套管钻井中套管柱疲劳寿命分析方法

套管钻井中套管柱疲劳寿命分析是进行钻井工程设计的一项重要研究工作。文章对套管柱组合在不同钻压、转速下的动力学问题进行分析的基础上,获得了不同钻井参数下的套管柱应力、应变以及接触应力等参数的变化规律,利用ANSYS软件疲劳寿命分析模块,建立了套管钻井中套管柱的疲劳寿命分析方法,并进行了实例计算。为在套管钻井作业中合理地选择钻具组合和钻井参数提供了理论依据。     

套管钻井中套管疲劳损伤模型研究

根据套管材料的疲劳应力寿命曲线推导出了套管构件的疲劳应力寿命曲线;结合疲劳损伤理论,通过定义套管疲劳损伤量和疲劳损伤强度2个基本参数,对套管疲劳损伤进行度量,建立了套管疲劳累积损伤计算模型。由现场套管钻井实例分析结果可知,位于井口的套管疲劳损伤程度最大;采用单因素分析法,当转速一定时,套管的疲劳损伤随着井深的增加而减小;当钻压固定不变时,套管的疲劳损伤随转速的增大而增大。该模型对于套管的疲劳损伤评估具有重要的指导意义。     

基于可靠性理论的钻柱疲劳寿命预测

钻井过程中极易发生钻柱疲劳失效事故,不仅影响钻进速度,而且大大降低了钻井效益,因此准确预测钻柱的疲劳寿命,对于提高钻柱的安全可靠性、减少钻井事故的发生具有重要意义。根据钻柱疲劳裂纹的扩展与钻柱的应力状态有关,首先对钻柱进行了应力状态分析,并进行了等效应力合成。在应力分析的基础上,结合可靠性理论,确定了影响钻柱疲劳裂纹寿命的随机性参数:钻压、转盘转速以及疲劳裂纹初始长度。结合Form an模型建立了钻柱I、III复合型疲劳裂纹扩展速率的计算模型。算例分析表明,该模型能够计算相应可靠度下钻柱疲劳裂纹的循环寿命,且计算结果与现场钻柱的使用寿命比较接近,能够满足现场钻井工程的精度要求。该模型具有一定的实用性,为钻柱疲劳寿命的准确预测提供了理论依据。     

注水油管成组多级疲劳可靠性寿命试验研究

针对机采油井油管经常发生疲劳破坏的问题,加工了J55油管疲劳试件,采用成组多级疲劳试验法,获得了J55油管高周疲劳分组试验数据。通过疲劳寿命的参数估计和分布类型检验,获得了J55油管在不同轴向应力水平下的疲劳寿命、分布规律和P-S—N曲线。结果显示,J55油管的疲劳寿命服从对数正态分布,其SN曲线服从一般金属的疲劳SN曲线形式;在疲劳寿命一定时,欲获得较高的可靠性,需大幅度降低油管的疲劳应力。     

超高强度抽油杆P-S-N曲线拟合新方法

P-S-N曲线是超高强度抽油杆力学性能分析的主要依据,其拟合方法通常参照于普通抽油杆。然而实验数据表明,超高强度抽油杆并不满足普通抽油杆P-S-N曲线拟合模型的假设条件。为了研究适应于超高强度抽油杆的P-S-N曲线拟合方法,提出了基于Box-Cox变量变换法的三参数P-S-N曲线拟合模型,其中Box-Cox变量变换法解决了一定循环应力下,疲劳寿命不满足正态分布的问题;三参数P-S-N曲线模型更符合典型S-N曲线的趋势。实验计算结果表明,新方法下的P-S-N曲线拟合度更高,相对误差仅为1.46%~4.12%,仅为以往方法的11%~30%,新方法拟合的曲线更能体现超高强度抽油杆力学性能,精确度更高。     

超高强度抽油杆P-S-N曲线试验研究

概述了超高强度抽油杆的特点，将其与其他抽油杆进行了对比分析；给出了超高强度抽油杆P-S-N曲线的定义、试验研究方法；通过试验，得出了3个应力水平下，超高强度抽油杆试样的循环次数；用概率统计法对试验数据进行了处理，得到了P-S-N曲线。有了超高强度抽油杆的P-S-N曲线，就可以据此对各种超高强度抽油杆进行检验，从而避免或减少抽油杆断裂事故的发生。     

