气体钻井钻柱失效机理分析

川东北地区气体钻井申钻柱失效情况的统计资料表明,钻柱失效主要表现为磨损和断裂,分析可知,气体钻井时钻柱失效严重除与高速岩屑的冲蚀,井壁岩石的磨损、酸性介质环境的腐蚀有关外,还与钻拄承受更为复杂的动态应力密切相关.动力学分析结果表明,与钻井液钻井相比,气体钻井时钻柱的动态明显增大,动态应力的变化幅度和变化频率也明显提高,这是造成钻柱失效的主要原因之一.因此,防治气体钻井钻柱失效应切实重視钻柱动态应力的控制,目前条件下,加强钻柱的探伤工作,确保入井钻柱的抗疲劳破坏能力和使用减振工具是较为有效的预防钻柱失效的技术措施.     

井下多体钻柱系统瞬态动力学仿真分析

钻井过程中钻杆柱的高速涡动会引起钻杆柱与井壁的随机碰撞。为了有效预测与控制钻杆柱与钻头在井下的运动规律,建立了符合实际工况的井下多体钻柱系统固液耦合有限元模型,分析了钻井液对钻柱系统瞬态动力学特性仿真结果的影响。研究结果表明:钻柱在钻井液的作用下横向振动减弱、与井壁发生碰撞的次数减少。为进一步阐明钻柱运动规律、预测和控制井眼轨迹奠定了基础。     

下部钻柱与井壁接触对钻柱失效的影响

在石油钻井中，下部钻柱与井壁之间存在十分强烈的碰摩作用，影响下部钻柱的横向运动状态，还可能诱发或加剧下部钻柱失效。应用下部钻柱运动状态分析模型，模拟研究了下部钻柱与井壁接触对钻柱失效的影响机理及规律。研究表明，下部钻柱与井壁的碰摩作用使下部钻柱反向涡动，产生高频的交变弯曲应力，会加速下部钻柱疲劳破坏；下部钻柱与井壁接触点处存在较大的高频冲击力，并且接触区域靠近钻铤螺纹联结处，更容易诱发螺纹联结处失效，该研究成果可为预防钻柱失效提供理论依据。     

钻头与井壁碰撞模型的建立及分析

钻井过程中 ,钻柱的振动使钻头与井壁产生的碰撞是钻头和钻柱早期失效的主要原因。通过建立钻头与井壁的碰撞模型 ,将碰撞简化为两个圆柱筒之间的碰撞 ,利用冲量定理和实验方法获得的钻头与井壁碰撞时的恢复系数及钻头碰撞前的速度 ,可计算出钻头与岩石碰撞后的速度和碰撞时产生的碰撞力。摸清钻头与井壁之间的碰撞规律 ,为有效预防钻头与钻柱的早期失效 ,预测井眼轨迹 ,有效提高钻井效率提供了理论依据     

充满液体的圆筒中受压屈曲杆柱旋转实验

在钻井过程中,下部钻柱的主要运动形式为受压屈曲后的自转和涡动。受压屈曲钻柱旋转可以增大钻柱与井壁的接触摩擦力,诱发钻柱横向振动和涡动,造成井壁失稳和钻柱损坏,甚至造成钻井作业失败。目前,井筒中受压屈曲旋转钻柱的运动规律的认识尚不全面甚至部分认识是错误的。通过实验研究了载荷、转速、钻井液和圆筒内径等参数对圆筒中的受压屈曲杆柱旋转运动的影响。分析了模拟钻柱在液体中由正向涡动转为自转和反向涡动的耗散能量。结果表明：①随着载荷的增大,屈曲钻柱首先正向涡动;其次既有正向涡动,又有自转;然后沿部分井壁反向涡动和自转的组合;最后沿井壁反向涡动。②钻井液的动力润滑作用可以减小钻柱正向涡动旋转幅值,并能阻止反向涡动的形成。③提高钻井液的动力润滑性、减小井眼直径、增加井斜角,出现反向涡动的载荷增大。④钻柱随载荷增加可能出现2次反向涡动。⑤钻柱运动状态转换符合最小耗散功率原理。     

