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多年以来钻具过早失效问题一直困扰着钻井界。在钻具失效案例中,连接累纹疲劳失效占很大的比例。钻具连接螺纹疲劳失效是由于交变弯曲应力引起的,这些交变应力集中在连接螺纹消失处附近。减少连接螺纹弯曲应力延长钻具连接 螺纹的疲劳寿命。文章提出并研究了一种新的钻具连接螺纹减应力区,它是通过区的轮廓线为连续的光滑的二次曲线,圆弧线,抛物线和椭圆线。这可以避免在减应力区出现应力集中和出现“细脖子”现象。并且这些曲线在机械加工上是可行的。用有限元技术优化了减应力区的几何形状,并分析了减应区的开口位置、开口深度和开口宽度等几何参对应力释放效果的影响。并对减应力区的强度进行了分析。     

钻柱失效机理及其疲劳寿命预测研究

钻柱工作条件恶劣,尤其在狗腿或弯曲井段时,较大交变弯曲应力常造成钻柱疲劳破坏,计算钻柱疲劳寿命可以为钻柱使用和管理提供依据。因此,在定性分析钻柱失效机理的基础上,对钻柱进行了三轴应力分析,并提出了钻柱疲劳寿命的计算模型,该模型可用于无裂纹钻杆和有裂纹钻杆疲劳寿命预测。算例表明,该方法对钻柱疲劳寿命的估算较为合理,符合工程实际。     

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套管钻井技术的出现使套管的工作环境更加恶劣，给套管的性能提出了新的要求，由交变载荷等动载引起的疲劳破坏成为套管失效的最常见形式之一。章对已有套管螺纹连接的疲劳研究进行了总结，然后在分析套管钻井作业过程中套管所受工况的基础上，指出了套管疲劳失效的常见部位及影响因素，提出了一种检测和控制套管疲劳失效的方法和措施，以期能够在套管的使用和操作方面对现场工程师有指导作用。     

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绝大多数的钻具失效都是疲劳引起的,而交变应力集中是疲劳破坏的一个关键因素,因此定量分析研究钻具在井下所随的应力水平及其分布规律,是研究钻具疲劳失效的的一项重要内容,文章以固体力学有限元理论为基础,建立了带扶正器下部钻具组合在弯曲井眼或斜直井眼中的有限元力学模型。求解并得到了下部钻具组合的应力场,揭示了扶正器附近是应力集中区,而远离扶正器的两跨之间应力水平相对较低的应力分布规律。现场的资料分析地表明,正是扶正器或配合接头这些高应力水平的部位是最容易失效的部位;从钻具的结构上看,钻具连接螺纹正处在这些最大应力集中区,这是连接螺纹疲劳失效的根本原因,扶正器或配合接头的失效多发生在连接螺纹部位,文章的研究结果揭示了下部钻具组合失效的力学机理。     

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文章通过水平井井内切点以上非垂直井段钻柱弯曲刚性对轴力和摩擦力的影响分析,采用了弹性梁的变形微分方程以及单元体的静力平衡和力矩平衡关系,建立了钻井时轴力的二维计算模式,同时,对切点以下导向动力钻具组合采用纵横弯曲法大变形进行分析时,考察了动力钻具结构弯曲角的影响,得出导,向动力钻具三弈矩方程组,并对DTU钻具组合中第二段梁内存在方向相反的两个结构变角对其梁柱左右端角增量及变形前后的梁柱右端痊移进行分析,得出了DTU钻具组合的井底钻压计处模式,并给出了利用钻井时的钻重的视压力,计算出井底钻压的方法及步骤。     

一种预测钻柱疲劳失效的新方法

基于材料断裂力学理论及裂纹全程扩展模型,结合井下钻柱受力特点,构建了钻柱复合型疲劳裂纹扩展行为预测新模型。该模型可有效描述裂纹扩展的3个阶段,对提高钻柱在井下复杂条件下的疲劳寿命预测精度具有重要指导意义。     

钻杆柱疲劳寿命的计算模型研究

钻柱在井下的受力极度复杂,甚至工作在腐蚀的介质中。通过对钻柱疲劳破坏机理的分析,建立合理的钻柱受力模型,同时编写可适合于工程应用的钻柱寿命计算程序,研究影响钻柱疲劳破坏的主要因素,为井下钻柱的使用尤其为定向井和水平井钻进过程中避免或减少发生钻柱复杂情况和井下事故提供了可靠的保证。     

