气体钻井钻具失效研究的试验设计.docx

石油机械

—4—CHINAPETROLEUMMACHINERY2011年第39卷第11期

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试验研究?

气体钻井钻具失效研究的试验设计

王钱钱陈次昌黄志强李东洋吕东莉

(西南石油大学研究生部)

摘要针对现有气体钻井钻具冲蚀试验装置只能单一模拟气体钻井过程中岩屑对钻具冲蚀磨损的情况，研制了用于模拟气体钻井钻具失效研究的多功能试验装置，给出了气体钻井钻具失效研究的试验方法。多功能试验装置能够在模拟钻具冲蚀磨损的同时，模拟钻具受横向、纵向和扭矩振动等复杂的受力工况下的疲劳断裂试验。装置采用无线遥测动态应变测试分析系统进行试验测试，还可实现远程自动控制，整套装置结构简单紧凑，并且管道封闭，运行噪声小，功能多样，为气体钻井过程中所遇到的钻具失效的相关问题提供了更为全面的研究平台。

关键词气体钻井钻具失效试验设计多功能模拟试验

0引言

国内从20世纪80年代开始引进和研究气体钻井技术，目前已取得了明显的经济效益和社会效益[1]。气体钻井因其自身优势，具有提高机械钻速、降低钻时，有效保护油气层，有利于井斜控制，克服井漏，环境污染小等优点，是开发低压低渗油气田最有效的方法之一[2]。但是，气体钻井中钻具失效频率远高于钻井液钻井。

目前，公开发表的研究钻具失效的资料认为气体钻井中钻具失效主要是由于腐蚀、磨损、钻柱的过量变形、钻柱接头的偏磨及疲劳断裂3-5]。钻具过早失效问题严重制约了气体钻井技术的大规模推广应用。迄今，俄罗斯6已研发了一种模拟井下钻井环境下对整套井底钻具组合进行直接检测试验的装置，但这套装置用于钻井液钻井。国内对气体钻井钻具失效试验研究方面的研究和报道不足，而且现有的气体钻井钻具失效的试验研究也存在模拟钻具失效形式单一的问题，例如黄小兵等[7]的气体钻井钻具冲蚀磨损试验装置只能单一模拟气体钻井过程中岩屑对钻具的冲蚀磨损，不能完全真实地反映钻具失效的情况。王敏生8只研究了气体钻井条件下钟摆钻具组合运动规律的模拟试验，姚清

添等9]研究的钻柱模型试验平台则侧重钻柱参数测量，都未涉及钻具失效方面。

综合来看，国内外对气体钻井钻具失效研究的重点在理论分析和计算机数值模拟3-11]等技术应用上，关于气体钻井钻具失效的试验研究都还处于不成熟阶段。因此，对气体钻井钻具失效进行试验探索，从而设计出气体钻井钻具失效的试验方案对预防钻具失效，大规模应用气体钻井技术有十分重要的现实意义。笔者采用模型试验方法研制了用于模拟气体钻井钻具失效研究的多功能试验装置，阐述了气体钻井钻具受冲蚀磨损及振动疲劳断裂失效研究的试验方案。

1多功能试验装置

1.1原理

气体钻井钻具冲蚀磨损模拟是利用风机产生的空气流携带砂粒冲刷钻柱、接头及套管，用风机风量模拟气体钻井过程中气体的注气量，用加砂量模拟气体钻井过程中的机械钻速。

气体钻井钻具振动疲劳断裂所受载荷是利用液压传动技术通过调节液压油的压力、流量来模拟控制施加给钻具的横向、纵向和扭转振动所受载荷。采用无线遥测动态应变测试分析系统进行测试。

*基金项目：中石化项目“气体钻井中钻具失效安全评价技术研究”的部分内容。多功能试验装置及试验方法已申报国家专利，专利申请号：201020622074.6和20110009874.X。

2011年第39卷第11期王钱钱等：气体钻井钻具失效研究的试验设计—5—

受到试验条件的限制，试件无法使用现场使用的真实钻具，所以试验用试件必须按比例缩小，而试验参数也需要根据试件缩小的比例进行确定。

根据相似理论，在结构动力模型试验中模型的相似条件主要有以下3个：惯性力相似、弹性力相似和重力相似。若要满足3个相似条件则必须满足以下2个关系：惯性力弹性力相似和惯性力重力相似。由于试验台模拟的钻铤或钻杆自身的重力与整个钻具结构的重力相比仅是极小的一部分，所以其自身重力可忽略，试验中考虑惯性力与弹性力相似，而不考虑重力相似。根据相似理论的推导，结合普光气田现场钻具失效调研和试验台搭建的具体条件，模型钻具与真实钻具尺寸比为1:5,二者转速比为5:1,受力比为1:25。

1.2结构

模拟气体钻井钻具失效的多功能试验装置由送气混砂系统、动力系统、传动系统、测试系统及循环系统组成，其结构如图1所示。

图1多功能试验装置结构示意图

1—水泥基础；2—试件；3—对开式套管；4—套管；5—旋转头；6—井架；7—扭矩转速变送器；8—油马达；9—拉压力传变送器；1