增加钻杆疲劳寿命的钻杆接头新设计

钻井工业中一直存在着钻杆早期失效问题。失效一般发生在钻具公母接头的２ｆｔ范围内。以往的研究表明，大部分失效是由于急陡的内部锥面（１／２￣１１／２ｉｎ长，１２．７￣３８．１ｍｍ）和滑动损伤所致。长锥体加厚端的新设计有助于解决这种疲劳问题。本文介绍一种新的应力释放接头，能显著改善长锥体加厚端钻杆接头的性能，使其疲劳寿命增加约为一倍。     

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。     

高强度钻杆钢疲劳性能试验研究

针对钻井过程中钻具疲劳断裂问题,采用旋转弯曲疲劳试验研究了S135和165ksi 2种高强度钻杆钢的疲劳性能。基于Basquin模型得出2种高强度钻杆钢中长寿命区的疲劳极限分布。研究结果表明,取95%的置信水平,则50%、90%和99%可靠度下的165ksi钻杆钢的疲劳极限分别为662.54、645.92和632.28 MPa,S135钻杆钢的疲劳极限分别为595.83、541.87和529.73MPa,并得出了2种高强度钻杆钢完整的应力-疲劳寿命S-N曲线。试验结果可以为深井、超深井钻杆选材及可靠性设计提供基础数据和理论依据。     

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。     

国外钻杆疲劳寿命预测系统模型及应用

随着工业4.0的发展,石油钻杆疲劳寿命完整性评估和智能化管理的内在需求不断增加。研究了典型的国外石油钻杆疲劳寿命预测系统模型——基于Miner法则的疲劳累积损伤模型和基于疲劳寿命标准化的线弹性断裂力学模型。介绍了2种模型的理论基础、计算公式、计算流程和应用情况,并分析了各自的优势和不足。最后结合各个模型的特点,提出了钻具疲劳寿命智能化评估管理系统的研究方向,这对工业4.0背景下智能钻井及钻具管理的发展具有重要指导意义。     

材料性能对钻杆腐蚀疲劳寿命影响的试验研究

API SPEC5D标准规定的材料性能指标不能反映钻杆抵抗疲劳及腐蚀疲劳的性能。对4个厂家的S135钢级钻杆的材料进行了腐蚀疲劳寿命试验、拉伸性能试验及成分分析。试验结果表明,虽然4种钻杆的化学成分及材料性能都符合标准要求,且材料的拉伸强度基本相同,但腐蚀疲劳寿命相差很大。腐蚀疲劳断口观察及断裂机理分析表明,腐蚀疲劳裂纹扩展机理是阳极溶解与氢致开裂共存,氢致开裂加快了疲劳裂纹扩展。材料低倍组织酸洗检验、显微组织分析表明,4种钻杆的金属组织特别是低倍组织有明显差别。低倍组织反映了成分偏析程度、夹杂物含量及分布等。成分偏析及夹杂物导致材料的阳极溶解、特别是氢致开裂速度加快,所以是腐蚀疲劳寿命减少的主要原因。油田数据验证,钻杆材料的低倍组织酸洗检验可作为间接评定钻杆材料腐蚀疲劳性能的方法。     

多维应力状态下高温低周疲劳寿命评价

现代工业正在向着高速、高温、高压的方向发展 ,疲劳问题严重威胁着现代工业设备的安全。该文采用 2 2 5Cr 1Mo带预裂纹环状缺口圆柱形试样的实验数据及有限元分析结果 ,研究了采用当量塑性应变范围Δεp 、当量蠕变应变范围Δεc 和当量应变范围Δε,来评价材料在 4 0 0℃、应变速率为每秒 0 2 %、不同缺口形式下的高温低周疲劳总寿命和裂纹扩展寿命的可行性、缺口形式对疲劳寿命 (疲劳总寿命和裂纹扩展寿命 )的影响以及蠕变 疲劳交互作用对高温低周疲劳总寿命和裂纹扩展寿命的影响 ,最后利用最小二乘回归方法 ,得到了该材料高温低周疲劳总寿命和裂纹扩展寿命评价方程〔1～ 7〕 。     

