钻具失效机理研究1.ppt

钻具失效机理研究 指导教师： 答辩人：王宏雷 1 主要内容 钻具失效研究的目的和意义 钻具失效的基本内容 钻柱失效机理的研究 钻柱的疲劳寿命预测 实例计算 总结 2 钻具失效研究的目的和意义 在深井、超深井钻井过程中,钻具的受力状况和井下环境异常恶劣处，在内外充满钻井液的狭长井眼里工作,通常承受压、弯、扭、液力等载荷,钻具在井下的运动是一个复杂的动力学系统。 钻具失效而导致的钻井事故频繁发生，严重影响了钻井速度的提高，处理这些事故耗费了大量的人力、物力和财力，造成了巨大的经济损失。 所以进行大量的钻具失效调研和进行相关的分析研究，弄清楚钻具失效的主要原因和机理，从而采取相应的措施，提高钻具使用寿命，解决和预防井下钻具失效，从而对提高钻井速度，降低钻井成本，具有重要的意义。 3 深井钻井相对于其它钻井，存在着以下几点特殊性： （1）钻井工程的系统性和复杂性。对钻井技术、操作方法和钻井工具等提出了更高的要求。 （2）深部地质条件恶劣。地层岩性一般为上软下硬，并且可能有软硬交互的地层，容易出现蹩钻、跳钻现象，使得钻具发生疲劳失效的几率加大； （3） 钻井周期长。下部岩石的可钻性级值高，钻时慢，钻进困难； （4） 地温梯度高。平均地温梯度4～5/100m ，井深4000m左右，井底温度达140以上； 所有这些使得深井钻井更容易发生钻具失效事故。 4 国内外钻具失效研究现状 对钻具组合（钻柱）进行受力变形分析的方法可归结为四类： A. Lubinski的微分方程法、K. K. Millheim的有限元法、B. H. Walker的能量法、白家祉教授的纵横弯曲法。 钻具组合（钻柱）动力及疲劳分析的方法有： 微分方程法、有限元法、间隙元法。 5 实验研究 目前国外测试井下动力响应的工具主要有井下测试工具和地表测试工具两种：井下测试工具是将该测试短节安装在近钻头处，测试信号通过泥浆脉冲传感器传到地面，在地面通过计算机将信息加以处理，得到有关的振动响应、加速度等信息；表面测试工具仅靠在地面安装一个测试短节即可达到上述的测试目的，这样也可避免井下一些不利因素（高温等）对测试结果产生影响。 6 钻具失效的形式 7 钻具失效的影响因素 8 钻具失效的预防措施 选择合适的弯曲强度比 避免钻具振动 加强钻具的检验与探伤 优化钻杆加厚过渡区结构 使用内涂层钻杆 在钻铤和钻杆之间使用加重钻杆 在保证钻具强度下优先选用低强度钻杆 控制腐蚀 对钻具加强科学管理与检测 研制和应用合适的减振工具 9 钻柱的受力分析 10 钻柱失效分析 钻柱涡动：当钻柱在井眼内顺时针自转时，它与井壁接触产生的摩擦力，使其以一定的速度按逆时针方向绕井眼轴线旋转，形成涡动。可见钻柱形成涡动的先决条件是钻柱与井壁接触并产生足够大的摩擦力，摩擦力作为主动力引起钻柱向后涡动。钻柱的离心力既是引起钻柱弯曲加大，促进涡动的重要因素，又反过来受涡动影响，涡动角速度越大，离心力越大，故离心力与涡动是相互促进的。钻柱涡动主要在底部钻具组合发生，而且在任何转速下都可能发生，其直接后果是使钻柱承受高频应力而导致钻柱疲劳破坏，尤其在向前涡动和向后涡动的过渡区，钻柱所承受的交变应力更突出，是最容易失效的位置。 11 钻柱失效分析 钻柱振动：是由于钻柱与井眼的接触以及钻头与地层的相互作用而引起的可分为纵振、横振和扭转振动，钻具振动是引起钻柱联接螺纹疲劳断裂的主要因素之一。尤其是钻铤螺纹受到的影响更为严重，断裂常发生于此，钻柱的横向振动主要是由于钻具组合质量不平衡引起的。尤其对于使用减振器的下部钻具组合而言，由于直接联接钻铤和钻头的柔性联接件(弹簧)受轴向压力而使底部钻铤质量偏心，当钻柱旋转时便产生离心力，导致钻柱屈曲，进一步促进横向振动；对于钟摆钻具和造斜钻具，造成紧靠扶正器处弯曲应力大，使钻铤公螺纹断裂，加快了钻柱疲劳失效。 12 钻柱失效分析 钻柱共振：在钻井过程中，钻柱受到来自不同激振源的影响，当其中的激振频率与钻柱固有频率相当时，钻柱就会发生共振，共振是一种危害较大的振动，一方面降低了能量传递的效率，造成能量的浪费和丧失；另一方面直接导致钻柱振幅大幅上升，使钻柱跳钻、钻头磨损、卡钻、弯曲应力加大、微裂纹扩展直至疲劳断裂，为降低共振带来的危害，可以通过调整钻井参数(比如控制钻压和转盘速度)来减小钻柱共振的发生。 13 钻柱的疲劳寿命预测 对于无裂纹的钻杆,根据上述计算方法求出的应力幅并结合S/N曲线就可求得其使用寿命。其中的S/N曲线可以在机械设计手册中找到。而对于有初始裂纹的钻杆，采用断裂力学理论，对表面半椭圆、表面线性、深埋椭圆以及深埋圆形等4种类型裂纹的钻柱的临界裂纹尺寸和疲劳寿命进行计算。疲劳破坏的主要原因是由于钻柱在制造和使用过程中出现裂纹，在一定条件下使用中初始裂纹产生扩展(