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。     

钻杆刺穿原因统计分析及预防措施

对某油田2004年钻杆刺穿情况进行了调查研究,得到钻杆内加厚过渡带部位刺穿是钻杆刺穿失效的主要形式。分析认为,大多数钻杆内加厚过渡带刺穿裂纹起源于钻杆内壁,其刺穿机理和过程为,钻杆内壁腐蚀或者涂层破坏后腐蚀→形成腐蚀坑→腐蚀坑底产生腐蚀疲劳裂纹→裂纹扩展→刺穿或断裂。钻杆从内加厚过渡带部位刺穿的原因与钻杆内加厚结构尺寸、材质抗疲劳裂纹萌生和扩展的能力有关,同时也与井身质量、井身结构和转盘旋转速度有关。为防止或减少深井和超深井油田钻杆刺穿事故提出了预防措施。     

钻杆失效中流场诱导因素模拟分析

在油气井钻井过程中,约有60%的钻柱失效都与钻井液有关,其中突发区域为加厚过渡带。准确分析管内流体流动对钻杆的影响,以便找到钻杆失效的关键因素。采用有限体积法的数学模型对不同结构尺寸和不同钻井液流速条件下的钻杆内流场进行了模拟,获得了不同条件下的压力场分布。计算结果可以为优化钻杆尺寸、合理选择钻井液流速工艺提供一定的参考。     

超声波探伤在钻杆加厚过渡带检测中的应用

文章介绍了SONIC137型超声波探伤设备的组成、作用及原理。该设备采用超声波检测技术,检测钻杆加厚过渡带壁厚和裂纹类缺陷,通过现场应用,解决了ARTIS-II型漏磁检测设备检测钻杆时加厚过渡带成为盲区的问题。     

塔里木油田钻杆刺漏原因分析

对塔里木油田钻杆刺漏进行了大量的现场资料统计分析，总结出其钻杆刺漏位置主要发生在Φ244的套管内钻杆的母接头端的加厚过渡带，提出该位置是研究的重点。对塔里木油田和塔河油田钻杆失效进行了详细地对比分析，得出塔里木油田钻杆刺漏的主要原因：(1)高转速、高泵压以及大环隙比；(2)钻杆加厚过渡带及接头直角台肩根部疲劳裂纹扩展；(3)钻井液具有严重的腐蚀性，裂纹扩展处涂层剥落，发生严重的腐蚀疲劳，最终被高压钻井液冲蚀刺漏。针对这些原因，提出了塔里木油田钻杆刺漏的预防措施和建议。     

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...     

BA6S井钻杆失效机理

针对东海平湖油田BA6S井钻杆严重刺漏问题,通过研究加厚过渡带理化性能、拉弯扭复合作用下过渡带应力分布、内流道流场特征、基于实际井眼轨迹的钻柱动力学特性及钻杆疲劳特征,详细分析了钻杆失效的机理。研究表明:失效钻杆样品涂层的个别部位严重偏薄,管材中含有较高指标的氮化物,易降低钻杆的冲击韧性;复合载荷作用下过渡段具有较高的应力水平,增加了失效风险;钻杆过渡带附近有较为显著的涡动,内部流场对钻杆产生的总压力较大;较大的井眼狗腿度增大了钻柱动态疲劳系数,导致钻柱更易发生疲劳失效。     

定向井S135钢级钻杆刺漏失效机理

对某定向井20根钻杆刺漏情况进行了调研,基于宏观观察、理化特性分析、钻杆内涂层质量评价、钻杆加厚过渡带应力及内流场分析和井眼全角变化率分析,对刺漏钻杆进行了失效机理研究。结果表明,钻杆内涂层局部厚度严重不足降低了钻杆疲劳寿命;钻杆内加厚过渡带消失区域同时存在应力集中和内流场冲击漩涡,是疲劳形核萌生的择优区域;造斜段井眼全角变化率突变严重超标,使钻杆承受较大的拉、弯复合载荷,因此,内外因素综合作用最终导致多根钻杆刺漏失效。最后针对此类钻杆刺漏失效,从钻具质量要求和现场使用角度给出了预防建议。     