钻杆应力-疲劳寿命曲线试验研究

钻杆的疲劳失效是引发钻井井下事故的主要原因,因此有必要对钻杆的应力-疲劳寿命曲线进行试验研究。采用旋转弯曲疲劳试验机,研究了常用的S135和G105钻杆的疲劳性能;采用疲劳寿命对数正态分布模型,得出了任意存活率对应的应力-疲劳寿命曲线;采用直接外推法和2m-1外推法将疲劳曲线延伸到长寿命区域,并将其外推结果与配对升降法试验结果进行了对比。升降法试验得出S135和G105钻杆的疲劳强度(存活率为99%,置信度为95%)分别为550.19 MPa和454.79 MPa;由直接外推存活率99%的曲线得到疲劳寿命为1.0×107时,S135和G105钻杆对应强度分别为510.23 MPa和402.01 MPa;由2m-1外推法外推存活率99%的曲线得到疲劳寿命为1.0×107时,S135和G105钻杆对应强度分别为532.95 MPa和428.98 MPa。试验表明,2种外推方法得到的疲劳强度均低于试验值,2m-1 外推法得到的疲劳强度值更接近升降法试验值,因此推荐使用2m-1外推法对概率-应力-疲劳寿命曲线进行外推来得到完整的疲劳寿命曲线。      

基于临界距离法的泵头体材料疲劳寿命预估

目前有关临界距离法公式修正的相关研究较少,也未见此法在泵头体材料疲劳寿命研究中的报道。为了研究临界距离理论能否合理预测缺口试件的疲劳寿命,建立了某泵头体材料铬镍合金缺口试件的有限元模型,得到其缺口根部的线弹性应力场,通过光滑试样的疲劳拉压试验测定了此材料的S-N曲线,并进行了多组缺口试样的疲劳试验,得到其疲劳寿命,应用传统临界距离法中的点法和线法进行了缺口试样的理论疲劳寿命预估。研究结果表明:与试验结果对比发现传统点法和线法的误差分别为-35. 44%和140. 40%,这一结果相较于目前工程应用的其他方法较为精确,验证了临界距离法对缺口试件疲劳寿命预估的有效性。对传统点法和线法进行修正并用修正公式计算缺口试件的疲劳寿命,其与试验数据的误差分别为18. 87%和12. 44%。修正公式大大提高了疲劳寿命预估的精度,具有一定的实际意义。     

X65海洋隔水管多接头全尺寸疲劳试验研究

与单接头全尺寸疲劳试验相比,隔水管多接头加载段内焊接接头之间焊接残余应力影响大,应力干扰和关联应力效应突出;隔水管接头类型多样化,存在异型管与异型材料的焊接,疲劳特征影响因素多而复杂。针对多接头隔水管刚度大、载荷施加难度大的特点,开展了规格为准323.9 mm×18 mm的X65海洋隔水管多接头四点弯曲+内压全尺寸疲劳试验研究,得到多接头全尺寸疲劳试样在不同应力幅值下的疲劳循环次数,并拟合、绘制出隔水管多接头焊接接头疲劳寿命的P-S-N曲线图。隔水管多接头全尺寸疲劳试验不仅降低了试验周期与成本,提高了试验的置信度水平,还可为后续海洋隔水管的设计、制造、维修和结构承载计算提供技术支撑。     

S135钻杆钢扭转疲劳寿命及断裂特征

针对钻杆在循环应力下的疲劳问题,通过室内试验测定了S135钻杆钢的扭转疲劳寿命,得到了扭转疲劳的Δ-τN曲线,应用统计分析方法得到扭转疲劳寿命公式,并采用扫描电镜(SEM)对疲劳断口进行了观察和分析。结果表明,扭转疲劳裂纹形成于光滑试样表面,且疲劳源的大小随切应力幅值的增加而增加;在疲劳源与疲劳裂纹扩展处的微观形貌特征为典型纯滑移型断裂,在裂纹扩展处涟波状花样区域的大小随切应力幅值的增加而增大。     

套管钻井中套管柱疲劳可靠性及相关力学特性研究

利用CAE仿真技术和可靠性疲劳实验方法,研究了套管钻井中的有关力学问题.分析了不同径厚比套管的受力状态、磨损套管剩余强度、套管柱的振动模态和疲劳可靠度.研究结果表明,径厚比越大,套管管体Mises应力越大,套管发生失稳的临界荷载越小.对于均匀磨损,随着磨损长度的增大,套管的剩余抗拉和抗扭强度逐渐变大,并达到一个极限值;对于非均匀磨损,其剩余抗拉强度与磨损长度之间的关系均近似服从指数分布.两种磨损状态下,套管柱剩余抗拉和抗扭强度都随磨损量的增加而降低;套管柱外径对套管横向振动固有频率的影响大于径厚比对其的影响,纵向固有频率主要取决于管柱长度.运用可靠性方法,基于概率分析设计了单轴和双轴疲劳可靠性试验,得到了套管柱的单轴和双轴概率疲劳特性,推导出套管钻井的P-S-N曲线方程.     

