（油气井工程专业论文）深井钻具失效的理论研究.pdf

a c a d e m i cr e s e a r c ho fd r i l l s t e mf a i l u r ei nd e e pw e l l a b s t r a c t i ne x p l o i t a t i o no f d e e po i la n dg a si nt h eo i l f i e l d i ti sn e c e s s a r ya n du r g e n tt os o l v et h ep r o b l e m o f1 0 w e rd r i l l i n gs p e e d w h e ni n v e ：s t i g a t i n gt h er e a s o n sf o rt h i sp h e n o m e n o n w ef i n dt h a ti ti s m a i n l yb e c a u s eo ft h ef r e q u e n td r i l l s t e mf a i l u r e si nt h eo i l f i e l d t h es u p p o r tv e c t o tm a c h i n e t e c h n o l o g yi sa n e wt e c h n i q u ef o rd a t am i n i n ga n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n ti n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，i t h a sb e e nd e v e l o p e db a s e do nt h es t a t i s t i c sl e a r n i n gt h e o r y a n di th a saf i r ma c a d e m i cf o u n d a t i o n t h es v mn e t w o r ki ss i m i l a rt ot h ea n n ：i tc a ns e a r c ho p t i m i z a t i o na u t o m a t i c a l l ya n do b t a i nt h e o p t i m a ln e t w o r ks t r u c t u r eb yl e a r n i n gt h el i m i t e ds a m p l ed a t a , m e a n w h i l e ，i tc a no v e r c o m et h e d e m e r i to fo v e rl e a r n i n go fa n n c l u s t e r i n ga n a l y s i si sa ni m p o r t a n ti n s t r u m e n tf o rr e c o g n i z i n g s t a t i s t i c a lp a t t e r n ；i tc a nr a n g eap m t e mi n t oo n ek i n do fs o r t so rc l u s t e r i n gc l a s s i f i c a t i o n s t h e r e f o r e p a t t e r n si nt h es a l n ec l u s t e r i n gc l a s s i f i c a t i o ni sm o r en e a rt oe a c ho t h e rt h a nd i f i e r e n t o n e s t h eb a s i cf u n d a m e n t a lo fc l u s t e r i n gt h e o r yi so nt h ev i e wo fb i r d so faf e a t h e rf l o c k t o g e t h e rw i t h o u tf o r u l e re x p e r i e n c e s ；i tc a nc l a s s i f yd i f f e r e n tk i n d so fs a m p l e si n t od i f f e r e n ts o r t s a c c o r d i n gt ot h es i z eo f t h ei n t e r v a lb yu s i n gt h em a t h e m a t i c a it e c h n i q u e s t a k ev i e wo f t h ep o i n t t h a tb o t ho ft h et w ot h e o r i e sn e e dt oc a l c u l a t et h ei n t e r v a lt oap l a n eo rap o s i t i o n ，w ep r o p o s ea n e wt e e