極限工況下鉆桿接頭疲勞分析

□ 郭王恒 □ 吳百川

長(zhǎng)江大學(xué)(武漢校區(qū))石油工程學(xué)院 武漢 430100

1 鉆桿受力分析

鉆桿在鉆井作業(yè)過(guò)程中，因井下環(huán)境復(fù)雜,失效事故時(shí)有發(fā)生,給油田開發(fā)帶來(lái)了重大損失。常規(guī)鉆桿失效的主要部位是鉆桿公扣主臺(tái)肩的螺紋位置,如圖1所示。由于螺紋的幾何形狀導(dǎo)致應(yīng)力集中效應(yīng),在復(fù)合交變應(yīng)力作用下，靠近主臺(tái)肩位置的螺紋容易產(chǎn)生疲勞裂紋,疲勞裂紋在循環(huán)應(yīng)力和腐蝕作用下擴(kuò)展,直至發(fā)生斷裂[1]。

▲圖1 常規(guī)鉆桿失效位置

針對(duì)上述問(wèn)題,油田作業(yè)采用雙臺(tái)肩鉆桿，如圖2所示,解決常規(guī)鉆桿接頭在常規(guī)采油井中抗扭性能不足、應(yīng)力集中嚴(yán)重等問(wèn)題。但是，對(duì)于超深井及大位移井,雙臺(tái)肩鉆桿仍然存在鉆桿接頭位置磨損及斷裂現(xiàn)象[2]。

應(yīng)用有限元軟件分別對(duì)高抗彎、高抗扭雙臺(tái)肩鉆桿進(jìn)行受力分析,分析結(jié)果如圖3所示。高抗彎雙臺(tái)肩鉆桿承受軸向拉力及彎矩,高抗扭雙臺(tái)肩鉆桿承受軸向拉力及扭矩。通過(guò)受力分析,可以看出鉆桿應(yīng)力主要集中在接頭處,高抗彎、高抗扭雙臺(tái)肩鉆桿應(yīng)力最大破壞點(diǎn)均在靠近主臺(tái)肩螺紋位置,這與常規(guī)鉆桿失效位置相同。因此,仍需要對(duì)高抗彎、高抗扭雙臺(tái)肩鉆桿進(jìn)行接頭疲勞分析,通過(guò)預(yù)測(cè)極限工況下鉆桿的疲勞周期,在鉆桿發(fā)生破壞前進(jìn)行報(bào)廢或降級(jí)處理,降低井下安全風(fēng)險(xiǎn)[3]。

2 數(shù)學(xué)計(jì)算

以大位移井為例,鉆井過(guò)程中,高抗彎雙臺(tái)肩鉆桿在造斜段承受井口位置提拉工具施加的軸向拉力、頂驅(qū)施加的扭矩及井下造斜工具施加的彎矩。

▲圖2 雙臺(tái)肩鉆桿▲圖3 雙臺(tái)肩鉆桿受力分布

以超深井為例,鉆井過(guò)程中,高抗扭雙臺(tái)肩鉆桿在直井段承受井口位置提拉工具施加的軸向拉力和頂驅(qū)施加的扭矩。

2.1 最大軸向拉力

實(shí)際鉆井作業(yè)中,井口位置提拉工具對(duì)鉆桿施加的軸向拉力與鉆桿及鉆頭自身重力構(gòu)成一對(duì)平衡力,因此最大軸向拉力作用于井口位置。以3 000 m井深、外徑127 mm雙臺(tái)肩鉆桿、壁厚9.17 mm為例[4],雙臺(tái)肩鉆桿在井口位置的最大軸向拉力F為全井段鉆桿的重力。

(1)

kf=1-ρL/ρs

(2)

F=kfqL

(3)

式中:q為鉆桿在空氣中單位長(zhǎng)度的重力,N/m;R1為鉆桿外半徑,m;R2為鉆桿內(nèi)半徑,m;g為重力加速度，取9.8 N/kg;ρs為鉆桿材料密度,取7 850 kg/m3;ρL為鉆井液密度，取1 150 kg/m3;kf為浮力減輕因數(shù);L為井深,m。