内加厚锥体长度对钻杆疲劳寿命的影响

钻杆的过早失效是钻井工程中的严重问题。这些失效还常发生在内加厚(IU)钻杆和内外加厚(IEU)钻杆的内锥体(M_(iu))区域或靠近内锥体与加厚部分的交汇处。本文图解说明了这种失效的一些例子,并提出增加锥体长度和加厚壁厚作为解决方法。     

基于应力比的延长抽油杆疲劳寿命设计方法

有杆泵采油是目前各油田最常用的采油方式。为研究交变载荷对油井下部抽油杆柱疲劳寿命的影响,模拟抽油杆真实受力环境,开展了不同应力比条件下抽油杆疲劳性能试验。结果表明：1)抽油杆循环拉伸次数随抽油杆应力比增大而增大,当应力比大于0.45时趋于不变,抽油杆寿命与应力比关系进行曲线拟合,具有一元三次方程关系;2)生产井因工作条件不同,最下一级抽油杆柱应力比不同,实测应力比为0.19～0.51,平均值为0.30;3)生产井最下一级抽油杆疲劳寿命拐点应力比为0.37,推荐抽油杆抗疲劳设计应力比大于等于0.37;4)抽油杆柱底端采用加重抽油杆或加粗抽油杆可以提高最下一级抽油杆应力比。该设计方法对于延长抽油杆疲劳寿命具有实际指导意义。     

钻杆腐蚀疲劳失效及其预防

钻杆要承受拉、压、弯、振动载荷,旋转离心力和起下钻附加动载的作用,工作条件十分恶劣。据石油管材研究中心近7年来的分析,钻杆腐蚀疲劳失效约占79.6%。钻杆腐蚀疲劳失效,是腐蚀介质(钻井泥浆及地层介质)和弯曲交变应力共同作用的结果。根据失效分析,钻杆腐蚀疲劳过程可分为蚀坑的形成、裂纹的萌生、裂纹扩展、刺穿和断裂等几个阶段。一般认为,在腐蚀介质中承受循环载荷的构件,其寿命(即腐蚀疲劳寿命)大部分是蚀坑的成长阶段,这就是使用前已形成蚀坑的钻杆寿命短的原因。本文还分析了钻杆腐蚀疲劳的机理、主要影响因素和腐蚀疲劳失效多发生在钻杆内加厚过渡区终了处的原因,并提出了预防钻杆腐蚀疲劳的措施。     

高性能钻杆研究进展

近年来,随着酸性气田的勘探开发及特殊钻井工艺的应用,钻具失效事故时有发生,对钻具的安全性能提出了新要求。对国内外的抗硫钻杆、铝合金钻杆、钛合金钻杆等高性能钻杆的性能和特点进行了综合分析和评价,为复杂环境和服役工况下的钻具选用提供参考。针对这些高性能钻杆的性价比,提出了我国自主研发高性能钻杆的建议。     

钻杆与套管摩擦磨损的试验研究

模拟井下工况,利用钻杆/套管摩擦磨损试验机试验分析了摩擦行程、钻井液黏度、接触载荷和钻杆转速等因素对套管磨损的影响规律。得出套管磨损量与摩擦行程、磨损率与接触载荷均呈现近似的线性关系;接触力增大,摩擦因数总体上有增大的趋势;增加钻井液黏度可以使摩擦因数有所降低,但不能大幅降低套管磨损;钻杆转速超过140r/min时,转速增加引起的摩擦副振动逐渐加剧直至共振,导致套管磨损率出现较大幅度的上升。该研究成果为钻井参数优选、套管磨损预测和减磨优化设计提供了参考依据。     

深水钻井钻柱疲劳寿命研究

深水钻井作业中平台的动力响应将使钻柱承受更多的交变载荷,钻柱疲劳寿命的计算过程更为复杂。应用数值模拟方法,通过Ansys-Workbench中的AQWA模块、瞬态动力学分析模块以及疲劳分析模块,提出了一种研究深水钻井中钻柱疲劳寿命问题的方法。通过实例计算,得到了某海洋环境下平台的运动响应,进而得到钻柱的疲劳极限寿命约102.61 d。计算结果表明,对于水深1 000 m的深水钻井作业,服役时间达到100 d的钻柱必须经过探伤检测,方能确定是否继续使用,且尤其应注意靠近水面部分的钻柱。     