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在大位移井、大斜度井、水平井和深井钻井中，或者在狗腿严重度较大的井段以及在技术套管下入后的长裸眼钻井过程中，常常出现套管磨损问题。由此而诱发的套管抗挤强度和抗内压强度降低问题影响了油气井的后续完井测试作业、降低了油气井寿命，严重时还会导致某段油气井报废或整口油气井报废。为此，文章提出分别以水基泥浆、油基泥浆、清水作为润滑介质，用实验手段分别研究了法向载荷、温度、转盘转速、摩擦副材料特性对套管磨损的影响。同时，在对国内外防磨措施进行研究后，指出敷焊耐磨带是一种经济可行的防磨措施，在深井钻井、大位移井钻井和大斜度钻井中应重点推广。     

一种减缓钻柱疲劳的革新设计方法

疲劳和腐蚀疲劳在钻柱失效中占主要部分,在循环应力作用下,疲劳的复杂性,以及设计者没有考虑许多力学因素的影响,使得钻柱从疲劳到失效的寿命周期不能得到精确的预测.本文描述一种比较设计方法,这种新方法将许多影响疲劳的因素标准化,通常设计者不大了解这些因素,但他们却可以通过定量比较已知材料的疲劳特性来获取信息,这种方法在油田上已经得到成功应用.     

钻柱失效机理分析

阐明了定向钻井过程中,钻柱由于弯曲交变循环应力而造成的疲劳损伤是可以积累的,钻柱的寿命与疲劳损伤积累有关。对钻柱进行了动载力学分析和疲劳寿命预测,提出了相应的计算模型,可以计算钻柱组合中任意钻柱单元在钻井过程中所受的疲劳损伤,预测使用寿命。对钻柱的合理使用与监控以及预防钻柱失效具有较大的参考价值。     

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在水平钻井中，井身曲率较常规定向井井身曲率大。若用直梁单元来分析钻柱的受力变形值，为了确保计算精度，其单元划分势必不能过大，因而单元数必然增多、计算时间增长，影响解题效率和推广应用。根据有限元法的基本原理，研究了适合于水平井钻柱受力变形分析的圆弧曲梁单元及刚度矩阵＊＊，并编制了相应的计算机程序。经典型例题和水平井钻柱力学分析计算结果表明：对于同一结构，在计算精度不变的条件下，曲梁单元少于直梁单元，且计算时间缩短，这对于曲率较大的水平井钻柱进行非线性力学分析尤为重要。因此，对曲率较大的钻柱进行力学分析时，完全可以用曲梁单元取代直梁单元来降低计算时间。     

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钻井界普遍认为，在弯曲的井眼中钻柱不会发生失稳现象，但未见到详细的理论论证。文中利用能量法，研究了等曲率井眼中钻柱的稳定性问题。在力学模型中，考虑了钻柱自重和井眼曲率的影响，给出了等曲率井眼中钻柱侧向失稳临界压力的一般形式，并讨论了弯曲井眼中，钻柱存在稳定问题的条件，所得结果可供工程计算参考。分析结果表明：在弯曲井眼中，钻柱临界压力不仅与钻柱的长度、截面尺寸等有关，还与井眼的曲率有关，且随着曲率的增大，其临界压力随之增大；当弯曲井眼的曲率增大到一定的数值时，钻柱由稳定问题转变为强度问题，其临界压力应由钻柱的强度条件确定。     

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根据水平井造斜段长、造斜率大、并底有一段较长的水平并段等特点，文章论述了水平并钻柱应具有的特点以及设计水平井钻柱的原则和方法。指出在设计水平并钻柱时，应把钻铤安装在垂直井段或井斜角不大的井段，而在大斜度井段和水平井段使用加重钻杆或普通钻杆。钻柱设计的顺序为：首先根据井眼轨迹及钻压等工作要求，以不失德为条件设计钻柱，最后对设计出的钻柱进行强度校核。     