h n i q u et oa n a l y z et h er e a s o n sf o rd r i l l s t e mf a i l u r ei nd e e pw e l lb a s e do ns v ma n dc l u s t e r a n a l y s i s ，i tc a ne x e r tt h e i rp r e d o m i n a n c e sa n do b t a i ng o o dr e s u l t s f i r s t l y ，w ei n t r o d u c et h em a i n i n f l u e n tf a c t o r sa n db a s i ct y p e so fd r i l l s t e mf a i l u r ei nd e e pw e l l p r i n c i p l eo fs v mt e c h n o l o g y a n dc l u s t e r i n ga n a l y s i st h e o r y ；s e c o n d l y w ed os o m es t a t i s t i c a lw o r ka b o u tt h ed r i l l s t e mf a i l u r e e v e n t si nd i s t r i c t sx u j i a w e i z ia n dh a i l a e ri nd a q i n go i l f i e l d a n dw ef i n do u tt h e r ea r e8 0 f a i l u r e si n5 0d e e pw e l l s b yu s i n gt h ek n o w l e d g eo fs t a t i s t i c a lm e t h o d s ，w ef i n do u tt h e s t a t i s t i c a lr u l e so fd r i l l s t e mf a i l u r e si nd e e pw e l li nx u j i a w e i z ia n dh a i l a e rd i s t r i c t s ；t h i r d l y ，b y u s i n gt h es v ma n dc l u s t e r i n ga n a l y s i sw e e s t a b l i s ha na n a l y t i cm o d e lf o ra n a l y z i n gt h er e a s o n s o fd r i l l s t e mf a i l u r ei nd e e pw e l l i no i l f i e l d f o ri n s t a n c ew ea n a l y z et h ed a t ac o m ef r o md i s t r i c t s x u j i a w e i z ia n dh a i l a e ra n da c c o m p l i s ht h er u d i m e n t a lr e a s o n sf o rd r i l l s t e mf a i l u r ei nd e e pw e l l w ed e v e l o pad a t a b a s es o f t w a r et or e c o r da n dr e s t o r et h ed a t a ，t h es o f t w a r ec a ni n p u tr e c o r d ， m o d i f yr e c o r d r e q u i r er e c o r da n do u t p u tr e c o r da tr a n d o ma c c o r d i n gt ow e l ls i t e s ，y e a r s 、d i s t r i c t s a n df a i l u r et y p e s ；w ed e v e l o pad r i l l s t e mf a i l u r ea n a l y 吐c a ls o f t w a r eo fd e e pw e l l b o t ho ft h e s o f l w a r e sp r o v i d ec o n v e n i e n c et ot h er e s e a r c h a tl a s t ，w ep r o p o s ep r e c a u t i o n a r ym e a s u r e sf o r d i s t r i c t sx u j i a w e i z ia n dh a i l a e rb a s e do nt h ea n a l y t i c a lr e s u l t s k e yw o r d s ：d e e pw e l l ；d r i l l s t c mf a i l u r e ；s u p p o r tv e c t o rm a c h m e ；c l u s t e r i n ga n a l y s i s ；f a i l u r e r e a s o n ；p r e c a u t i o n a r ym e a s u r e s 大庆石油学院硕卜研究生毕位论文 第1 章概述 1 1 钻具失效研究的目的和意义 随着油气勘探开发工作的不断深入，为满足各地区勘探开发深层石油和天然气的 需要，深井钻井规模日益扩大，各油田深井钻井数量逐年增多，而且呈现出越来越深 的趋势。