2.2 扭矩

在鉆進(jìn)過(guò)程中,整個(gè)鉆桿都受扭矩作用,因此在鉆桿各個(gè)橫截面上都會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力。正常鉆進(jìn)時(shí),雙臺(tái)肩鉆桿所受的扭矩取決于轉(zhuǎn)盤傳送至雙臺(tái)肩鉆桿的功率[5-6]。

W=Ws+Wb

(4)

式中:W為轉(zhuǎn)盤傳送至雙臺(tái)肩鉆桿的功率,kW;Ws為鉆桿空轉(zhuǎn)所需的功率,kW;Wb為旋轉(zhuǎn)鉆頭破碎巖石所需的功率,kW。

雙臺(tái)肩鉆桿所受的扭矩M為:

M=9 549(Ws+Wb)/n

(5)

式中:n為雙臺(tái)肩鉆桿的轉(zhuǎn)速,r/min。

雙臺(tái)肩鉆桿空轉(zhuǎn)所需功率為:

Ws=4.6Cymdln×10-7

(6)

式中:ym為泥漿單位體積的重力,N/m3;d為鉆桿外徑,cm;l為鉆桿長(zhǎng)度,m;C為與井斜角有關(guān)的因數(shù)，直井時(shí)C為18.8×10-5，井斜角25°時(shí)C取48×10-5，井斜角15°時(shí)C取38.5×10-5，井斜角6°時(shí)C取38.5×10-5。

鉆頭破碎巖石所需功率為:

Wb=0.07 85PDn×10-3

(7)

式中:P為鉆進(jìn)壓力,kN;D為鉆頭直徑,cm。

2.3 彎矩

在大位移井工況下，高抗彎雙臺(tái)肩鉆桿在造斜段位置處的拉力與軸向位移不重合，存在一個(gè)垂直于雙臺(tái)肩鉆桿軸向拉力的分力Fx[7-8]。

Fx=Fsinα

(8)

式中，α為彎曲角度,(°)。

彎矩M為：

M=FxS

(9)

式中:S為高抗彎雙臺(tái)肩鉆桿公扣的長(zhǎng)度,m。

2.4 靜力學(xué)安全因數(shù)

靜力學(xué)安全因數(shù)E為：

E=σs/σ

(10)

式中:σ為數(shù)學(xué)計(jì)算所得應(yīng)力，N;σs為不同材料的最大抗拉強(qiáng)度，通過(guò)材料力學(xué)查得，MPa。

3 接頭疲勞分析

3.1 超深井工況

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與工況載荷,選擇各向同性彈塑性材料作為所用鉆桿接頭模型的材料。雙臺(tái)肩鉆桿接頭所用材料為37CrMnMoA,彈性模量為2.12×105MPa,泊松比為0.28,接觸面間的摩擦因數(shù)為0.08[9-10]。

模擬7 000 m超深井工況下高抗扭雙臺(tái)肩鉆桿接頭的受力情況，如圖4所示。由圖4可以看出，高抗扭雙臺(tái)肩鉆桿公扣主臺(tái)肩處的最大應(yīng)力值為817.97 MPa,常規(guī)鉆桿對(duì)應(yīng)處的最大應(yīng)力值為892.14 MPa,最大應(yīng)力值減小了8.3%,提高了鉆井的安全性。

應(yīng)用Ncode軟件計(jì)算超深井工況下的疲勞壽命,鉆桿的疲勞壽命與井深關(guān)系如圖5所示。由圖5可知,在鉆進(jìn)時(shí),高抗扭雙臺(tái)肩鉆桿相比常規(guī)鉆桿，整體壽命顯著提高。在7 000 m井深時(shí),常規(guī)鉆桿的疲勞壽命為2.93×105s，高抗扭雙臺(tái)肩鉆桿的疲勞壽命為5.46×105s,高抗扭雙臺(tái)肩鉆桿的疲勞壽命比常規(guī)鉆桿的疲勞壽命延長(zhǎng)86%。

▲圖4 超深井工況接頭受力分析

▲圖5 超深井工況鉆桿疲勞壽命與井深關(guān)系

在超深井工況下,除采用高抗扭雙臺(tái)肩鉆桿外,還可以通過(guò)調(diào)節(jié)鉆進(jìn)壓力和轉(zhuǎn)速來(lái)延長(zhǎng)疲勞壽命,從而提高安全性。

