井斜对钻具疲劳损伤的影响.pdf

2023年第10期西部探矿工程井斜对钻具疲劳损伤的影响李强*1，郑琪2，任瑶瑶3（1.中国石油集团西部钻探工程有限公司国际工程公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.中国石油集团西部钻探工程有限公司物资采购中心，新疆 乌鲁木齐 830000；3.中国石油集团西部钻探工程有限公司玉门钻井分公司，甘肃 酒泉 735000）摘要：传统理论研究认为，当钻具在弯曲井眼中旋转时，在周期性的交变弯曲应力作用发生疲劳损伤，疲劳损伤累积到一定程度后，则会疲劳失效乃至刺穿或断裂。利用A.Lubinski提出的最大允许“狗腿”严重度的计算公式，以长庆油田某气井水平井为例，计算钻具刺漏位置的最大允许狗腿度，以此分析井斜对钻具疲劳损伤的影响。算例分析表明：井眼曲率过大是导致庆1-12-75H2井钻具频繁刺漏的原因之一。关键词：井斜；狗腿严重度；127mm钻杆；疲劳损伤；失效分析中图分类号：TE21 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2023)10-0051-031问题提出及失效情况统计庆1-12-75H2井是长庆油田的一口天然气井水平井，该井井眼轨迹设计采用五段制剖面，三开从1550m处开始造斜，17401900m为稳斜段。在该井三开微增斜段钻进及完钻后通井过程中共发生127mm G105钻杆刺漏7根/次，由此耽误的生产时效共计187.5h。通过表1的统计数据可以发现，该井钻杆刺漏点位置均位于距离钻杆母接箍1.2m之内，刺漏位置多位于井深15001900m之间，刚好处于该井三开造斜及稳斜井段。通过对表2观察发现，该井15001900m之间井深1730m处狗腿度最大，为4.23/30m。由此判断，钻具刺漏可能与造斜段狗腿度过大存在一定关系。*收稿日期：2022-09-24第一作者简介：李强（1993-），男（汉族），陕西榆林人，助理工程师，现从事钻井现场技术管理及钻井工艺研究等工作。表1钻杆刺漏统计序号1234567井底井深（m）3330395242254567456745674567泵压变化下降5MPa下降5MPa下降4.5MPa下降5MPa下降5MPa下降5MPa下降5MPa刺漏位置井深（m）157418641584167117581797976距母接头位置（m）0.620.750.640.700.650.610.68损失时间（h）23.517.530.527.514.566.08.02理论基础及计算验证根据A.Lubinski提出的理论，钻杆在弯曲井眼中转动时将产生周期性的弯曲应力。钻杆的每旋转一周都经受从拉伸到压缩的循环应力。如果井斜角大于某一临界值，在狗腿处旋转钻杆将会引起严重的疲劳破坏。不会引起疲劳破坏的最大狗腿度计算方法如下1-2：C=2bEDtanhKLKL（1）上式按规定单位代入后，得到的是每英寸多少弧度。为化成100英尺为单位，应乘以10012，将弧度化成角度再乘以180，于是可得：C=432000bEDtanhKLKL（2）512023年第10期西部探矿工程其中：K=TEI（3）I=64()D4-d4（4）对于E级钻杆，最大弯应力：b=19500-1067t-0.66702(t-33500)2（5）对于S135钻杆，最大弯应力：b=200001-t145000（6）式中：C狗腿最大允许曲率，()/30m；E弹性模量，钢的弹性模量为30106psi；D钻杆外径，in；L两钻杆接头间距离的一半，对于二级钻杆，取L=180in，即30ft；T狗腿以下的拉伸载荷，lb；b允许的最大弯应力，psi；I钻杆的转动惯量，in4。由于本井使用的为 G105 钻杆，查阅资料，对于G105钻杆暂无推荐的最大弯应力计算公式，无法准确计算最大允许狗腿度，因此分别按照 E 级钻杆及S135钻杆用修正后的古德曼曲线方程计算最大允许狗腿度3。接下来以第一次刺漏点位置举例。第一次刺漏点井深3330m，刺漏位置1574m，钻井液密度1.02g/cm3，浮力系数0.87，为了简化计算，不考虑钻铤、加重钻杆等。假设刺漏位置至井底全为壁厚为9.19mm的127mm钻杆，线重 284.58N/m，内径 5in，钻杆截面积为 A=(52-4.2522)/4=5.435(in2)；转动惯量 I=(54-4.2524)/64=14.634(in4)。（1）确定井深1574m处钻杆所受的拉伸载荷：T=(3330-1574)284.580.87=434758.56(N)=95761.80(lb)（2）确定该点所受的拉伸应力：t=TA=95761.805.435=17619.47(psi)（3）确定该点最大许可弯应力，对于S135钻杆：b1=200001-17619.47145000=17569.73(psi)（4）确定该点K值：K=95761.803010664()54-4.2524=0.0148KL=0.0148180=2.658（5）确定S135钻杆在井深1747m处的最大允许狗腿度：C=43200017569.73301065tanh()2.6582.658=6/30m以上计算以S135钻杆为例，若对于E