钻杆生产技术的发展与展望

介绍了钻杆生产技术的发展及现状, 指出目前国内外钻杆的生产均采用摩擦焊接方法,钻杆的失效形式主要是疲劳断裂、腐蚀疲劳和超载, 失效部位主要是钻杆管体加厚过渡区、钻杆接头螺纹和焊缝区。据此详细阐述了摩擦焊钻杆管体和接头的生产工艺与技术要求, 以及焊接工艺流程和技术要求, 指明通过严格控制管体坯料和接头坯料的冶金工艺, 改善钻杆管体加厚过渡带形状等可有效提高钻杆的使用寿命。最后就钻杆的发展方向提出了建议。     

失效分析促进了钻杆结构设计优化

通过钻杆内加厚过渡带,内壁腐蚀,接头台肩,扭矩台肩等出现大量失效后进行的结构设计优化案例,有力地说明了失效分析在钻杆构件结构设计优化中所发挥出的重要作用,极大提高了钻杆质量和使用寿命,促进了钻杆标准的修订,有效地降低了钻杆失效事故的发生。     

钻柱中声波传播特性理论分析与试验研究

为验证声波在钻柱中的传播特性,获取适合传输井下信息的频率点或频段,以127.0mm钻杆为研究对象,基于理想钻柱的频率方程,分析了不同长度钻杆的频率与波数的关系。分析认为,钻杆长度的不均匀性将导致钻柱通频带的交集缩小,若钻柱每个周期由不同长度的钻杆连接组成,通带将变窄,甚至在某些频带上因没有重叠部分而形成很宽的阻带。基于理想钻柱的瞬态响应方程,分析了钻杆接头对声波的反射作用,得到了声波通过多根钻杆后的瞬态特性。在室内采用每根长1.5m的钻杆短节,进行了全尺寸接头钻杆短节声波传播特性试验,研究了不同频率声波在不同长度钻柱中的传播特性,验证了声波在钻柱中传播存在梳妆滤波器特性和色散现象,得到了适合钻柱中传播的声波频率范围和一些频率点,可为声波系统样机的研制提供理论基础和依据。     

钻柱结构对声传输特性的影响

建立了用于井下信息声传输特性研究的非周期性钻柱组合模型,并利用传递矩阵法推导出了模型的声透射系数方程,进而对周期性钻柱组合和非周期性钻柱组合的声透射系数进行了研究。结果表明：在钻柱信道中,对于周期性管柱结构,钻杆和接头的几何尺寸决定了钻柱的频带结构,并且这种频带结构呈现出周期性和对称性特征,通带和阻带交替出现,且在一个频带周期内随着频率的增加,通带先变窄再变宽,阻带则先变宽再变窄;随着钻杆根数和接头数目的增加,通带结构发生变化,通带内出现小透射峰,且小谱峰数增加。对于非周期性钻柱组合结构,钻柱中各节钻杆和接头的尺寸差异会对声传输特性造成影响,表现为通带变窄阻带变宽;结构参数中长度尺寸差异较截面尺寸差异的影响更为显著。     

定向井同心环空中卡森流体稳态波动压力的研究

管柱在充满钻井液的井眼内运动时所产生的压力波动,是影响井眼稳定性的重要因素。其值的大小,是确定泥浆附加密度的主要依据。因此,要求对实际波动压力的预测有较高的精度。多年来,常用的波动压力计算模式多为近似模式,存在较大误差。为此,从理论上对定向井同心环空中起下钻时管柱在卡森流体中运动时钻井液由粘滞性产生的波动压力进行了分析,建立了理论模式。为便于现场应用,绘制了不同情况下波动压力系数的变化规律图,并给出了计算示例。     

