套管钻井扭转残余应力对套管抗挤强度的影响

套管钻井中套管管柱的旋转动力来自井口所施加的扭矩。讨论了在套管钻井中不同扭矩下扭转状态的确定方法，对应不同的扭矩，套管具有弹性、弹塑性和塑性三种不同的扭转状态；讨论了不同扭转状态下残余应力的分布情况，计算了在弹塑性扭转和塑性扭转情况下的平均残余应力，推导了考虑残余应力影响下的套管抗挤强度修正公式。算例分析结果显示，在发生弹塑性扭转的情况下残余应力使套管抗挤强度下降了0．033％，在保证管体不发生几何形状改变的条件下，可忽略残余应力对套管抗挤强度的影响。     

旋转钻柱动载扭矩的研究及其应用

本文就钻井作业中经常发生的钻具扭断事故进行了运动机理上的分析和研究,并运用双向应力状态分析方法及能量守恒原理,对钻柱在静态下的轴向力和在剪切作用力下的许用扭矩计算,以及钻柱在旋转状态下的动态许用扭矩的计算进行了研究,从而使扭矩计算及其限制更接近于现场实际。     

旋转钻柱动载扭矩的研究及其应用

本文就钻井作业中经常发生的具扭事故进行了运动机理上的分析和研究，并动用双向应务主能量守恒原理，对钻柱在静态下的轴向和和在剪切作用力下的许用扭矩计算，以及钻柱在旋转状态下的动态许用扭矩的计算进行了研究，从而使扭矩计算及其人限制更接近于现场实际。     

套管柱拉力—扭矩模型及在定向井中的应用

在固井作业中，不仅要将套管下入到设计深度，还要在注水泥浆结束后，上提、下放和旋转套管以提高固井质量；在某些特殊情况下，还有可能将套管起出。在固井施工之前，应该对套管柱进行拉力和扭矩分析，以确认套管强度和地面设备是否满足要求。文中在考虑钻柱刚度的基础上建立了定向井套管柱拉力扭矩模型，提出了套管柱强度校核方法。对大庆油田的一口定向井的套管柱进行了拉力、扭矩和强度分析。结果表明，该井套管具有足够的强度，可以实施上提、下放和旋转套管作业。     

套管柱在高压工艺条件下的受力及保护浅析

分析了套管柱在高压工艺条件下的受力状况，并给出了计算公式。实施压裂、酸化或注水而形成的高压差和高温差，会使井口处套管和水泥面处套管的受力发生突变。在采用环室或光油管压裂、酸化或注水时，套管处于直接承压状态，其中井口处套管受压力效应、温度效应和重力的综合影响；水泥面处套管则受到附加轴向载荷的作用。通过实际井例进行了计算和验证。在此基础上，提出了采用封隔器管柱保护套管的途径。此外，还对封隔器管柱作了受力分析。     

枯竭油气藏地下储气库套管柱水泥环强度分析

在储气库技术研究中,对套管柱的受力情况进行研究十分重要。利用解析法建立地下储气库套管柱力学模型,分别分析套管柱在内压及外挤载荷、温度载荷和轴向载荷作用下的环向、轴向和径向应力,将各种载荷引起的应力及位移叠加,计算套管柱的受力情况,并通过实例来分析水泥环特性对套管受力及水泥环三向应力的影响。结果表明,套管在注气工况下受力较大,套管应力随水泥环弹性模量的增大而逐渐减小,当水泥环弹性模量增大到一定值时套管应力减小不明显,而水泥环的受力却不断增大;水泥环弹性模量太大时会增加水泥环的各向应力。     

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.     

