钻杆加厚过渡带几何结构对应力集中的影响

油气井钻井过程中,钻杆主要失效部位是加厚过渡带处,该处容易形成应力集中,尤其在狗腿井段中的交变载荷作用下,表面易形成疲劳裂纹源,导致刺漏甚至断裂事故的发生。针对这一情况,应用有限元软件建立钻杆加厚过渡带力学模型。该模型公母接头共同建模,可以施加轴向拉力、内外压力、扭矩和弯矩,能很好地模拟狗腿井段的钻杆受力,为改进钻杆加厚过渡带结构设计提供理论依据。力学分析结果表明,最大应力出现在加厚过渡带内锥面消失处,且母接头端的应力比公接头端应力水平高;减小加厚过渡带内孔直径、增加内锥面长度、加大内锥面消失处圆角半径都可以减小钻杆应力集中系数。但在现有加厚过渡带结构的基础上改变加厚过渡带尺寸对减小钻杆应力集中效果并不明显,建议从改变加厚过渡带结构上入手来降低钻杆的应力集中系数。     

钻杆通过转向器阻力与转向轨迹的关系研究

针对钻杆通过转向器时的阻力问题，简述了转向器的转向轨迹的参数组成。选择α、Ｒ、δ三个转向器轨迹参数进行正交组合数值试验设计，运用ＡＮＳＹＳ分析软件获得外事杆通过转向器时的阻力值。用回归分析法得到钻杆通过转向器的阻力与α、Ｒ、δ轨迹参数间的经验公式，其计算值与ＡＮＳＹＳ软件实际计算值平均偏差２．８％，达到了较高精度，为转向器的优化设计了数学模型 。     

钻杆接头多轴疲劳寿命

在实际钻井过程中,钻杆接头以螺纹连接处的疲劳破坏为主,导致钻井成本显著增加。现有对钻杆接头的研究主要集中于钻杆接头的静力学特性分析,少有涉及钻杆接头的疲劳破坏的研究。基于虚功原理、Von Mises屈服准则及接触非线性理论,考虑螺纹升角的影响,建立了钻杆接头的三维有限元计算模型,分析了钻杆接头的上扣特性及其在复合载荷作用下的力学特性。基于材料S-N曲线,综合考虑尺寸系数、应力集中系数、表面加工系数及表面强化系数的影响,确定了钻杆接头的弯曲疲劳S-N曲线理论模型,通过对比验证建立了满足工程要求的钻杆接头疲劳有限元计算模型。运用多轴疲劳算法,计算了钻杆接头在复合交变载荷下的疲劳寿命,分析了残余应力和表面质量对疲劳寿命的影响。研究结果表明,在上扣扭矩或复合载荷作用下,钻杆接头最大Mises应力均出现在公扣第1有效啮合螺纹牙根处;弯曲井段API钻杆接头的疲劳寿命较小,建议开发适合超深井、水平井、大位移井及大斜度井的专用钻杆接头;残余应力与表面质量对钻杆接头的疲劳寿命影响较大,在钻杆接头螺纹根部引入可控的残余压应力和改善表面质量可以大幅提高其疲劳寿命。     

运用ANSYS5.4作水平井钻杆转向轨迹参数试验

在水平径向钻进中 ,钻杆在其内部高压驱动下通过转向器由垂直方向向水平方向转向 ,在约 0 3m最小曲率半径内发生大于 90°的弯曲 ,而且转向轨迹是由多个参数描述的。对此 ,井运用ANSYS5 4软件完成了所设计的α、R、δ数值试验并对数值试验数据作了处理。分析表明 ,在其它转向轨迹参数不变的情况下 ,偏角α在所设计的范围内变动时 ,钻杆通过转向器的阻力波动较小 ;最小弯曲半径R在所设计的范围内变动时 ,钻杆通过转向器的阻力随着R的增大而减小 ;矫直偏量δ在所设计的范围内变动时 ,当δ >0 ,随着δ的增大钻杆通过转向器的阻力Fz 上升很快 ,而当δ <0 ,阻力Fz 随δ的减小下降较慢     