深井钻井相对于其它钻井，存在着以下几点特殊性：( 】) 钻井工程的系统性和 复杂性。对钻井技术、操作方法和钻井工具等提出了更高的要求；( 2 ) 深部地质条件恶 劣。地层岩性一股为上软下硬，并且可能有软硬交互的地层，容易出现蹩钻、跳钻现 象，使得钻具发生疲劳失效的几率加大；( 3 ) 钻井周期长。下部岩石的可钻性缴值高， 钻时慢，钻进困难；( 4 ) 地温梯度高。平均地温梯度4 - 5 0 0 m ，井深4 0 0 0 m 左右， 井底温度达1 4 0 以上。所有这些使得深井钻井钻具更容易发生失效事故。因钻具失效 而导致钻井事故在国内外都非常普遍。在国外，s p e d r i l l i n ge n g i n e e r i n g 在1 9 9 2 年刊 载文章，介绍了在1 9 8 7 1 9 8 8 年西非海上的5 口直井钻井情况，这5 口井深度在 2 5 9 1 3 9 6 2 m 之间。钻井过程中共发生6 6 次断裂事故，平均每口井1 3 2 次，平均每次 失效经济损失为2 万美元。国内各油气田每年至少发生钻具失效事故5 0 0 起：1 9 9 6 - 1 9 9 7 年四川川东地区就发生了3 0 3 起钻具断裂事故j 2 j ；1 9 9 9 年中原油田在陕北富县探区钻 井发生钻具失效2 7 事故起m ：大庆油田某区块在2 0 0 3 - 2 0 0 5 年间钻井发生钻具失效事 故4 5 起。所有这些钻具失效事故的发生，降低了钻井速度，延长了钻井周期，增加了 钻井成本，极大地阻碍了钻井技术的发展，需要找出一整套方案来解决钻具失效问题。 钻具失效是指钻具完全不能使用或仍然可以使用但达不到令人满意的功能或受到 严重损伤不能可靠而安全地继续使用，必须修理或更换【4 j 。本文研究的主要目的是针对 深井钻井的特点，运用相关的技术手段，找出钻具失效的主要影响因素和根本原因， 弄清深井钻具失效的机理，提出相应的预防措施，从而达到解决钻具失效的目的。 钻具失效而导致的钻井事故频繁发生，严重影响了钻井速度的提高，处理这些事 故耗费了大量的人力、物力和财力，造成了巨大的经济损失。所以进行大量的钻具失 效调研和进行相关的分析研究，弄清楚钻具失效的主要原因和机理，从而采取相应的 措施，提高钻具使用寿命，解决和预防井下钻具失效，提高深井钻井速度，进而提高 整体钻进效率和技术水平，最大限度地减少钻井成本，对提高钻探效益，进一步扩大 勘探开发规模，从而提高钻井整体技术水平，增强钻井国际竞争力，开拓国际市场也 具有十分重要意义。 1 2 钻具失效国内外研究现状 有关钻具失效方面的研究，早在2 0 世纪6 0 年代就已开始，但兴盛时期却开始于 2 0 世纪8 0 年代。在这个时期无论是外部条件( 如相关学科的发展、测量手段的完善等) 还是内部条件( 如钻井界本身的需要) 都已基本成熟，为钻具失效的研究提供了一个很 好的环境。通过对相关资料的阅读和分析发现，国内外有关钻具失效方面的研究主要 第1 毒 概述 集中在两个方面：理论分析和实验研究。 1 2 1 理论分析 理论分析即是运用统计数学、数值分析、腐蚀化学以及力学( 静力学和动力学) 等 理论知识对钻具组合( 钻柱) 建立相应的理论模型，辅以一定的边界条件对理论模型进 行求解，得出相关的结论，最后从理论的角度，提出解决的措施并以实际进行检验。 2 0 世纪8 0 年代，对钻具组合( 钻柱) 进行受力变形分析的方法主要归结为四类： al u b i n s k i 的微分方程法i ”、k k m i l l h e i m 的有限元法【”、b h w a l k e r 的能量法【”、白家 祉教授的纵横弯曲法| 5 j 。其中，对钻具组合( 钻柱) 进行动力及疲劳分析的方法有：微分 方程法、有限元法、间隙元法1 6 j 。微分方程法即是通过建立一组微分方程组来求得管柱 在各种工况下的受力与变形情况，得到许多极限载荷的计算公式和有益的结果，这些 结果加深了人们对于井下管柱说受力与变形情况的理解，对工程实际也有一定的指导 意义；有限元法也是一种近似的计算方法，它通过将管柱分散为有限离散的粱单元， 通过叠加方法将这些单元组合为一个整体，用来代替管柱原来的状态，并最终得到一 组以节点位移为未知量的代数方程组，该方法是一种成熟的数学方法，它的物理概念 简单，适用性强，不限制管柱的材料和形状，而且对单元的尺寸也无严格的要求，又 可较容易地考虑非线性的影响；间隙元法也是一种近似方法，它在有限元法的基础上， 在管柱与井壁的接触处构造了一个多向接触摩擦间隙元。这些方法具有定的理论意 义，也取得了一定的成果，在当时的确是一个很大的进步，但是它们单纯从钻具自身 来考虑，而没有考虑外界对钻井钻具的交互作用，并且有些因素考虑过于理想化，因 而具有一定的局限性，不能很好地解决实际问题。 