气体钻井钻柱失效的热因素分析

针对气体钻井钻柱频繁失效问题,建立了钻柱与井壁摩擦生热闪温温升计算模型,研究了局部温升在钻柱表面产生的热应力,通过平均表面传热系数评价了气体钻井环空压缩空气对局部摩擦热的携热能力,并给出了计算算例。研究结果表明,钻柱对井壁的侧向力较大时,钻柱与井壁的接触摩擦可以使钻柱局部表面产生高达几百摄氏度的闪温温升,该温升使钻柱局部表面产生很大的热应力,随后高速气流携走全部或部分摩擦热。分析认为,摩擦热是导致气体钻井钻柱异常失效的重要因素。热过载或热疲劳与机械载荷共同作用使钻柱表面产生微裂纹,从而加速气体钻井钻柱失效。     

下部钻柱反向涡动机理研究

钻井过程中，下部钻柱通常处于反向涡动状态，易造成钻具和钻头的损坏。因此，分析研究下部钻柱的涡动机理十分必要。考虑下部钻柱与井壁之间的碰摩作用，应用转子动力学理论建立了下部钻柱的反向涡动机理分析模型，探讨了下部钻柱反向涡动的原因和形成备件，以及下部钻枉反向涡动频率与自转频率的关系等，并利用室内模拟试验验证了下部钻柱反向涡动的机理及规律。     

斜直井眼中钻柱的动力学特性分析

为研究和控制钻柱动力学特性,分析斜直井眼中全井钻柱的受力变形特点,建立了钻柱动力学模型,利用节点迭代法解决了利用整体有限元法计算钻柱动力学特性较困难的问题,并应用节点迭代有限元法研究了钻柱的涡动轨迹和涡动速度等动力学特性。在转盘转速为120 r/min时,在给定的钻柱结构下,井深5256 m处的涡动速度达252 r/min,井深261~732 m处的钻柱应力波动幅值约为15 MPa。结果表明,钻柱内的这种应力波动或涡动特征是导致钻柱失效的重要因素,控制钻柱内的动态应力水平对钻柱失效事故的降低十分重要。     

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石油钻柱的失效80％以上都为疲劳破坏，这与钻柱在弯曲和扭转组合下的交变应力有关。文章结合钻柱疲劳破坏的基本特征和有关实验数据，得到了钻柱在钻井液腐蚀条件下的持久极限应力近似计算公式。利用复合交变应力强度计算理论，考虑钻柱涡动及轴向载荷的影响，建立了钻柱复合交变应力下的动态强度条件，并给出了计算实例。结果表明，静态条件下安全系数满足设计要求的钻柱，一旦动态条件下的疲劳强度不够，就会发生失效。文中所建模型对于钻柱设计时的强度校核、在役钻柱的安全评估以及失效钻柱的事故分析具有实际的指导意义。     

钻柱涡动理论研究的必由之路——钻井液动力润滑学与钻柱动力学相结合

浸泡在钻井液内的旋转受压钻柱,在屈曲和涡动的作用下,容易发生疲劳断裂和使井眼倾斜。对此现象业界已进行了较深入的研究,但还有一些问题没有解决,如随着井斜角的增加涡动现象减小直至消失的原因、屈曲后的钻柱是否一定与井壁接触、钻柱表面与井壁间是否存在滑动及滑动的影响因素、钻柱的稳定性和偏心率随转速的变化规律等。为了寻求上述问题的研究方法,在介绍钻柱的正弦屈曲和螺旋屈曲、旋转钻柱的最大涡动角速度、旋转钻柱与钻井液的相互作用、旋转钻柱与井壁的碰撞和涡动4方面的研究进展基础上,分析了这些研究方法中存在的问题,提出钻井液动力润滑学与钻柱动力学相结合是钻柱涡动理论研究的必然。     

