c 囊吒 ” 将模型与原型的相应参数代入，即可得到如下相似准则 去= 参 e 0 ：l e l 。 、 篝= 要(2-lt)12 p m p l 。 、j 第二章底部钻柱运动状态的实验研究 上= 二l p 22 m p 1 2 分 p 0 一m p l 口册= o t ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 2 1 3 模型与原型参数的相似比 所有具有长度单位的物理量，如钻柱的内外径、长度，以及井筒内径等，具有相同 的几何比，约为c l = 1 1 0 4 。 实际钻柱的材料钢的密度p = 7 8 5 9 c m 3 ，弹性模量e = 2 1 0 g p a ；模拟钻柱采用的 材料为a b s 塑料，密度p m = 1 0 8 4 9 e r a 3 ，弹性模量= 2 2 3 g p a 。 将已知参数代入相似准则，得到转速国和钻压尸的相似变换式为： 乞= 生= 国 2 8 8 ( 2 1 4 ) 铲告= 彳志 说明实验模型转速是现场的2 8 8 倍，实验钻压是现场的1 1 0 1 8 5 。实验参数与钻进 参数的对应关系为：室内钻压l k g ( 9 8 ，约为现场钻压1 0 2 吨( 9 9 8 l ，室内转速1 0 h z 相当于现场转速2 0 8 3 r m i n 。 2 2 实验装置 2 2 1 装置总体结构 底部钻柱模拟实验装置主要结构如图2 1 所示： a 、模拟实验架基础机架部分 机架部分包括以下部件：( 1 ) 操作台；( 2 ) 扶梯；( 3 ) 支撑钢槽；( 4 ) 上机座；( 5 ) 下 机座；( 6 ) 扶正杆、u 形卡、延伸板等；( 7 ) 升降装置； b 、实验动力部分 钻柱模拟实验装置的动力主体部分是一台调速电机，主要用来作为驱动模拟钻柱旋 转的动力原件。动力装置安装在实验装置的顶部实现顶部驱动。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - l 底部钻柱动力学研究实验装置示意图 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ed r i l ls t r i n gd y n a m i c so fb h a 卜井底座架；2 一激振器；3 一功率放大器；4 一信号发生器；5 一模拟井底；6 一模拟钻头；7 一下操作台； 8 一井筒 9 一模拟钻柱；1 0 一铝筒；1 1 一薄铝圆盘；1 2 - 固定支架；1 3 - 位移传感器；1 4 - 上操作台；1 5 - 上机架；1 6 一柔性街头；1 7 一皮带轮；1 8 一旋转接头；1 9 - 拉力传感器；2 0 - 升降绳：2 1 - 手柄；2 2 - 辘轳； 2 3 - 传送带；2 4 - 电机；2 5 一多路数据采集系统；2 6 - 数据输出及处理计算机；2 7 - 压力传感器。 1 3 第= 章底部钻柱运动状态的实验究 嗣豳 图2 _ 4 模拟钻柱、扶正器和井筒 尉晷2 s y s 4 t e m t h c e n 。t r m a m l i z “e h r 6 a “n g d d w 圳e lb 删o r e “豁 l 圈2 - 5 数据采集处理系统 f i 2 - 5 t h ed a t aa c q u i s i l i o ua n dp r o c e s s i n g 中国石油大学( 华末) 硬士学位论文 田2 - 6t o p 多锺道瞬态披字分析系统界面 f , g a - 6t h e m u l t i - c h a n n e l m 画啪l u a l y s hs y s t e m i n t e r f a c e 2 2 2 模拟钻柱和井筒 模拟钻柱由a b s 工程塑料棒加工而成，中空，通过两端螺纹将各段钻柱联接成整体。 模拟井筒为有机玻璃管，便于直接观察b h a 的运动状态。模拟钻柱的总长度约1 2 m ， 可模拟的b h a 长度约为1 2 0 m 。现有两套模拟钻柱及井筒，基本上能够模拟中3 1 12 n u n 井眼、( 1 ) 2 4 45 m m 井眼中的所有防斜钻具。 钻柱类别 外径( m m l内径( r a m ) 总长度( m ) 0 2 2 8 m m 模拟钻铤 5 0 0 2 03 m m 模拟钻铤2 0 o1 8 4 m m 模拟钻挺50 o3 1l m m 井筒4 0o3 n o 2 2 3 测量装置与设备 ( 1 ) 参数校正 由于模拟试验条件与以前不同，而且试验装置转速控制系统更换了新的控制模块， 原来的标称速度一转速关系已经不能成立，需要重新标定。图2 7 即为改造后的模拟实 验装置测到的装置标称与转速关系曲线。 第二章底部钻柱运动状态的实验研究 _ 、 c e - 4 皇 e 趔 辩 蜷 擐 鞲 i 罂5 装置标称速度( k m h ) 图2 - 7 模拟钻柱标称速度一转速关系曲线 f i g 2 - 7r e l a t i o n s h i pb e t w e e nn o m i n a ls p e e da n dr o t a t i n gs p e e do f t h es i m u l a t i n gd r i l ls t r i n g 通过数据拟合，得到装置标称速度和实际模拟钻柱转速之间的关系为： = 6 0 4 6 2 v p + 5 8 0 7 式中 模型模拟转速，k m h ； 1 ，。装置标称速度，k m h 。 根据该关系式，可得到标称速度对应的模型与原型转速之间的关系，如表2 1 。 表2 - 1 标称速度对应的模型与原型转速关系 t a b l e2 - 1 c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pa m o n gn o m i n a ls p e e d 、m o d e ls p e e da n dp r o t o t y p es p e e d 标称速度( k m h ) l23 4 56 模型转速( r m i n ) 6 6 2 71 2 6 7 31 8 7 1 92 4 7 6 63 0 8 1 23 6 8 5 8 原型转速( r m i n ) 2 3 0 l4 4 0 06 5 o o8 5 9 91 0 6 9 91 2 7 9 8 ( 2 ) 参数测量设备 为了测量钻压及位移参数，配置了拉压传感器及涡流位移传感器，同时实验室还备 有多通道瞬态数字分析仪t o p 2 0 0 0 。t o p 2 0 0 0 配合计算机可以进行信息存储与处理，具 体参数见表2 - 2 。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 - 2 信号测量设备及数据采集系统 t a b l e 2 - 2t h e s i g n a lm e a s u r e m e