1 9 9 4 年，学者高德利、高宝奎将钻柱破坏分为低应力疲劳破坏、塑性疲劳断裂、 环境介质作用下的疲劳和磨损失效等形式7 】。他们引入研究裂纹扩展速度的局部应力一 应变法，研究复合加载对材料性质影响的非比例循环概念及研究钻柱运动随机性的随 机载荷谱等概念和方法。这些机理研究是解决钻具失效问题不可缺少的一步，是建立 科学的破坏判据、指导实践的关键之一；但是该理论具有片面性，因为疲劳破坏只是 钻具失效的一种表现形式。 1 9 9 5 年学者李子丰、马兴瑞、黄文虎建立了适用于钻柱几何非线性动力分析的钻 柱动力学基本方程【8 1 ，在此基础上建立了导向钻具三维小挠度静力分析的数学模型、导 向钻具三维大挠度静力分析的数学模型、钴柱稳态拉力一扭矩模型。该方法也只是从 静载荷考虑钻具的受力而忽略了动载荷的影响。 1 9 9 6 年学者阎铁等运用线弹性力学理论从上扣扭矩、轴向外载、内外水压等几个 方面建立了钻铤螺纹连接处的受力模型【9 】，指出钻铤螺纹连接处的应力集中( 从根部起 第1 、2 扣上受力过大) 是钻铤断裂的主要原因，著按照研究成果提出了几点应对措施。 2 0 0 0 年学者杨自林等根据钻柱各部分在井内的受力特点不同将其划分为钻柱井口 处、零应力点上部、零应力点附近、零应力点下部四个失效段进行研究”“，试图查出 其失效的实质及根本原因，从而提出科学可行的防范措施，有利于全面系统地预防钻 具失效。 2 0 0 1 年学者石晓兵、施太和以结构力学中的梁柱理论为基础，建立了带稳定器的 2 人庆石油学院侦卜研究生学位论文 下部钻具组合在弯曲井眼内的解析法力学模型”i ，研究下部钻具组合的弯矩和弯曲应 力的分布规律。同年，该学者又以固体力学有限元理论为基础，建立了带扶正器f 部 钻具组合在弯曲井眼或斜直井眼中的有限元力学模型，求解并得到了下部钻具组合的 应力场，并着重对影响钻具组合应力水平的影响因素即井目& 曲率、钻压、钻柱稳定器 的安放位置等进行了敏感性分析，揭示了下部钻具组合失效的力学机理。 2 0 0 3 年学者陈金国等采用小角度直探头超声探伤法来研究钻具失效2 】，检测钻铤 螺纹处可能存在的疲劳裂纹，预防井下钻具事故的发生。 2 0 0 4 年学者练章华等通过研究指出【l ”，钻杆内不但存在自转转速，而且还存在反转 转速，其弯曲频率为钻杆自转转速与其反转转速之和。在钻杆自转转速定时，钻杆的反 转转速与环隙比值b 有关。根据油田现场井身结构尺寸、钻井参数，详细地分析了油 田现场钻杆反转转速、弯曲频率和其环隙比与反转运动的关系。研究结果为深井和超 深井合理钻井参数的选择提供了理论依据。同年，李庆光，聂荣国，吴晓明等学者通 过研究指出，石油钻柱因工作条件十分恶劣，使其成为钻井设备工具中的一个薄弱环 节。特别是在深井、超深井及复杂地质环境条件下钻井，钻具失效事故时有发生， 造成了很大的经济损失。防止和减少钻具失效，关键在预防。对钴杆和加重钻杆、光 钻铤、带扶正器的下部钻具组合、配合接头、震击器等钻具失效机理进行分析，指出 了带共性的深井、超深井钻柱失效的主要特征，剖析其失效的实质及根本的力学原因， 指出钻具失效主要是连接螺纹的应力集中所造成的，并着重分析了钻具失效与连接螺 纹交变弯曲应力的相关性。提出了可行的、科学的预防钻具失效的方法和措施。 2 0 0 5 年，学者孙书贞分析了中原油田富县探区古生界探井钻具失效的主要原因j ， 根据地质条件和钻井需要，优选了井身结构、合理设计钻具组合、优化钻井液体系、 优选钻头类型和配套钻井参数，并采取了切实可行的预防钻柱失效的措施，在富古5 井上取得了一定的效果。 1 2 2 实验研究 实验研究是指钻柱动力响应的实验及现场数据的获得和分析f i6 。2 “。在实验研究方 面，有关的测试方法越来越简单，精度也逐步提高。目前国外测试井下动力响应的工 具主要有井下测试工具和地表测试工具两种：井下测试工具是将该测试短节安装在近 钻头处，测试信号通过泥浆脉冲传感器传到地面，在地面通过计算机将信息加以处理， 得到有关的振动响应、加速度等信息：表面测试工具仅靠在地面安装一个测试短节即 可达到上述的测试目的，这样也可避免井下些不利因素( 如高温等) 对测试结果产生 影响。通过上述的测试和分析，可以随时调整钻井参数和钻具结构，有效防止井下钻 具失效事故的发生。 1 3 本论文的研究工作 在各大油田进入深层开发的过程中，机械钻速低是一个普遍和急需解决的问题。 而频繁发生的钻具失效是影响机械钻速低的个重要原因。进行大量的钻具失效调研 和进行相关的分析研究，弄清楚钻具失效的主要原因和机理，从而采取相应的措施， 提高钻具使用寿命，解决和预防井下钻具失效具有十分重要的战略意义。 兰! 至堂堡 本论文的主要研究内容就是运用现场反馈的钻具失效数据，采用理论方法进行相 关的分析，试图找出钻具失效的根本原因，进而从根本原因出发，提出预防钻具失效 发生的措施。 首先，介绍了深井钻具失效的基本类型和主要影响因素，明确了钻具失效的基本情 况；然后对支持向量机和聚类分析理论进行了阐述，指出其优缺点及应用范围。 其次，运用聚类分析和支持向量机技术对徐家围子和海拉尔曲f 个区块进行钻具失效 原因分析。