高钢级钻杆强度塑性试验研究

钻杆强度级别提高,其塑性性能会发生变化,因此高屈强比成为影响高钢级钻杆推广应用的主要问题。对X95、G105、S135、V150和HL165系列高钢级钻杆进行了室温拉伸试验,利用真应力-真应变曲线分析了高钢级钻杆强度塑性特征参数的变化规律及屈强比对钻杆安全性的影响。试验结果表明:随着钢级提高,钻杆强度不断增加的同时,工程屈强比和真实屈强比都增大,但后者比前者约小5.5%~7.0%;不同钢级钻杆工程屈强比与其伸长率、冲击功、塑性失稳点应变量、均匀形变容量和静力韧度等塑性韧性指标无对应关系;虽然V150、HL165超高强度钻杆屈强比分别达到0.953和0.941,形变硬化能力略有降低,但仍具有高塑性变形能力、高韧度水平和高断裂强度。研究认为,不宜将工程屈强比作为衡量高钢级钻杆质量的一项硬性指标,良好的综合性能是确保钻杆安全使用的关键。      

遥测钻杆系统

随钻测量钻井(WMD)及随钻测井钻井(LWD)是当代钻井的标志性技术.其基本原理是在钻井过程中,将钻头处的各种状态参数,通过钻井液脉冲返回地面.为提高脉冲信号传输的速度和精度,国内不少科研院、所为之投入了很大力量.     

可变径钻杆防喷盒的研制与应用

钻井起钻卸单根过程中,钻井液从钻柱接头处喷溅而出,不仅威胁工作人员健康安全,而且污染平台设备,为此研制了可变径钻杆防喷盒。该防喷盒为圆筒开合式结构,通过控制钻柱接头钻井液喷溅压力来回收和循环钻井液。运用Solidworks绘制防喷盒模型,采用ANSYS对其MC尼龙材料进行分析。在江汉油田焦页4-2HF井和31-1HF井的试验中,可变径钻杆防喷盒具备良好的承压能力,试验效果良好,共收集钻井液36.24 m~3,比常规起钻至少节约3 h。设计的可变径钻杆防喷盒实用性强,符合现场以及HSE要求。     

钻柱结构中低幅声波接收效果的试验研究

为便于在室内对钻柱结构中声波的传输及衰减特性进行深入研究,设计了声波接收效果测试系统,并对正弦声波在水平放置的周期性螺纹连接管结构中传输时不同位置的接收效果进行了试验研究。研究结果表明,同一截面不同点接收到的声波幅值存在差异,不同截面接收到的声波也存在差异;每个截面接收到的声波幅值差异随着发射声波频率的变化而变化,但接收到的声波频率相同,皆为发射的频率;不同截面同一方位接收到的声波幅值并非依次递减,而是交错分布,幅值分布规律亦随频率的变化而变化。最后指出测试井下信息声载波有2种方案可供选择,即:1沿截面周向分布多个小型测量装置同时测量,选取最大振幅的点作为最终接收信号;2使用变幅杆将声波信号汇集到中心截面,通过一个小型测量装置来测量。     

钻柱结构声传输特性试验研究

声传输方式因结构简单、成本较低、易于定向发射等优点成为研究的热点。为寻求更高数据传输速率和受工作环境影响更小的井下随钻无线传输技术,设计了近钻头声信号传输试验系统,论述了声传输的信道特性、影响因素和信号检测方法,分析了管箍界面以及泥浆介质的阻尼影响,通过色散曲线对钻杆中纵波传输的频域特性进行了详细分析,试验研究了近钻头中声信号传输时激励信号与接收信号的关系。结果表明,周期性钻柱结构具有复杂的声特性,在钻柱信道中,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。存在适合高速和大信息量传输数据的声信号频带和信号特征。