普光气田气体钻井钻具失效原因分析及预防措施

气体钻井技术虽然大幅度提高了普光气田上部陆相地层钻井速度，但屡次出现钻具失效事故，不仅影响钻井速度，而且威胁井下安全。分析了钻具失效规律，并通过宏观分析判断钻杆为疲劳和腐蚀疲劳断裂，钻铤为疲劳断裂。从气体钻井自身因素、钻柱运动（包括公转和纵向共振）、钻具腐蚀、钻井方式、钻铤弯曲强度比不足等方面分析钻具失效原因，提出使用空气锤钻井技术、加强钻具探伤、优化钻具组合和钻井参数、缓解钻具腐蚀、加强钻柱振动监测等预防措施。指出应加强气体钻井钻具失效的微观机理、钻柱运动与动力学、岩屑对钻具的冲蚀磨损、钻具腐蚀、消除钻柱公转等方面的研究以预防钻具失效。     

水平状态下钻柱的屈曲分析

在现有的水平状态下钻柱屈曲研究中,一般把钻柱看作均匀的等直径杆,认为钻柱在其自重的作用下,紧贴下井壁,因而通常把水平状态下的钻柱简化为在整个长度上受到井壁均匀支承的轴向受压的简支梁。而实际上处于水平状态的钻柱是由一些钻杆连接而成,每根钻杆都有两个接头。由于钻杆接头的直径较钻杆本体部分直径要大,并且为了抗磨,在钻杆接头附近装有抗磨衬节,因此只有在钻杆接头这一段才会和井壁接触,受到井壁支承,而钻杆本体并不受井壁支承。因此文中将整个水平钻柱看作是一个两端简支轴向受压的连续梁,而将钻杆接头这一段简化为连续梁的中间支座。在此基础上利用矩阵传递法对处于水平状态钻柱的屈曲进行了分析研 究,推导出了水平状态下钻柱稳定计算的特征方程,求出了水平钻柱的临界压力。计算表明,在水平状态下构成钻柱的钻杆的长度对钻柱的屈曲载荷有很大影响。     

钛合金钻杆在页岩气长水平段的延伸钻进能力分析

页岩气井的发展方向是垂深更深、水平段更长，长水平段延伸钻进困难已成为制约深层长水平段页岩气井效益开发主要的瓶颈，而采用轻质钻杆则是解决页岩气井水平段延伸钻进难题的方案之一。为了定量化评价钛合金钻杆在页岩气长水平段的延伸钻进能力，基于Hamilton原理建立全尺寸钛合金钻柱动力学模型并采用HHT-α法对模型进行求解；进而以钢制钻杆作为比较对象，分析钛合金钻杆的降摩减阻、抵抗变形和轴向力传递能力及其影响因素。研究结果表明：①钛合金钻杆能够有效减少钻柱摩阻，当钻井液密度为1.30 g/cm3时，?101.6 mm钛合金钻杆的接触摩阻比同规格的钢制钻杆减少18.5%，?127.0 mm钛合金钻杆的接触摩阻比?101.6 mm钢制钻杆减少34.8%；②较之于钢制钻杆，钛合金钻杆更容易发生屈曲变形，但通过调控钛合金钻杆尺寸规格可以缓解屈曲变形，从而降低屈曲导致的局部摩阻增加；③钻井液密度提高，能够明显增强钛合金钻杆的降摩减阻效果。结论认为，轻量化的?127.0 mm钛合金钻杆的降摩减阻能力高于?101.6 mm钛合金钻杆，更高于?101.6 mm钢制钻杆，更加有利于解决长水平段水平井延伸钻进困难的问题。     

幂律液体圆管螺旋流的解析解

本文从理论和实验方面研究了石油钻井泥浆常用的幂律液体在钻柱中的螺旋流动规律。推导出了幂律液体圆管螺旋流的视粘度分布、速度分布、流量的解析表达式;进而建立了压降方程和判别流动状态的稳定性参数K及其最大值K_max的解析表达式。通过CMC及聚丙烯酰胺水溶液的圆管螺旋流的实验,证明了理论研究的正确性,并确定了稳定性参数的临界值K_max,c可以取作400。