先是数据调研，大庆油田徐家围子和海拉尔两个区块共有5 0 口深井发生8 0 次钴具失效，运用数理统计学的相关知识对统计数据进行分析，找冉深井钻具失效的 统计规律。然后利用该理论的机器智能学习和基于小样本的特性，分析徐家围子和海 拉尔两个区块深井钴具失效数据，得出了该两个区块深井钻具失效发生的根本原因。 运用支持向量机技术分析钻具失效根本原因，用d e l p h i 语言编制了钻具失效的数 据库软件系统，可以按照井号、年份、区块和失效类型进行任意的录入、修改、查询 和输出，为研究提供了方便。另外，还编制了深井钻具失效原因分析软件，在预测和 聚类处理过程中手工效率较低，且不利于推广，而软件具有效率高、推广性强的优点。 最后，综合研究成果，提出了预防徐家围子和海拉尔区块深井钻具失效发生的措 施。 。4 本论文的创新点 通过调研发现，以往对于钻具失效的研究，基本上都是研究单个因素如螺纹连接 破坏导致钻具失效或者笼统阐述钻具失效发生有哪些原凼，然后指出解决这些问题需 要用到的理论措施，基本是简单的数据统计，缺少深入的理论分析和量化计算，因此 效果不是很理想。 本论文分析钻具失效的根本原因时首次运用了支持向量机技术，该技术与人工神 经网络有相同点，也有不同点。相同点是支持向量机技术和人工神经网络都属于机器 学习的范畴，都是利用机器的超强记忆和分析能力来研究一些表面看来毫无规律但在 深层里却隐含着重要规律的工程问题；不同点是人工神经网络需要大容量的样本进行 学习而构造自己的内部核心模型，而且容易出现过学习问题，支持向量机技术则需要 的样本容量相对较少，不会出现过学习问题。在实际中所得到的钻具失效数据是不能 用大容量样本来描述的，因而正好符合支持向量机技术的使用条件，也为本论文运用 支持向量机技术提供了依据。本论文运用支持向量机技术结合聚类分析理论建立了钻 具失效原因分析模型，并且运用现场数据为例进行了分析。通过查新国内外研究情况， 支持向量机技术被应用于较多领域，但在钻具失效分析中却较少应用。 运用d e l p h i 语言编制了深井钻具失效数据库软件，可以按照井号、年份、区块和 失效类型进行任意的录入、修改、查询和输出，来记录和存储分析过程中大量的数据； 编制了深井钻具失效原因分析软件，为研究提供了便利。 综合研究成果，针对徐家围子和海拉尔区块钻具失效的特点，对两个区块分别提 出了几点预防措施。这些措施的提出，一方厩是理论分析的结果，同时也是基于前人 分析的基础上，有针对性地提出的预防措施。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第2 章深井钻具失效的类型及主要影响因素 2 1 深井钻具失效的类型 钻具在井下的受力十分复杂，其服役条件苛刻，包括：钻柱所承受的载荷性质( 静载 荷、交变载荷、冲击载荷) 、加载次序( 载荷谱) 、应力状态( 拉、压、弯、扭、剪及各种复 合应力) 、温度、环境介质( 空气、水、钻井液、h 2 s 、c 0 2 、n a c l ) 等。另外，还有由于钻 具涡动引起的钻柱与井壁间的摩擦和高频撞击。钻柱在工作时还受磨蚀、磨损、粘滞力、 氢脆、温度等因素的影响。所以失效形式多种多样，概括起来主要有以下三类1 2 1 2 ”，并且 这几种失效形式常常同时存在并交互作用。 ( 1 ) 过量变形：钻柱接头在受载情况下螺纹部分的伸长；钻柱本体超过极限的弯曲及扭 转。 ( 2 ) 断裂：断裂在钻柱事故中占的比例较大，危害也较严重。主要包括以下几种： 过载断裂：如钻杆遇卡提升时焊缝热影响区的断裂；蹩钻时的钻柱体折断。 低应力脆断：在整个钻具失效中占相当大的比例。钻杆、钻铤和转换接头处均有 发生，如钻杆焊缝的脆性断裂；钻铤和转换接头螺纹部位的脆性断裂。这种断裂的原因是 疲劳损伤。其显著特点是，在突然断裂前没有宏观前兆，一般测量手段查不出来，在不知 不觉中造成灾难性事故。所以低应力脆断是最危险的断裂方式之一。 应力腐蚀断裂：是钻具失效的常见形式。如钻具在含硫油气井中工作时的硫化物 应力腐蚀断裂；钻杆接触某些腐蚀介质( 如盐酸、氯化物类) 时的应力腐蚀开裂。 氢脆断裂：当金属中存在过多的氢时，在拉应力作用下可使材料发生氢脆。实际 上，由硫化氢和盐酸引起的钻具应力腐蚀断裂也是由于氢的作用造成的。 疲劳断裂：一般发生在钻杆接头、钻铤和转换接头螺纹部位等截砸变化区域或因 表面损伤而造成的应力集中区。由于整个钻柱承受复杂的交变应力，有些部位，如螺纹根 部、焊缝及划伤等缺陷处会出现应力集中。缺口根部应力可高出平均应力几倍或更高。所 以缺陷处很快发生裂纹并扩展，直到断裂。 腐蚀疲劳断裂：在钻具失效中占4 0 ，且以钻杆为多。在钻杆失效中，腐蚀疲劳 断裂约占8 0 。与普通疲劳断裂一样，裂纹一般产生在应力集中严重的部位或以表面腐蚀 坑为源，萌生裂纹并扩展。 ( 3 ) 表面损伤 腐蚀：包括均匀腐蚀( 如钻具锈蚀) 、小孔腐蚀( 即点蚀，如钻杆存放或使用过程中， 内外表面的点蚀) 和焊缝腐蚀( 如钻杆表面皱折处的钻井液腐蚀，内外螺纹接头处啮合部位 的腐蚀等) 。 磨损：包括粘藿磨损( 如钻杆接头、钻铤及转换接头螺纹部分的磨损) 、磨料磨损( 如 钻井液和井壁对钻柱的磨损、螺纹脂中的杂质对螺纹的磨损) 和冲蚀磨损( 如钻杆的内外表 面及连接螺纹受到的钻井液的冲蚀磨损) 。 机械损伤：如表面碰伤、烧伤、大钳卡瓦及其它工具的压痕等。 