涡流式传感器在下部钻柱运动状态研究中的应用

介绍了涡流式传感器的工作原理,并设计制作了测试下部钻柱运动状态的涡流传感器。在自行设计建立的钻柱模拟实验来上做了直井中钻柱运动状态模拟试验,并用计算机采集和处理数据。试验得出了一些对理论研究和现场应用有价值的结论:1.涡流传感器可实现模拟钻柱横向运动的非接触测量;2同一钻柱组合,正反进动的断面都存在,但以正进动为主;3.下部钻柱存在运动位移连续点,而不存在应为连续点。指出反进动和应力不连续是钻仅及稳定器与螺纹失效的重要原因。     

往复压缩机螺栓断裂与疲劳寿命分析

通过对氢气压缩机中体连接螺栓的应力分析,指出螺栓断裂原因,进而对螺栓的疲劳寿命进行分析,探讨了预紧力等因素对疲劳寿命的影响,并提出延长螺栓疲劳寿命的措施。     

斜直井眼中钻柱屈曲的可能性

本文应用虚位移原理,在充分考虑钻柱所处的特殊环境的基础上,考察了斜直井眼中钻柱屈曲的可能性。研究表明,在斜直井眼中钻柱的屈曲失稳与以前的模型大不相同,即在大多数情况下,斜直井眼中的钻柱并不会由于静轴向压力而失稳。由于有侧向分布力的作用,不是杆柱越长临界载荷越小。本模型更适合计算从垂直井到水平井的屈曲。文中对一些典型的钻柱进行计算.给出了在特定钻压下出现屈曲的临界井斜角。     

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石油钻柱主要由方钻杆、钻杆、钻铤三大部分组成,因服役条件十分恶劣,使其成为钻井设备工具中的一个薄弱环节。特别是在深井、超深井及复杂地质环境条件下钻井,钻具失效事故时有发生,四川川东地区仅１９９６年～１９９７年间就发生了人钻具井下断裂事故,造成了很大经济损失。防止和减少钻具失效,关键在预防,为此,根据钻柱各部分在井内的受力特点不同将其划分为钻柱井口处、零应力点上部、零应力点附近、零应力点下部四个钻具     

水平井钻柱摩阻力几何非线性分析研究

针对石油钻井技术的特点,探讨了编制钻柱力学有限元专用程序所遇到的问题;并在国家级重点攻关课题"水平钻井"中,首先提出引入非线性力学分析的论点。在接触非线性分析中,使用了"约束-放松法";在几何非线性分析中,首次考虑了四次非线性对钻具弯曲应力的影响;还建立了一个方便于钻柱分析的坐标转换系统;据此编制的计算机程序,为大港油田官H1水平井提供了较为准确的力学参数预测。     

水平钻柱的稳定性分析

在目前的水平钻柱稳定性研究中，都没有考虑构成水平钻柱的单根钻杆长度对钻柱稳定性的影响。普遍认为这一因素对水平钻柱的稳定性没有影响，但现场钻井资料表明构成水平钻柱的单根钻杆长度对水平钻柱的承压能力影响很大。在考虑这一因素的情况下对水平井眼中钻柱所能承受的临界载荷进行了分析计算，提出了水平钻柱临界压力的一种新的计算方法。研究表明水平钻柱所能承受的临界载荷和所使用的单根钻杆长度有密切的关系，单根钻杆的长度越短，其临界压力越大。     

钻柱失效原因及预防措施

开展油田钻柱失效分析与预防对提高钻井速度、降低钻井成本及井下安全钻进具有重要意义。钻柱失效案例统计表明钻杆失效事故占钻柱总失效事故的50％～60％，主要失效形式是管体刺穿，主要失效原因是腐蚀疲劳；钻铤失效事故略低于钻杆失效事故，螺纹处断裂是钻铤的主要失效类型；钻柱转换接头失效数量相对较少。结合实验数据，从材料、环境和力学三方面对钻柱失效原因进行分析，提出预防钻柱失效的四条措施，包括正确选材、改善工作环境、合理设计钻柱、降低服役载荷及应力以及加强管理。对服役高酸性环境下的钻柱，通过微合金化和提高材料的冶炼水平来降低P、S含量，以及通过适当的热处理使晶粒细化等方式可以提高钻柱材料的耐蚀能力和降低失效比例。