级钻杆，由公表2实测井眼轨迹（部分）序号1234567891011121314151617井深（m）1505.001530.001555.001580.001605.001630.001655.001680.001705.001730.001755.001780.001805.001830.001855.001880.001905.00垂深（m）1504.971529.971554.971579.961604.951629.861654.691679.371703.881728.101752.171776.141799.931823.941848.121872.191896.06井斜角（）0.550.390.410.753.096.007.7710.1812.3815.8915.5417.3817.3315.2214.8216.6717.94方位角（）297.93249.62192.95216.16265.98273.13275.39270.23262.45263.09263.11262.92261.13260.12261.38262.05261.26全角变化率()/30m0.300.510.480.503.453.572.153.053.214.230.412.230.642.570.622.231.55522023年第10期西部探矿工程式（5）可计算出最大许可弯应力为：b2=19500-1067t-0.66702(t-33500)2=19500-106717619.47-0.66702()17619.47-335002=16533.15(psi)其他计算步骤与S135钻杆相同，可算得E级钻杆在1574m处最大允许狗腿度为5.65/30m。使用上述计算方法，分别计算E级钻杆及S135钻杆在7个狗腿位置的最大允许狗腿度，计算结果汇总如表3所示。表37次钻杆刺漏位置的最大允许狗腿度计算结果汇总序号1234567井深（m）3330395242254567456745674567刺漏位置（m）157418641584167117581797976E级钻杆最大允许狗腿度()/30.48m5.655.164.454.164.264.303.51S135钻杆最大允许狗腿度C()/30.48m6.005.464.704.404.504.543.73实际井眼狗腿度()/30m0.50.620.53.050.410.640.2狗腿度是否超出允许值否否否否否否否3计算结果分析由表3中的计算结果可以看出，钢级较低的E级钻杆在钻杆刺漏位置均未超出最大允许狗腿度。虽然计算的狗腿度未超出最大允许值，但是由表2中实测井眼轨迹可以看出，该井在井深15001900m的范围内，多个位置狗腿度超过 3/30m，狗腿度最大处为井深1730m，达4.23/30m，与理论计算的最大允许狗腿度值接近。考虑到本井使用的G105钻杆成色较差，钻杆疲劳寿命降低，所以分析认为狗腿度过大仍是本井钻具刺漏的主要原因之一。另外，在井深相同情况下，越接近井筒上部，狗腿以下钻具的悬重越大，钻杆不会引起疲劳破坏的允许狗腿度越小，即钻具所受拉伸应力越大，钻杆疲劳所需的最低弯曲应力幅越小。井口附近狗腿最危险（即浅造斜点），井越深越危险4。表3中第7次钻具刺漏位置没有位于斜井段，而是比较接近井口，分析原因为该钻杆已存在先期疲劳损伤，在起下钻过程中倒换钻具使得该钻杆位于上部井段，因此钻杆受到的拉伸载荷较大，所以导致了钻杆的疲劳损伤进度加快，从而导致钻具刺漏。4本文研究的不足之处钻杆疲劳失效的原因既与钻杆本身的结构尺寸和材料质量有关，也与钻杆的使用情况有关。本文通过计算分析，仅研究了井斜对钻具疲劳损伤的影响，实际钻进作业过程中，钻杆疲劳损伤乃至钻杆刺漏是多种因素综合导致的，如钻进参数不合理、钻井液对钻具的腐蚀、上扣时大钳对钻具本体的破坏等均可引起钻具疲劳损坏。其次是计算狗腿位置以下钻杆浮力载荷时，为简化计算，假设狗腿位置以下全部为钻杆，未考虑加重钻杆、钻铤及螺杆等，狗腿以下钻具实际的浮重要大于计算值。另外，鲁宾斯基提出的计算最大允许狗腿度的计算公式中，假设钻杆不与井壁接触，狗腿处的钻杆曲率与井眼曲率相同，实际上，对于钻杆来说，两端有直径较大的接头，在轴向力和重力作用下，其曲率并不等于井眼曲率5。在实际钻井过程中，钻杆受到的交变弯曲应力更为复杂。5结论与建议（1）由以上计算分析结果可知，狗腿度过大是钻具疲劳损伤的重要原因之一。（2）在钻进过程中，合理优选钻井参数，减轻交变应力对钻具造成的疲劳损伤。（3）对钻具进行严格的管理，及时进行检验和分级，通过软件模拟对钻具疲劳寿命做出预测，及时更换钻具，避免损伤累积导致的钻具事故。参考文献:1赵国珍,龚伟安.钻井力学基础M.石油工业出版社,1988.2鲁宾斯基A美.钻井工程进展（第一册）M.黎孔昭,译.北京:石油工业出版社,1994.3郭海清,马永安.井斜对钻具影响理论在轮古13井钻具刺漏原因分析中的应用J.钻采工艺,2003,26(3):1-4,52.4朱全塔,等.浅造斜点与钻具疲劳累积失效的关系及启示J.天然气工业,2014,34(9):76-83.5马善洲,韩志勇.轴力及重力作用下钻杆最大弯曲应力计算J.石油大学学报:自然科学版,2001,25(2):3.53