第2 章 深井钻具失效的类型及主要影响冈素 2 2 深井钻具失效的主要影响因素 ( 1 ) 材料本身因素 材料成分不恰当。材料晶粒粗大，材料本身存在的夹杂物。材料冲击值不足，易引 起脆性断裂。 材料钢级选择不当。钻杆材料对腐蚀疲劳强度有影响，不同钢级钻杆的腐蚀疲劳强 度并不随钢级强度提高而增加。在钻井液中，腐蚀疲劳强度随钢级升高而降低。钢的强度 越高，越容易发生氢脆断裂。一般来说，屈服强度低于6 3 4 m p a ( 相当于洛氏硬度h r c 2 2 的钢材) 的钢材1 2 5 1 不会发生氢脆破坏。 ( 2 ) 地层因素 浅井中发生钻具失效很少，深井中钻具失效多一些，主要是浅井岩石硬度小，造成的 振动应力小，不超过疲劳极限，故不发生疲劳破坏。随着井深的增加，岩石硬度增大，振 动应力逐渐增大，在一定条件下可能超过疲劳极限，也就存在疲劳破坏的可能，说明地层 性质是造成钻具失效的重要原因之一。 硬地层：牙轮钻头冲击破碎岩石，岩石硬度越大，牙齿吃入越少，则冲击时间越短， 冲击载荷越大。钻头工作时产生的冲击载荷有利于岩石破碎，但也会使钻头轴承过早损坏， 使牙齿崩碎，而且应力波作用于钻柱上，引发钻柱的纵向振动，钻头的冲击载荷是钻柱纵 向振动的激振载荷。 砾岩地层：砾岩地层由于中间比周围岩石的硬度大，进尺慢，在井底形成突起，使 得井底形成商低不平的形状，钻头旋转钻进时，引发并加剧纵向振动，同时使钻头产生较 大的弯矩，加剧稳定器刮磨井壁，钻出的井眼不规则，当稳定器旋转通过时，可能瞬间卡 住，造成瞬闻高扭矩，并引发扭转振动。 ( 3 ) 井眼因素 井径不规则：由于各种原因造成井径扩大率较大，造成较大的钻柱弯矩，加剧钻柱 的疲劳破坏。 缩径：由于地层泥页岩吸水膨胀造成局部的缩径，稳定器通过时会产生较高的扭矩。 ( 4 ) 操作不当 遇卡大力上提。作用在大钩上的动载荷，当井下挂卡时大钩载荷超过钻具的屈服极 限时，钻具或接头螺纹将被拉长，产生过量变形，甚至钻具被提断，即过载断裂。另外， 起下钻时猛提猛刹，均会让井口处轴向载荷增加，造成过量变形。 顿钻会使钻具失去弹性，发生弯曲，导致工作载荷过大，造成过载断裂。 钻进中发生蹩钻容易使钻杆发生扭曲，一般发生在中和点以上的一段钻杆内。当钻 具上扣扭矩偏小时发生蹩钻，超扭矩引起螺纹部分再次进扣，引起连接部位失效，容易使 钻具涨扣，这在钻井中经常见到。 上扣扭矩问题：大尺寸钻铤上扣扭矩不够，小尺寸钻铤上扣过紧，这是各油田普遍 存在的现象。如果上扣扭矩不足，在公母接头相互接触的台肩处没有足够的负荷，就不能 产生足够的弹性压缩变形。钻铤在工作中因受压、振动或发生弯曲后，导致台肩分离，公 接头得不到台肩的支撑，致使在公接头根部与母接头啮合的第一扣附近出现应力集中，再 加上螺纹的切1 2 1 效应，就更容易产生疲劳破坏；另一方面，台肩分离后，接头的密封受到 太庆石油学院硕仁硼觅生学位埝文 观应力集中，再加上螺纹的切口效应，就更容易产生疲劳破坏；另方面，台肩分离 后，接头的密封受到破坏，高压泥浆就会从缝隙中流出，刺坏台肩和螺纹。造成上扣 扭矩不足的原因有以下几点：( a ) 对于9 i n ( 2 2 8 6 m m ) 以上的大钻挺，由于受到动力大钳 艟力的限制，猫头上扣，扭矩无法控制。所以达不到a p i 推荐的标准紧扣扭矩。( b ) 上 扣扭矩与钻铤扣型有关，而a p i 推荐的标准扭矩是对标准扣型而言的。使用的钻铤扣 型不标准，即使按a p i 推荐的标准扭矩上扣，也不能产生足够的台肩负荷。( c ) 上扣扭 矩与摩擦系数有关，而摩擦系数是由公母接头的表面粗糙度和使用的螺纹脂种类决定 的。公母螺纹表面粗糙度，由于加工方法不同，操作技术水平的差异，会在很大范围 内变化。如果加上所使用的螺纹脂不标准，则达到合适的台肩负荷所需要的上扣扭矩 将与a p i 推荐值有很大的差别陋1 。此外如果扭矩仪不齐全或使用方法不当，也会影响 上扣扭矩。 在作业过程中，如果操作不当，可因管体表面的碰撞拉划在局部造成硬度升高。 上卸扣时，大钳用力过紧会使管体外表面留有牙痕。在这些机械伤痕处，可诱发应力 腐蚀纹而造成断裂失效等。 螺纹脂性能选择不符合井下钻具要求，造成粘扣或密封台阶失效1 2 7 - 2 9 i 。螺纹脂主 要有两方砥的作用：一是在螺纹和台肩之间形成一致密的油膜，以避免金属的直接接 触，防止粘扣；二是当公母接头上紧后，螺纹脂中的金属颗粒受到压力变形，就会在 两台肩之间形成一环状“金属圈”，它除了防止台肩粘外，还能起到密封作用。因此， 对螺纹脂中的金属细粉添加剂有很多的要求，特别是在能够使钻铤产生剧烈振动的复 杂地层更是如此。如果使用的螺纹脂不合适，金属添加剂也不符合标准，那么在极高 的扭矩和压力作用下，油膜将消失或破裂，导致刺扣、粘扣现象。此外，如果螺纹脂 保管不妥善，沙子或泥土掉入其中，均会污染螺纹脂，造成钻铤接头的擦伤和密封不 严。如果台肩处螺纹脂涂抹不均匀，出现了空白处，那么在形成的“金属圈”上就会 有间隙和凹e l l 。这样就会使高压钻井泥浆漏失，刺坏台肩和螺纹，冲走螺纹脂及其中 的金属填充剂，当继续钻进时，会发生粘扣现象。 ( 5 ) 加工的原因 由于焊接工艺不良造成截面突变，或冶炼、加工工艺不当，出现应力集中或裂 纹。 钻杆内加厚过渡区应力集中，产生裂纹。 