注水井改为注气井的套管柱安全性研究

结合某油田的H1 2 - 1高压注气井开展了套管柱强度校核方面的研究 ,提出了一套适合于高压注气井套管受力分析和强度安全性校核的步骤和方法。在套管柱强度校核中 ,套管的受力分析应当结合实钻井眼轨迹和实际注气工况 ,充分考虑轴向力、外挤和内压力对套管API强度的影响 ,进行三轴应力强度校核 ,同时应该考虑封隔器的安装与否以及安装高度和注气条件下气体所产生的压力 ,以此来计算套管柱所承受的内压力。提出的套管柱设计方法得到了现场验证     

造斜井段中套管柱挠曲变形分析

在定向井和水平井中一般都存在造斜段,在造斜段井身轨迹处于弯曲状态,位于其中的套管柱必然
为适应井身形状而发生初始的弯曲变形。因此造斜井段中的套管柱不仅要受到自重和轴向压力的作用,而且还存
在初始弯曲,这就使得造斜段井段中套管柱的受力及变形变得复杂。文章在考虑初弯曲的情况下利用能量法对造
斜井段中的套管柱在各种载荷作用下的再次变形进行了分析计算,推导出了造斜井段中套管柱再次变形挠度的计
算公式,其结果对工程实际有指导意义。     

循环推送下套管系统的研制

如何将套管安全下到预定位置是大位移井、分支井以及丛式井等复杂结构井完井面临的技术难题之一,为此,研制了循环推送下套管系统。该系统能够自动连接套管、建立钻井液循环、旋转套管柱以及在套管柱末端产生轴向振荡力,减小套管下入摩阻,同时可通过切削井壁清除砂桥、台阶等。介绍了该系统套管循环旋转装置和套管推送下入装置的结构和工作原理,采用数值模拟方法分析了套管循环旋转装置的卡瓦承载能力。室内试验表明,套管循环旋转装置工作可靠,可承受轴向载荷2 400 kN、扭矩30kN·m,密封承压35 MPa,设计排量条件下,套管推送下入装置压降2.7 MPa、振荡力41 kN。现场试验表明,该循环推送下套管系统能够有效提高套管下入的安全性,可进一步推广应用。     

热采井套管三轴预应力设计分析

传统热采井套管预应力设计的基本原则是根据虎克定律，将施加于套管的预应力与套管升温后的轴向热应力叠加，使其控制在相应温度下套管许用的最小屈服极限以下。由于固井水泥环和围岩的作用．套管升温后存在三向热应力，利用对套管施加轴向预应力来降低套管的轴向热应力，使得套管的热有效应力控制在相应温度下套管许用的最小屈服极限为原则，得到热采套管三轴预应力设计方法，采用2种设计方法对NSO、P110钢级套管进行预拉力设计，得到2种钢级套管不同井深位置预应力的临界温度。     

深水钻井导管和表层套管横向承载能力分析

根据桩基和材料力学理论,建立了适于深水钻井的导管和表层套管横向承载能力分析模型。模型中考虑了深水钻井中横向和竖向载荷的共同作用、可变的管柱抗弯刚度以及管柱与地基间的非线性响应等特征。通过对模型进行数值求解,对不同影响因素下沿管柱的横向位移、转角、弯矩、剪力和地基反力进行了分析,结果表明:载荷对管柱的作用集中在管柱上部较短的一段区域;竖向载荷对管柱横向承载力影响不大;套管下入深度超过一定值后,较大的下入深度对其横向承载能力几乎没有影响;海底浅部地层地基类型对管柱的横向承载能力有一定影响;有必要通过现场取样获得浅部地层的地质资料,对深水钻井井口力学稳定性进行分析。     

近钻头井下钻具运动特征及异常状态分析方法

目前利用相关理论模型并结合地面录井参数分析井下钻具运动特征及异常状态的方法不够准确。基于快速傅里叶变换理论和PDC钻头牙齿受力方程,建立了井底钻具运动特征的分析方法;根据一维不稳定流动理论,结合加速度理论,建立了井底异常状态的分析方法。理论分析结果与现场试验数据吻合较好。理论分析及实测结果表明:在实测井段中,滑动钻进时井底各工程参数的频谱图中存在与螺杆转子相同转动频率的主频,旋转钻进时井底各工程参数的频谱图中存在2个主频,一个与螺杆转子的转动频率相等,另一个与钻柱的转动频率相等;井底钻具阻卡后,管内压力出现第一个压力峰值的时间是环空压力出现第一个压力谷值时间的2倍,同时扭矩及振动传感器读数变化剧烈。研究表明,利用井底工程参数频谱图的主频特征可以区分滑动钻进与旋转钻进阶段,同时可获得井底钻具及螺杆的转动状态;利用管内压力、环空压力、扭矩及加速度传感器的读数变化特征可判断井下是否出现异常。建立的分析方法可为安全快速钻井及井下专家系统的建立提供理论参考。      