气体钻井钻柱疲劳失效周期分析

钻柱的频繁失效严重制约着气体钻井的发展。为研究钻柱的疲劳失效周期,以深直井全井钻柱为研究对象,基于疲劳寿命预测的Forman模型,综合考虑深直井钻柱的动力学特性和气体钻井过程中局部热因素对钻柱疲劳寿命的影响,建立了气体钻井钻柱疲劳寿命计算方程。以川西某实钻井为例,利用建立的气体钻井钻柱疲劳寿命计算方程,对气体钻井条件下的钻柱疲劳寿命进行了计算,并与该层段钻井液钻井参数下的钻柱疲劳寿命进行了对比,初步获得了气体钻井与钻井液钻井的钻柱疲劳寿命关系模型。分析结果表明,气体钻井的钻柱疲劳寿命对初始裂纹非常敏感,初始裂纹越大钻柱寿命下降越明显;气体钻井各井段钻柱的疲劳寿命均明显低于钻井液钻井。      

气体钻井钻柱失效因素分析与对策研究

文章通过对2005～2021年期间川庆气体钻井所发生的76次断钻具事故的统计分析,认为气体钻井中钻具失效的主要原因在于钻具疲劳、钻具振动、化学腐蚀以及高速冲蚀破坏等几个方面。其中,采用空气锤钻进时,在冲击力作用下钻具的瞬时中和点上移,疲劳点不一定集中于近钻头的Ø228.6mm钻铤;高频段的钻具振动对钻具产生的破坏影响较小,而低频段的钻具振动会引发低阶钻柱共振,进而引起钻具振动失效;在地层产水条件下实施气体钻井时,钻具易发生溶解氧腐蚀和二氧化碳弱酸性腐蚀,造成钻具的点蚀破坏;井底岩屑伴随高速气体呈间歇性的高速撞击钻柱形成冲蚀破坏,是造成钻具磨损失效的主因。基于上述原因分析,从优化钻具组合、完善雾化基液缓蚀工艺和气体注入参数等方面提出了具体的对策,为减少后期气体钻井过程中钻具失效机率做参考。     

井下钻柱振动信号的测量及振动激励源研究

为深入认识钻井过程中井下钻柱振动的特征、明确振动激励源,利用ESM存储式测量系统对某超深井旋转钻进过程中的振动信号进行了测量,并分析了钻柱粘滑和涡动的主要特征;以此为基础,分别采用快速傅里叶变换和短时傅里叶变换方法对钻柱振动信息进行频域和时频分析,确定了引起钻柱振动的主要频率,进而明确了其振动激励源。研究发现:钻柱发生粘滑运动时,三轴加速度呈同步周期性变化,其周期为10 s,主要频率成分为0.1 Hz;钻柱发生涡动时,三轴加速度均呈杂乱无章的不规则波动,主要振动频率为钻头转速的2倍频、转盘转速的1～5倍频。实例分析结果表明,引起钻柱涡动的激励源主要有钻头与地层的相互作用、稳定器或Power-V系统与井壁的摩擦等,为制定减振措施提供了理论依据。      

水平井侧钻过程中钻柱横向振动规律的研究

在水平井的侧钻过程中,钻柱很容易发生横向振动,引发钻柱失效、井眼扩径等严重事故。鉴于此,全面地分析了侧钻水平井钻柱的横向振动,以近井底长钻柱单元为研究对象建立了这种振动的力学模型,研究了横向振动的动力学规律,获知了钻柱横向振动的共振频率的分布规律。振动规律的实际应用反映了钻柱横向振动规律理论分析的正确性。侧钻水平井钻柱横向振动规律的研究对水平井在侧钻过程中保持井壁稳定、减少钻柱失效、提高钻速和降低钻井成本具有重要的理论价值和实际意义。     