由于螺纹加工质量差，钻杆接头的螺纹齿底圆角半径过小，根部应力集中严重， 使疲劳强度下降。 内外螺纹接头锥度误差配合不佳，旋合后刚度不相配合，从而产生应力集中。 钻杆接头吊卡台肩处圆角半径过小，造成应力集中尤其是9 0 0 直台肩钻杆。 螺纹类型不当造成内外螺纹弯曲疲劳强度比过小，平衡连接时弯曲强度比要求 为2 5 ：1 。 台肩面宽度小于标准值，降低了密封效果及支撑作用。 接头完整螺纹长度低于标准规定的范围。 外径磨损及内孔增大，使弯曲强度比、抗扭强度等因素降低。如1 7 8 m m 钻铤内 径7 1 4 m m 的抗弯强度比为2 5 5 ：1 ，当外径磨损6 3 5 r a m 后抗弯强度比变为2 2 ：l ，内螺 第2 章 深外钻具失效的类型擞土要膨响引素 纹危险截面承受的弯盐应力会增大，钻铤的疲劳寿命将大幅度下降。 使用的钻铤没有加工应力分散槽，并且热处理4 i 当，没有很好地注意强度塑韧 性的合理配合。 ( 6 ) 钻柱振动 钻柱的扭转振动引起钻柱旋转速度时快时慢，当钻柱突然加速旋转时，扭矩可能 突然增加，一方面因钻柱与井壁的交互作用、公扣和母扣的交互作用，使得在接头处 产生很高的热量，从而螺纹脂从螺纹间隙流出，可能造成密封失效，同时高压流体沿 着螺纹间隙从管内流出，引起刺扣；另一方面，由于接头处传递的扭矩不是恒定的， 它不断变化，有时会改变方向，再加上纵向振动和横向振动的作用，使台肩负荷发生 变化。在剧烈的振动条件下，钻铤接头便发生松动。接头松动后，高压泥浆会由螺纹 的母线方向从台肩处刺出，刺坏台肩和螺纹。钻柱的振动同样也是引起螺纹刺扣的主 要原因。钻柱的剧烈振动使钻柱台肩负荷发生变化，同时也使弹性压缩量发生变化。 而钻铤螺纹本身没有密封作用，牙顶和牙底之间有定的间隙，钻进时，高压泥浆就 会充填其中。当台肩处的弹性压缩量变化时，接头两螺纹间的间隙也随着变化。问隙 变化时，其中的泥浆受到冲击，压力很快上升，产生的瞬时高压可以达到原高压泥浆 的数倍，甚至数十倍，这种高压泥浆从间隙中冲出，以“水击”的形式冲蚀螺纹齿根1 3 0 l 。 间隙变大时，高压泥浆又会挤入螺纹之间，如此往复，螺纹很快就会被冲坏。剧烈的 振动是引起粘扣的主要原因。剧烈的振动使台肩面产生极大的正压力和剪应力，破坏 螺纹脂膜，使其失去作用，导致金属表面的直接接触。在极大的交互应力作用下，接 触的表面会产生轻微的相互运动，并伴有能量放出。在高温高压作用下，两表面的金 属原子就有可能相互渗透，从而粘接在一起，即发生所谓的粘扣破坏。在较高的轴向 力下，强制公扣进入母扣，很容易引起母扣胀开或粘扣而造成联接失效。 ( 7 ) 流体介质 流体介质的影响主要是指钻井液、h 2 s 、c 0 2 、0 2 、溶解盐类及各种酸性物质。 钻井液腐蚀性的影响，主要指钻井液的p h 值，溶解氧浓度等。随着p h 值降低， 溶解氧浓度的增大，钻杆腐蚀疲劳强度大幅度下降。 对内表面无涂层的钻杆，应力集中及内加厚过渡区结构不合理、伤痕、轴向拉 伸载荷等因素，均加速流体介质对其的腐蚀。 在含h 2 s 油气环境中，易产生硫化物应力腐蚀。 h 2 s 、c 0 2 的侵入，也会使钻井液的p h 值下降，腐蚀性加强。随着钻井液中的 n a c l 的浓度及其它酸性物质的增加，腐蚀速度将明显加快。而且h 2 s 、c 0 2 、溶解盐 ( n a c i 、c a c l 2 、m g c l 2 、n a h c 0 3 等) 对钻柱的腐蚀也是相互促进的。 钻井液含沙及其循环，造成冲蚀磨损及磨料磨损。 潮湿的室外大气是钻具存放时的主要腐蚀环境。 ( 8 ) 温度 由于环境温度过低，材料的冲击力值严重下降，易引起冷脆断裂。 随着井下温度升高，腐蚀速度将加快，另外某些泥浆处理剂在高温下会分解， 产生h 2 s 、c 0 2 和0 2 等，加快了对钻柱的腐蚀。 在井下高温下，螺纹密封脂的性能下降，尤其是低温和减磨金属含量少的密封 人庆石油学院颂士研究生学位论文 脂，将导致丝扣和台阶性能下降。 低温状态下钻具按规定的上扣扭矩，在井底高温环境下，金属膨胀造成丝扣根 部应力集中。 ( 9 ) 风沙 沙漠钻井中风沙的影响也不容忽视。一般为石英砂，其维氏硬度为9 0 0 1 2 8 0 ，而 钻杆接头的维氏硬度为3 0 0 左右】，接头丝扣和密封台阶涂有密封脂极易粘附沙粒， 在上卸扣时产生磨料磨损，接头丝扣的连接和台阶密封将受到影响。 兰! 皇兰堡旦堡! ! 垫查塑至耋坌塑望笙 第3 章支持向量机技术和聚类分析理论 3 1 支持向量技术 支持向量机( s v m ) 是基于统计学习理论发展而来的学习方法，它通过构造最优分 类面，使得对未知样本的分类误差最小。根据结构风险最小化原则，s v m 通过最优分 类面的构造，在固定学习机经验风险的条件下最小化v c 置信度。对于两类线性可分 情形，可赢接构造最优分类面，使得样本集中的所有向量满足：( 1 ) 能被某一分类面正 确划分；( 2 ) 距该分类面最近的异类向量与分类面之间距离最大，即分类间隔( m a r g i n ) 最大，则该分类面为最优分类面。其中( 1 ) 是保证经验风险最小；( 2 ) 是使v c 置信度 最小，从而使期望风险最小。距离分类面最近的向量称为支持向量。一组支持向量可 以唯一确定一个分类面。 