水平径向钻井钻柱通过转向器工况分析

简要地介绍了水平径向钻井系统的基本结构和作用原理，分析了钻柱通过转向器的受力情况及径向井眼阻力R对钻柱通过转向器阻力岭的影响。由对转向器以上一段钻柱稳定性的分析，认为不宜以钻井液作用在钻柱上端的推力作为钻柱动力，欲使钻柱安全地工作，转向器以上一段钻柱应为拉杆。由钻柱所受径向井眼阻力R的变化，讨论了钻柱通过转向器的运动情况。指出要钻更长的径向水平并段，必须减小或消除径向井眼阻力R。为此，应在转向器、高压水射流破岩钻井技术、钻柱运动控制技术和井眼轨迹控制技术等四个方面加强研究。     

径向水平井弯曲转向机构影响因素仿真研究

针对径向水平井钻进中钻杆弯曲转向前进运动困难的问题,通过建立弯曲转向机构仿真有限元模型,对其主要影响因素:滑道轨迹曲率、间隙、工作压力、滚轮形状与位置和钻杆壁厚等用ANSYS软件进行仿真研究。研究表明:影响截面变形的主要因素是滑道曲率的改变和滑道摩擦因数,钻井失败时钻杆所受阻力的增大不是因为升高工作压力导致截面变形过大与滑道干涉所致,钻杆经校直段,钻头中轴线与校直中心线存在一定的角度,即钻杆的前进轨迹就会偏离理论值,或与地层干涉,或可能再次发生弯曲变形;另一主要原因是转向器滑道工作恶化。增加钻杆壁厚,降低工作压力和滑道摩擦因数,设计合理弯曲转向机构是解决问题的关键。     

钻杆断裂原因分析及预防措施——以陆丰13-1油田LF13-1-10A井钻杆为例

通过对陆丰13-1-10A井钻杆断口进行宏观与微观分析以及断裂钻杆化学成分、力学性能和金相组织试验分析,结果表明钻杆材质符合有关标准规定,钻杆断裂属于疲劳断裂。通过对钻杆在发生断裂井段的受力情况进行分析,发现钻杆在该井段处受到连续交变循环应力载荷,最终导致了钻杆的疲劳断裂。根据油田实际情况及研究结论,得出同一根钻杆在该井段的最大安全转数极限值,在这一井段使用加重钻杆替代普通钻杆,可以大大降低钻杆疲劳断裂的风险。     

超短半径转向滑道的阻力建模及布轮设计

超短半径的转向过程是带有初始应力的弹塑性弯曲过程,由于塑性弯曲的非保守性,钻杆最终的形态及施加在其上的载荷与加载顺序有关,实际计算超短半径钻杆转向阻力时要考虑载荷施加顺序的影响。通过对超短半径钻杆转向过程的受力分析,建立了滑道的分段阻力模型,提出用滑道阻力系数评定滑道设计的优劣。结果认为,副弯曲段的阻力特性模数并不因为转向角度小而有明显降低,要重视其结构设计;降低系统摩擦因数μ值及保证钻进中μ值的稳定,是保证转向器工作可靠的要点。     

采用蚁群算法优化设计径向水平井转向器轨迹

径向水平钻井技术主要包括油气层套管段铣技术、井下大直径扩孔技术、完井技术和水力喷射钻井技术，前三项技术已日趋完善，而喷射技术因为在水平井段较短，达不到预期的深度。为有效地降低转向器对钻柱的阻力，对转向器阻力进行了受力分析，并以钻柱通过转向器发生弯曲变形时，对转向器产生的轴向反作用力为目标函数，在满足转筒与垂直方向的夹角、转向器轨迹最小弯曲半径、矫直转筒对钻柱的矫直偏量等设计变量最佳的条件下，采用蚁群算法对径向水平井转向器轨迹进行了优化设计。仿真结果表明，转向器对钻柱的阻力达到最小，与原设计值相比，转向器阻力减小了46.98%。同遗传算法仿真结果比较，转向器阻力减小了3.17%，蚁群算法仿真结果比遗传算法仿真结果好，符合实际情况。     

径向水平井转向器结构有限元分析

径向水平井的生产管通过转向器的过程简单来说，是以生产管及其顶鄙的高压液体为动力（此液压力为系统液压力），生产管在转向器内不断变形、不断送进、不断喷射。这是一个弹、塑性大变形的力学过程，它既具有几何非线性又具有材料非线性，并且是一个复杂的动态过程。一般的有限元分析仅局限于静态的弹性分析，因而无法对生产管通过转向器的过程进行分析。详细介绍了如何应用I—DEAS软件的各种功能对其建模分析，如何应用一系列的静态分析来模拟这一动态过程，从而可以定量计算出生产管通过转向器所需的最小系统液压力（临界液压力）。因而通过分析，改进转向器的滚轮轨迹曲线就可以达到减小临界液压力的目的。     