套管钻井中变应力幅载荷下管柱疲劳强度的评估

套管钻井中，套管柱会承受各种载荷的作用。分对称循环变应力幅载荷和不对称循环变应力幅载荷两种情形，推导了不同钻进参数下考虑变应力幅载荷的套管疲劳强度计算公式，阐明了变应力幅载荷的变化对套管疲劳强度的影响；结合套管钻井的实际给出了算例分析，计算结果显示，在相同条件下采用不对称循环变应力幅栽荷模型，计算出的疲劳强度值要比对称循环变应力幅载荷模型的大，表明在实际评估中采用对称循环变应力幅模型计算所得的结果趋于保守，因而具有更高的安全系数。     

抽油机联组5V带疲劳加速寿命试验及可靠性分析

通过对抽油机联组５Ｖ带在四个应力水平下进行的恒定应力加速寿命试验，确定了联组５Ｖ带的寿命分布规律，并给出了其寿命方程和各项可靠性特征函数。为联组５Ｖ带传动的寿命预测及各项可靠性指评定打下了基础。     

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套管钻井技术的出现使套管的工作环境更加恶劣，给套管的性能提出了新的要求，由交变载荷等动载引起的疲劳破坏成为套管失效的最常见形式之一。章对已有套管螺纹连接的疲劳研究进行了总结，然后在分析套管钻井作业过程中套管所受工况的基础上，指出了套管疲劳失效的常见部位及影响因素，提出了一种检测和控制套管疲劳失效的方法和措施，以期能够在套管的使用和操作方面对现场工程师有指导作用。     

考虑温度影响的水下井口疲劳损伤计算方法

水下井口系统与隔水管系统共同构成连接平台与地下油藏的通道。钻井、完井、修井作业过程中泥浆循环导致井筒温度发生变化，并且平台运动、波浪等产生的循环动载荷通过隔水管作用于水下井口，造成水下井口疲劳损伤。首先建立深水井筒温度场计算模型，将温度场计算得到的井筒温度分布施加于水下井口精细有限元模型，采用局部等效方法得到水下井口的等效梁模型，把等效梁模型作为子模型代入隔水管-井口耦合模型中进行水下井口动态响应和疲劳损伤计算，研究泥浆循环作业过程中井筒温度对水下井口疲劳热点处疲劳损伤的影响，并研究不同水泥环返高对水下井口疲劳损伤的影响。结果表明，对于水泥环返高无缺陷的水下井口，50 h内不考虑温度影响时最大疲劳损伤发生在导管接头处，其值为1.00×10^-2；考虑温度影响时最大疲劳损伤发生在套管接头处，其值为3.59×10^-2。当水泥环返高缺陷分别为-2 m和-5 m时，与水泥环返高无缺陷相比，套管（接头和焊缝）的疲劳损伤减小，而导管（接头和焊缝）的疲劳损伤增加，最大损伤均发生在套管接头处，其值分别为3.55×10^-2和3.48×10^-2。     

I/III复合加载模式下疲劳裂纹扩展曲线分析

为了研究套管在钻井过程中的受力状况,以P110钻井套管用钢为对象,根据疲劳裂纹扩展理论,着重利用修正的紧凑拉伸试样,研究在I/III型分量下,不同裂纹倾角对材料疲劳裂纹扩展速率的影响。结果显示：当裂纹倾角为15°时,扩展过程中裂纹完全按照倾角15°扩展;当裂纹倾角为30°时,扩展过程中裂纹发生偏转没有实现完全30°扩展。研究表明,在复合疲劳裂纹扩展过程中,裂纹倾角越大,裂纹扩展方向越容易改变。     

水下套管悬挂器螺纹连接强度分析

为保证油田的正常钻采作业,分析了水下套管悬挂器螺纹的连接强度。结果表明,套管悬挂器与套管螺纹连接组合中,最大应力出现在螺纹最后1扣,此处最容易发生屈服;内压对螺纹连接强度有较大影响,一定的内压值可以提高螺纹连接的强度;内压为20MPa时,套管挂与套管螺纹等效应力最大;内压大于20MPa时,内压对等效应力的影响有逐渐降低的趋势;随着压力等级的递增,套管螺纹等效应力在整个螺纹段更加均匀。     

油气井套管柱的抗震可靠性分析

针对长寿命油气井的安全可靠性问题,提出了套管柱的抗震可靠性研究。通过对地震烈度和对应加速度的随机性描述,得出了地震烈度及对应加速度的概率分布规律和分布参数;同时,通过对套管几何尺寸和管材力学性能的随机性描述,明确了套管外径、壁厚、屈服强度、弹性模量、泊松比等随机变量的概率分布规律和分布参数。建立了地震作用下套管柱的力学模型;借助于振型分解反应谱理论和等效静载荷法,完成了地震作用下套管等效应力的计算方法研究;通过结构可靠性理论建立了地震作用下套管的可靠度计算模型;采用Monte-Carlo的Latin Hypercube数值模拟方法完成了实际套管抗震可靠度的计算。计算结果表明,套管柱的抗震安全指标近似呈最小极值I型分布,即一般情况下地震作用对套管柱损坏的影响不大,但对于较高地震设防烈度地区的长寿命油气井而言,地震对套管柱安全可靠性的影响不容忽视。