3 1 1 支持向量机简介 从事例中学习是学习理论及其应用的重要方面，它从有限样本出发，寻找产生样 本的底层规律。这种思路在本质上和传统的函数逼近、模式识别、函数拟合和概率密 度估计等问题是一样的。现角学习方法的重要理论基础之一就是统计学，它和传统统 计学研究的都是样本数目趋于无穷大时的渐进理论。然而，在实际问题中，用于训练 的样本数目一般都是有限的，从而导致一些理论上很优秀的学习方法在实际中难以取 得理想的效果。 在此背景下，v v a p n i k 等人从2 0 世纪6 0 年代开始研究统计学习理论( s t a t i s t i c l e a r n i n gt h e o r y ，简称s l t ) ，一种着重研究在小样本情况下的机器学习规律的理论m j 。 进入2 0 世纪9 0 年代，该理论被用来分析神经网络，到2 0 世纪9 0 年代中期，随着其 理论的不断完善和成熟，以及神经网络等学习方法在理论上缺乏实质性进展，统计学 习理论开始受到越来越广泛的应用。 统计学习理论是建立在套较坚实的理论基础之上的，它为解决有限样本学习问 题提供了一个统一的框架。它能将很多现有方法纳入其中，有望帮助解决许多原来难 以解决的问题( 比如神经网络结构选择问题、局部极小点问题等) 。传统统计学研究的 是样本数目趋于无穷大时的渐进理论，现有的学习方法也多是基于此假设的。但是在 实际问题中，由于某些客观条件的限制，用于训练的样本数目往往是有限的，导致一 些理论上很优秀的学习方法在实践中的表现可能不尽人意。与传统统计学相比，统计 学习理论是一种专门研究小样本情况下的机器学习理论。同时，在这一理论基础上发 展了一种新的通用学习方法支持向量机( s u p p o r t v e c t o r m a c h i n e s ，简称s v m ) ，它 已初步表现出很多优于已有方法的性能。支持向量机是专门针对有限样本的情况，其 目标是得到现有信息下的最优解而不仅仅是样本数目趋于无穷大时的最优解，它有严 格的理论基础，又能较好地解决小样本、非线性、高维数和局部极小点等实际问题。 有望解决或改进现有人工智能方法的一些缺陷，以促进人工智能的应用与发展。 人类智慧中一个很重要的方面是从实例中学习的能力，而用计算机来模拟这种学 大庆石油学院颀卜矾究生学何论文 习能力，即所谓的基于数据的机器学习。机器学习研究从观测数据出发寻找规律，利 用这些规律对未来数据或无法观测的数据进行预测。在石油钻井工程领域，由于其特 殊的行业背景，很多东西在地底下看不见摸不着，使得很多数据和情形很难观测甚至 无法观测，这正好可利用机器学习来解决。迄今为止，关于机器学习还没有一种被共 同接受的理论框架，关于其实现方法大致分为三种3 4 - 3 9 ： 第一种是经典的参数估计方法。现有机器学习方法共同的重要理论基础之一是统 计学。参数方法是基于传统统计学的，这种方法中模型的形式是已知的，训练样本用 来估计模型参数的值。这种方法有很大的局限性，首先，它需要己知样本分布形式， 而在实际问题中，这需要花费很大代价或根本就不可能。其次，传统统计学研究的是 样本数目趋于无穷大时的渐进理论，现有学习方法也多是基于此假设，但在实际问题 中，样本数往往是有限的；另外，这种方法无法避免维数灾难( c u r s eo f d i m e n s i o n a l i t y ) 问题，随输入空问维数的增加，如果要得到同样的估计误差，则训练样本数需要指数 倍的增加。这些缺点导致一些理论上很优秀的学习方法在实际应用中差强人意。 第二种是经验非线性方法，如2 0 世纪8 0 年代发展起来的人工神经网络。虽然， 这种方法克服了传统参数估计方法的固有缺点，能够依照需要假设数据内在相关性构 造非线性模型。然而，这些非线性方法缺乏统一的数学基础，通常是从生物学的理论 和一些学术流派中得到灵感，对于渚如神经网络中的结构选择和权重的初值设定，仍 需要借助于经验，得到的模型通常是局部最优解，而非全局最优解。 第三种是基于统计学习理论的方法。该方法从2 0 世纪6 0 年代发展起来的，统计 学习理论是一种专门研究小样本情况下的机器学习规律的理论。该理论针对小样本统 计问题建立了一套新的理论体系，在这种体系下的统计推理规则不仅考虑了在样本趋 于无穷大时对渐进性能( a s y m p t o t i c ) 的要求，而且追求现有有限信息条件下的最优结 果。 2 0 世纪9 0 年代中期，v a p n i k 和他的a t & b e l l 实验室在统计学习理论基础上提出 了支持向量机技术。支持向量机技术没有以传统的经验风险最小化原则作为基础，而 是建立在结构风险最小化原则基础之上，并发展成为一种新型的机器学习方法。它是 一种专门研究有限样本的学习方法，它能很好的解决小样本、非线性和局部极小点等 实际问题，且有很好的泛化性能和极强的非线性系统建模能力。 支持向量机的发展过程如下：作为支持向量机的奠基者v v a p n i k 早在2 0 世纪6 0 年代就开始了统计学习理论的研究。v v a p n i k 和a c l i e r v o n e n k i s 在”t h e n e c e s s a r ya n d s u m c i e n tc o n d