查閱塔里木地區(qū)部分油田的鉆井參數(shù)[11],對(duì)于6 500～7000 m超深井,給定120 kN鉆進(jìn)壓力,應(yīng)用Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,得到轉(zhuǎn)速與超深井安全因數(shù)的關(guān)系，見表1。由表1可以看出，75～100 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，安全因數(shù)較大；轉(zhuǎn)速快于110 r/min后,安全因數(shù)持續(xù)減小。

基于塔里木地區(qū)6 550～7 000 m超深井鉆進(jìn)壓力與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，通過(guò)插值法擬合出安全因數(shù)曲面,得到轉(zhuǎn)速與鉆進(jìn)壓力對(duì)安全因數(shù)的雙重影響，如圖6所示。由圖6可知，鉆進(jìn)壓為105 kN～130 kN,轉(zhuǎn)速在70～90 r/min范圍內(nèi)最為安全。

3.2 大位移井工況

根據(jù)常用造斜工具每30 m最大井斜角為10°的要求,模擬極限彎角情況下4 000 m井深處鉆桿接頭的受力情況,如圖7所示。由圖7可見，常規(guī)鉆桿接頭的最大應(yīng)力值為757.75 MPa,高抗彎雙臺(tái)肩鉆桿接頭的最大應(yīng)力值為692.96 MPa,最大應(yīng)力值減小了8.6%。

表1 轉(zhuǎn)速與超深井安全因數(shù)關(guān)系

▲圖6 超深井工況安全因數(shù)曲面

▲圖7 大位移井工況接頭受力分析

大位移井工況下疲勞壽命與每30 m井斜角關(guān)系如圖8所示。由圖8可知,隨著井斜角增大,彎矩不斷增大,疲勞壽命逐漸降低。常規(guī)鉆桿比高抗彎雙臺(tái)肩鉆桿疲勞壽命低。在每30 m井斜角為10°時(shí),常規(guī)鉆桿疲勞壽命為8.72×105s，高抗彎雙臺(tái)肩鉆桿疲勞壽命為6.56×106s,高抗彎雙臺(tái)肩鉆桿疲勞壽命比常規(guī)鉆桿疲勞壽命延長(zhǎng)652%。

通過(guò)模擬大位移井4 000 m井深高抗彎雙臺(tái)肩鉆桿的受力情況,將計(jì)算得到的應(yīng)力值代入式(10),求出相應(yīng)的安全因數(shù)，得到大位移井工況安全因數(shù)曲面，如圖9所示。由圖9可知，轉(zhuǎn)速為80～95 r/min、鉆進(jìn)壓力為50 kN～60 kN時(shí)，安全因數(shù)最大。由此可見，合理優(yōu)化鉆進(jìn)壓力和轉(zhuǎn)速，可以提高安全因數(shù),從而延長(zhǎng)疲勞壽命。

▲圖8 大位移井工況鉆桿疲勞壽命與井斜角關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)模擬不同工況下高抗彎、高抗扭雙臺(tái)肩鉆桿接頭處的受力情況,為雙臺(tái)肩鉆桿的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù),同時(shí)分析了鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿出現(xiàn)失效的原因。

▲圖9 大位移井工況安全因數(shù)曲面

在超深井鉆井作業(yè)時(shí),高抗扭雙臺(tái)肩鉆桿相比常規(guī)鉆桿，疲勞壽命延長(zhǎng)86%。根據(jù)不同地層巖性,適當(dāng)改變轉(zhuǎn)速與鉆進(jìn)壓力,可以提高高抗扭雙臺(tái)肩鉆桿的安全因數(shù),延長(zhǎng)其使用壽命。

在大位移井鉆井作業(yè)時(shí),每30 m井斜角為10°的情況下，高抗彎雙臺(tái)肩鉆桿相比常規(guī)鉆桿，最大應(yīng)力值減小8.55%。隨著井斜角增大,疲勞壽命呈階梯狀降低。適當(dāng)改變轉(zhuǎn)速,可以提高高抗彎雙臺(tái)肩鉆桿的安全因數(shù)。