套管钻井用套管外表面磨损后剩余强度分析

在分析讨论套管钻井管柱磨损形态的基础上,结合API5C5实物试验尺寸要求,通过有限元计算分析方法,对钻井套管完钻后含有外表面磨损缺陷的套管柱的极限剩余抗挤强度和极限剩余抗拉强度进行了研究,分别获得了均匀磨损和偏磨条件下,套管钻井套管柱外表面磨损缺陷的临界长度尺寸数值,以及不同破坏失效准则条件下的剩余抗挤强度和剩余抗拉强度的计算方程,为套管钻井中套管柱的设计、计算奠定了理论基础。     

摩擦对垂直井眼中管柱屈曲变形的影响

考虑在有摩擦力存在的情况下,应用Lubinski解导出了垂直井眼中管柱轴向力所满足的微分方程,积分得出了管柱轴向力的公式,并进一步得出了管柱在压缩力作用下缩短和因屈曲缩短的公式。根据不同的边界情况分析了这些公式,指出摩擦力对管柱的屈曲变形影响很大,尤其在高温油气生产时顶部或底部温度加载时,轴向力迅速增加,这是造成封隔器和井口破坏的原因之一。导出的公式简单易用,为试井工程设计提供了快速计算方法。     

可控偏心稳定器钻具组合弹性稳定性研究及其应用

可控偏心稳定器是旋转导向钻井技术中的核心工具之一,结合钻井作业的实际情况,对可控偏心稳定器钻具组合的弹性稳定性进行了研究和分析。运用纵横弯曲梁的理论,建立了管柱在纵横弯曲条件下的挠曲变形方程;运用能量法建立了受压管柱在旋转状态下的弹性变形方程,并且得到了临界钻压的求解方法;通过综合考虑井斜角、钻具自重、扭矩、转速、钻具的几何尺寸、钻压等6个重要因素对管柱临界失稳的影响,推导出了临界钻压的表达式,为合理使用好旋转导向钻井工具,特别是可控偏心稳定器心轴的合理设计和安全使用提供了理论依据,对现场钻井作业有积极的指导意义和借鉴作用。     

气体钻井钻柱抗疲劳短节设计与应用

气体钻井过程中由钻柱运动（包括公转和纵向共振） 引起的钻具疲劳断裂,造成了大量的井下钻具事故,成为推广应用气体钻井技术的障碍。为此,设计开发了气体钻井用抗疲劳短节：该短节组装采用花键联接;通过对轴向冲击力作用的下部钻具力学仿真分析,钻进中抗疲劳短节的花键芯轴与花键外筒产生相对位移,压缩筒内二甲基硅油吸收冲击力,从而使安装抗疲劳短节的钻铤应力水平降低30%。现场应用结果表明：安装应用抗疲劳短节的钻柱扭矩参数变化不大,钻进平稳且未发生跳钻现象,钻头受力均匀,钻时比较稳定;出井的短节经探伤检测合格级别为I级,进一步验证了抗疲劳短节可以有效预防钻柱在气体钻井中所产生的钻具疲劳断裂问题,有利于钻柱在气体钻井中长期安全工作。     

深井钻柱疲劳强度计算与分析

钻柱疲劳失效的机理分析表明,钻柱在振动和进动工况下,受到拉、压、弯、扭等组合交变应力作用,发生疲劳破坏是其失效的主要形式。通过钻柱受力分析,给出钻柱轴向应力、弯曲应力、扭转应力、径向和周向应力,以及附加剪应力的计算公式。根据疲劳强度理论,建立了钻柱在不对称循环应力状态下的疲劳强度条件。结合实际算例分析,找出钻柱危险点处疲劳安全系数随井深、转盘转速和钻压的变化规律,有助于钻井参数的调整。