空气钻井钻具组合动力学特征及井斜机理研究

研究了用牙轮钻头进行空气钻井时光钻铤钻具组合动力学特征及井斜机理,建立了光钻铤钻具组合的转子动力学模型,分析了空气钻井与泥浆钻井时光钻铤钻具组合动力学特征的区别。结果表明,高碰摩系数使空气钻井时钻具组合反向涡动,空气的低阻力使空气钻井的涡动速度增大。泥浆钻井则相反,钻具组合以较低的涡动速度向前涡动。这些特征的综合作用使得空气钻井时钻头上的降斜力小于泥浆钻井,成为引起空气钻井井眼易斜的主要原因之一。     

小井眼钻柱瞬态动力学研究及应用

考虑小井眼细长钻柱沿井深和井眼圆周方向的随机接触碰撞,建立了钻柱瞬态动力学模型。运用动力间隙元不仅能合理描述钻柱与井壁的接触碰撞过程,还能考虑井壁变形和泥饼的能量吸收,并用Newmark法求解钻柱动力学平衡方程。通过钻井全尺寸模型装置上的钻柱动力学试验,对理论计算结果进行了验证,也为钻头干扰力确定提供了依据。经大庆油田14口小井眼井应用表明,由钻柱动力学分析所设计的钻柱结构没有发生井下断钻具事故,防斜性能也比较好,机械钻速得到明显提高。     

空气锤钻具组合稳定性动力学因素分析及优化

空气锤钻井过程中由于活塞轴向冲击锤头进行破岩工作,钻柱会产生轴向振动,其中下部钻铤振动常发生以钻铤螺纹断裂为主的失效故障。文章以某井空气锤钻井钻具组合及钻井参数为例,通过有限元法,建立了空气锤钻井全井段钻柱动力学模型,从动力学出发研究下部钻具组合动力学特性,优化空气锤气体钻井钻具组合。研究结果表明：空气锤钻井主要影响下部300 m钻柱,在冲击振动弯扭共同作用下,钻铤螺纹容易产生疲劳失效,模拟结果与现场失效　情况相符。优化方案为KQC275空气锤钻井过程中上部接Ø279. 4 mm 钻铤,此时钻柱系统轴向振动最小,全井段钻柱动态钻进稳定性好,对现场空气锤钻井钻具组合方案进行了优化,预防了钻柱失效。该研究对空气锤钻井钻柱动力学行为有了明确认知以及提供了钻柱振动失效预防措施     

侧钻水平井钻柱动力学几个关键问题研究

通过对实际钻井经验总结和钻柱动力学研究现状分析,认为反转运动是钻柱疲劳失效的一个主要原因,侧钻水平井钻柱的反转运动尤其需要进一步研究.钻柱的接触摩擦影响到井身剖面、钻柱及下部钻具组合的优化设计.目前对钻柱动态摩阻和大变形后摩阻问题研究不足,井眼中固体、流体耦合关联,钻井液阻尼对钻柱动态影响不能忽略,钻柱内钻井液可处理为附加质量,但外部钻井液则应考虑为阻尼.为了实现依据钻柱动力学的井眼轨迹控制,应特别重视钻柱振动特性与钻头受力状况的相互影响.     

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文章分析研究了大位移井钻井过程中对钻具破坏很强的一种扭转振动：“粘滞—滑动”,这种振动在大位移井钻井过程中发生的概率比较大,表现为或停或转的状态,转动的瞬间钻头以很大的速度冲出,引起钻头与地层、钻柱与井壁强烈碰撞,因此引起钻具失效。通过建立大位移井钻柱的等效扭转摆模型,分析了在钻头与地层扭矩及钻柱与井壁间摩阻扭矩作用下钻柱的动态行为,给出了钻柱所受摩阻力与钻柱动态位移之间的函数关系。分析了钻柱“粘滞—滑动”振动所遵循的物理规律,获得了大位移井“粘滞—滑动”共振频率的分布。结果表明：大位移井的“粘滞—滑动”现象表现为低频反应。根据“粘滞—滑动”共振所满足的条件,通过调整钻井参数可以避免“粘滞—滑动”现象的发生;扭转负反馈对“粘滞—滑动”现象有一定的阻碍作用。该问题的分析结果具有较高的理论价值和实际意义,对大位移井钻进中如何减少钻具失效问题提供力学依据。