径向水平井钻杆截面的塑性变形及轴向受力分析

径向水平钻井技术是开发油田的一种新技术,钻杆在经过斜向器时曲率半径反复变化,钻杆处于应力-塑性应变状态.钻杆截面变形量大小及斜向器弯道阻力的大小对能否正常钻进至关重要.分析了钻杆截面的应力-应变关系,在假定钻杆为理想刚塑性材料的条件下,推导出了钻杆截面的长、短轴极限变形量及钻杆转弯时的阻力计算公式,分析了滑道摩擦系数、射流反力对阻力的影响,从三种条件下公式的计算结果与实验对比中可证明这些公式的正确性,对斜向器的设计和钻杆的选材以及确定实际钻进的工作参数具有指导意义.     

径向井钻杆截面变形模型及实验分析

径向水平井技术在国内外已研究多年。但其钻杆的弯曲状态、应力应变分布始终未见研究报道。现文运用刚塑性理论,对有限弯曲状态下的钻杆弯曲进行了建模,得出其中性层始终位于钻杆拉伸侧的结论。且随着钻杆上所受阻力的增加,中性层偏离越大;采用塑性增量理论,建立了钻杆截面变形模型,应用所建立的模型对实验结果进行了分析。从而确定了钻杆与滑道的间隙是决定钻进成败的关键。对比分析发现钻杆上的阻力,有相当一部分来自造斜器对钻杆的方向性挤压。这为改进造斜器的设计、增加钻进进尺指出了方向。     

整体钻柱力学接触有限元分析

考虑钻柱的扭转效应和接触摩擦,用有限元法建立了整体钻受力分析的三维准静力学模型和空间多向接触摩擦间隙元.用修正的牛顿迭代法进行迭代运算和用近似梯度增量法修改载荷增量,并对钻柱与井壁的接触摩擦和钻柱变形进行了分析计算.现场实验证明本文提出的理论和模型用于井眼轨迹跟踪预测结果与钻后实测结果符合很好,可作为定向井钻柱受力分析以及井眼轨迹设计和预测的一种基础理论和实用方法.     

基于有限元法的单根钻杆动力学仿真模拟分析

为进一步明确钻进中的钻杆柱工作状态，以直井段中单根钻杆为研究对象，基于有限元法建立钻杆的动力学模型，以实际设计参数为依据，确定边界条件，综合考虑静、动载荷的耦合作用，对钻杆受迫振动发展过程进行仿真模拟分析，在一定程度上反映井下钻杆工作状态，并为钻杆柱的随钻控制研究提供理论基础。分析结果表明，现役钻杆接头台阶及螺纹处普遍存在应力集中，设计时应予以改进；钻杆受迫振动的发展过程中，钻压及转速是重要的振动激励参数，较浅井段钻杆振动参与形式以横振为主，随着钻进的深入，其他振动形式频繁的交替激发并参与，应通过调整钻进参数、避免工作于固有频率而激发模态振动。     

钻杆流场诱导腐蚀模拟

钴杆是钻柱系统的重要组成部分,在工作中除要承受多种载荷外,还要受到钻井液等流体的诱导腐蚀,是钻柱系统的薄弱环节,现场实际工作中钻杆失效事故更是频繁发生.而钻杆失效高发区域便为加厚过渡带,传统上的钻杆失效数值模拟分析采用的主要方法是建立钻杆加厚过渡带的力学模型,从该区域受到载荷的情况下分析其等效应力的分布和应力集中系数的...     

径向井钻杆转向阻力建模及实验分析

径向井钻杆的转向是承受内压曲杆反复弹塑性弯曲过程。由于系统的非保守性 ,其匀速钻进状态也不能应用静力平衡方程。将钻杆的运动态作为静止稳定状态的失稳 ,运用线性小位移理论 ,求解钻杆保持静止状态的条件 ,建立了钻杆发生运动的极限载荷、曲率突变点阻力等模型。根据径向井钻杆载荷的边界条件 ,提出了径向井钻杆转向过程中存在临界载荷系数的论断 ,求得了常用径向井转向器的临界载荷系数。计算结果与实验进行了对比分析 ,对径向井现场试验中表现出的钻杆遇阻现象给出了可信的解释。