套管钻井多轴疲劳试验与可靠性研究.pdfVIP

石油机械 2009年第37卷第5期 CHINAPETROl。EUMMACHINERY ●试验研究◆ 套管钻井多轴疲劳试验与可靠性研究木 闰相祯1 宋根才2 许志倩2 杨秀娟1 高进伟2 (1．中国石油大学(华东)学科建设处2．中国石油大学(华东)机电工程学院) 摘要根据套管钻井中套管柱承受的载荷状况，借助现有的技术水平和手段，首先进行了套管 试件的拉一拉单轴高周疲劳试验，通过相关的试验数据获得了套管试件在不同应力水平下的疲劳寿命 及其统计分布，为进一步获得试件的基于概率的等效P-S．N曲线奠定基础。然后通过拉压一扭转双轴 循环复合疲劳试验，验证了等效JP—Js一Ⅳ曲线的正确性。最后根据P—S—N曲线，采用有限元疲劳分析 软件，进行典型工况下套管的疲劳可靠性分析，计算得到套管体中的最大等效循环应力，并据此计 算出要求可靠度(或存活率)下套管的疲劳寿命，再由钻井周期得到套管疲劳的剩余寿命。 关键词 套管钻井 多轴疲劳试验P．．s．Ⅳ曲线 可靠性研究 况，借助现有的技术水平和手段，通过试验、理论 0 引 言 分析与计算机数值模拟、仿真相结合的方法来进行 套管柱的疲劳可靠性分析。 套管钻井并不是一个新概念，早在20世纪50 年代就有很多陆上钻井公司用油管进行钻井生 1 套管柱的双轴循环疲劳试验 产¨。9J，钻达油气层后对油管进行固井作业，将钻 头留在井下。套管钻井技术就是指在钻进过程中， 1．1 拉一拉单轴高周疲劳试验 直接采用套管取代传统的钻杆向井下传递机械能量 拉一拉单轴高周疲劳试验是整个套管疲劳试验 和水力能量，井下钻具组合接在套管柱下面边钻进 的基础。考虑到套管钻井过程中载荷的复杂性和不 边下套管，完井后用作钻柱的套管留在井内供完井 确定性，采用成组多级试验方法，以获得套管试件 用的钻井技术¨0|。套管钻井将钻进和下套管合并 在不同应力水平下的疲劳寿命及其统计分布，为进 成一个作业过程，不再需要常规的起下钻作业，与 一步获得试件的基于概率的等效P—S—N曲线奠定基 常规钻井技术相比，可以节省大量钻井工时，减少 础。试验试件是根据GB 井下事故，降低钻井成本。套管钻井中，套管受力 载光滑圆柱形标准试样设计的。试件采用J一55小 比同井套管要复杂得多，工作环境也更加恶劣。套 尺寸油管(外径×壁厚=60．3×4．8mm)制成。 管不仅要承受轴向力、外挤力、内压力，还要承受 试件尺寸：内径50～52mm，外径60mm；试验段 扭矩、弯曲和冲击振动(纵向、横向和扭转振动) 外径53～55mm，内径50—52mm，壁厚1．5～2．0 等载荷的作用。套管开始服役时，循环载荷持续且 mm；试验段长度70mm，过渡段圆角曲率半径30 不可恢复地作用于套管柱，导致套管疲劳裂纹的产 mm。试验时采用三级加载方式，其对应的疲劳寿 生。如果裂纹不断扩展，最后在应力小于材料强度 时，套管柱就断裂。这是一种积累式的破坏，发生 级试验4～6个试件，试验频率120～140Hz；循环 时没有预兆，一旦发生将给整个工程带来巨大损 应力为正弦波，应力比r=0．25左右，试验得到有 失。鉴于此，笔者针对目前套管钻井技术在国内的 效试件16个样本数据，见表1。其中，各轴向应 应用状况，根据套管钻井中套管柱承受的载荷状 力为对应载荷与试件最小截面积之比。 研究”(2008A一3005)。 万方数据 一2一 石油机械 2009年第37卷第5