复杂结构井用高钢级钻杆安全韧性判据地研究.pdfVIP

复杂结构井用高钢级钻杆安全韧性判据的研究 1 李方坡 ，刘永刚，王新虎，韩礼红，宋生印，路彩虹，徐欣 （中国石油集团石油管工程技术研究院 石油管工程重点实验室 陕西 西安 710065） 摘要：随着定向井、丛式井、大位移井等复杂先进钻井技术的推广应用，高钢级钻杆大量使用。统 计分析发现，复杂结构井用高钢级钻杆在使用过程中出现了大量“平直刺穿”和断裂失效事故，裂纹 的稳定扩展长度约为 60-80mm。本文提出了复杂结构井用高钢级钻杆 “刺而不断”的失效模式，并推 导出钻杆发生“刺而不断”的材料冲击功计算公式。计算结果表明，钻杆材料的冲击功要求值随钻杆 断裂临界裂纹长度的增加而增加，随钻杆强度钢级的增加而增加，与钻杆所承受的应力载荷比的平 方成正比例增加。以 43J 作为冲击功指标要求已不能满足复杂结构井使用的 G105 和 S135 钢级钻杆 的韧性要求，为了保证钻杆“刺而不断” ，钻杆的冲击功要求值应在 100J 左右。 关键词：复杂结构井；高钢级钻杆；失效模式；纵向冲击功；安全判据 引 言 随着近年来油气资源的开发利用和定向井、丛式井、大位移井等先进钻井技术的推广应用，普 遍使用高钢级钻杆G105 和S135，钻柱承受更大的拉力、弯矩、扭矩和磨阻，钻杆的受力更加复杂。 为了保证钻井过程中的安全，避免钻杆失效事故发生，要求钻杆材料具备更高的安全韧性。然而， 目前大部分高钢级钻杆的设计和生产仍按API 规范进行的，由于API 规范侧重于材料强度指标的要 求而对高钢级钻杆材料韧性规定仍为 43J ，导致近年来在复杂结构井中应用的高钢级钻杆出现大量失 [1] 效事故。2009 年仅中国石油集团五大钻探公司就发生钻杆失效事故 637 起，造成巨大经济损失 。 为了减少钻杆失效事故的发生，尤其是断裂事故的发生，针对复杂结构井用高钢级钻杆提出合理的 安全韧性要求，对防止或减少钻杆的失效事故，提高钻柱安全可靠性具有十分重要的意义。 1 钻杆失效过程 钻杆是钻柱的主要构件，在钻井设备和工具中占有十分重要的地位，其使用寿命对与钻井速度 和质量具有重要影响。钻杆管体的失效模式主要为刺孔和断裂两种，失效机理主要为疲劳和腐蚀疲 劳失效。钻杆刺穿和断裂的失效过程可以描述为：裂纹形成→裂纹扩展穿透壁厚→高压泥浆刺出→ 形成刺孔（断裂）。从本质上讲，刺孔和断裂是一回事，裂纹穿透钻杆管体壁厚以后是发生刺孔失效 还是断裂失效取决于钻杆所承受的外力载荷和钻杆材料自身的强韧性。 依据断裂力学原理，实际构件中的裂纹在外力作用下可分为张开型裂纹、滑开性裂纹和撕开型 裂纹[2]，其中张开型裂纹是低应力断裂的主因，为了保证安全，本文研究的裂纹均按张开型裂纹处 理。钻杆使用过程中形成的裂纹在钻井过程中形成的复杂交变应力作用下疲劳扩展，当疲劳裂纹尖 端应力强度因子大于材料断裂韧性时，当扩展到临界裂纹长度时，裂纹便发生失稳扩展并瞬间断裂。 若钻杆所受外载荷和材料自身强韧性使得疲劳裂纹扩展速度较慢，临界裂纹长度尺寸较大，则裂纹 形成后，高压钻井泥浆的冲刷作用会将裂纹尖端钝化，降低裂纹尖端应力强度因子，从而控制裂纹 的进一步扩展速度，随着钻井过程的继续，在作用于裂纹尖端的复杂应力和泥浆冲刷作用的联合作 用下，裂纹沿周向缓慢增大，并最终形成“椭圆形刺孔”或“圆形刺孔”，如图1所示，这是钻杆失 效的常见形式。 (a) (b) 图1 刺孔形貌 (a)椭圆形刺孔(b)圆形刺孔 钻井泥浆的泵压为钻井泥浆流经钻柱、钻头及钻柱与井壁之间环空的总的压力降损失，泥浆泵 [3] 压传递基本关系如下式所示 ： P =△P +△P +△P +△P s g st a b P ——泥浆泵压力，MPa s △Pg——地面管汇压耗，MPa △Pst——钻柱内压耗，MPa △Pa——环空压耗，MPa △Pb——钻头压耗，MPa 钻柱形成刺孔时，在泵压作用下，一部分泥浆从刺孔处泄露直接进入环空返回地面，相应的钻 井泥浆流经钻柱、钻头以及环空的纵的压力损失就会减少，而使得钻