文摘

有很多种振动形式的钻在石油钻探。旋转时的一个主要振动模式钻井钻探工具,也是钻的疲劳失效的主要原因。在本文中,钻旋转的原因进行了分析。结果表明,旋转的速度(RPM)是一个主要因素影响的严重性旋转。旋转速度越大,旋转的更强烈。钻的旋转会产生弯曲应力。钻的旋转的严重程度是影响弯曲应力的主要因素。转速和钻压的增加(钻压)将导致弯曲应力的增加。RPM在弯曲应力有很大的影响。鉴于钻的复杂应力状态,建立了安全系数的计算模型。 The bending stress and safety factor are calculated under the different WOB and RPM. The relationship between dynamic bending stress and the safety factor of drilling tools is analyzed. Bending stress has great influence on the safety factor of drillstring. The variation trend of safety factor is opposite to that of bending stress caused by whirl. It provides a theoretical reference for the optimization of drilling tools in drilling engineering construction.

1。介绍

石油钻在钻井过程中,工作环境恶劣,其力量是极其复杂的。钻具振动不断钻探过程中,很容易导致疲劳破坏由于交变应力的影响和冲击载荷引起的振动。研究表明,钻工具振动和交变应力的主要原因是钻头和钻工具装配损伤和钻井性能偏差(1- - - - - -3]。统计数据显示,超过50%的钻失败是由疲劳引起的。钻井动力学和振动已成为研究焦点在石油和天然气行业,因为钻井效率和钻井性能偏差(4]。

的下部钻机钻,通常由三部分组成:井底总成(BHA),高加权钻杆,钻杆(5]。在复杂地质条件下钻井过程中,钻不断的上下部分承受拉伸、压缩、弯曲和扭转应力。这些将导致失败的钻井工具,减少罗普,增加所需的额外时间来取代失败的工具(6]。Millheim Apostal结合有限元方法和计算机技术,模拟了二维应力和变形的钻,然后逐渐扩大三维动态分析的研究内容7]。塔克和王建立了钻杆系统的动力学方程。鉴于钻头和岩石之间的相互作用,轴向振动、横向振动、扭转振动和粘滑振动进行了分析8]。骑士和Brennan发现任何应力集中结合温和的孔偏心将导致显著减少钻杆弯曲载荷下的疲劳寿命(9]。王等人收集了许多例钻失败和观察到的疲劳失效造成的钻是超大拉伸或压缩应力10]。钻井期间大而复杂的动态应力导致的过度振动和过早失效钻(11]。江提出了一个模型来计算弯曲应力和钻的生活。Rubinsky理论基础上,建立弯曲模型,该模型考虑了疲劳寿命。危险部位的弯曲应力的钻是通过这个模型12]。Heisig和Neubert研究了影响钻和井壁之间的横向振动模型推导出钻(13]。

井下钻井工具的振动主要包含轴向振动、横向振动、扭转振动,钻井的早熟的失败的一个重要原因14,15]。横向振动一直是疲劳失效的主要原因的井底总成16]。米切尔和艾伦分析和研究了底部钻具组合与不同自由度的运动基于有限元原理,考虑了井眼轨迹,钻压,和其他变量,确定横向振动会严重伤害的安全钻井工具(17]。大量的随钻测量数据显示,底部钻具组合有严重的横向振动,这远比轴向和扭转振动更有害18,19]。约翰逊发现钻头的旋转是PDC钻头的损害的主要原因。通过改进,减少钻头旋转的可能性。现场实践表明,该方法可以减少损伤,增加罗普,这显示了旋转钻工具间接的损害(20.]。Ghasemloonia等人利用钻井参数的变化(如转速和钻压)预测振动的变化类型的钻井工具。同时,他们分析了泥浆阻尼的影响,驱动转矩、轴向荷载的振动钻井工具。他们发现耦合非线性轴向振动、横向振动、钻(和侧向不稳定会导致损坏21]。

之间存在正相关关系钻振动和内部压力。内部应力的计算模型,然后底部钻具组合的可靠性评估根据动态应力水平(22]。这是一个有效的措施去减少振动和井下过早失效的可能性操作钻高于或低于临界转速和钻进行钻探前和实时分析动力学(23,24]。虽然这些研究表明,钻井工具的旋转有更大影响的安全钻井工具,钻井工具的疲劳失效的原因很少从力的角度探讨钻。井下钻井工具熊的压力是极其复杂的,和不同类型的应力疲劳破坏过程中扮演不同的角色的钻井工具。因此,它的影响是非常必要的探索不同类型的压力安全在旋转过程中,当考虑疲劳条件下钻井工具。

本文的研究主要集中在旋转产生的弯曲应力的影响,这对钻的安全性有很大的影响。首先,我们研究了旋转的相关原则和分析旋转严重程度之间的相关性和RPM或钻压。然后弯曲应力计算过程中旋转钻井工具。然后,我们计算钻井工具的交变应力和疲劳安全系数,研究应力和安全系数之间的相关性。

2。模型和方法

2.1。旋转钻模型

钻不仅旋转钻井期间还生成旋转条件下井钻井工具和墙之间的交互。大的交变弯曲应力引起的偏心逆转和工作负载常常引起疲劳破坏的钻斜井。纯滚动向后旋转的概率远远高于在PDC钻头钻井向前旋转。

图1显示状态和变形的钻在旋转的情况下。当钻杆滚沿着墙(没有滑动反向旋转),存在以下旋转角速度和角速度之间的关系(25]。 在哪里ωp旋转角速度和吗ωr是角速度。 钻孔直径。Do是钻直径。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
旋转的原理图。 =井眼半径,R o=钻半径,ω r=旋转速度ω p=旋转角速度。

根据方程(1),当沿着井壁钻井工具是滚动纯粹,钻井工具的旋转角速度旋转成正比。RPM的钻井工具不仅会影响钻井工具的旋转速度的频率也钻具与井壁之间的接触。经常钻旋转时,点的轨迹的外缘沿井筒底部钻具组合可以由几何描述方法,以及点的轨迹和速度P可以分析钻井工具的使用方程(2)[26]。

假设x是X点的坐标P,y是Y点的坐标P, 是横向速度, 是纵向速度, 是速度。所以,建立的模型可以轨迹和速度相关P。角速度是-在笛卡儿坐标系统。(1)点的轨迹模型P如下: (2)点的速度模型P如下:

2.2。当钻旋转弯曲应力

在钻井钻铤经常出现疲劳破坏。分析后,发现钻铤的疲劳失效是引起的循环弯曲应力引起的严重的井下振动(27]。NOV-Grant-Prideco分析钻井工具的疲劳试验得到的数据表明,重复弯曲钻疲劳的原因之一。

钻井时,由于离心力的作用,钻井工具将不断与井壁的接触。由于摩擦力和轴向载荷与井壁接触造成的,钻井工具可以很容易地产生逆时针反转速度。只要摩擦足够高,钻井工具可以在任何速度产生反向运动(28]。弯矩在这个快速变化的移动钻杆弯曲应力产生高振幅周期,导致钻井效率,减少钻孔穿,过早失效的钻井工具(29日]。

根据这项研究,弯曲应力引起的钻是多个支点的自激横向振动的传播沿钻(钻杆接头)。一个钻为研究对象,最大弯曲应力反向旋转。一个钻与纵向力旋转和反向旋转的条件下可以被视为一个简支梁模型在一定状态,如下图所示(30.]。图2显示了旋转、应力分布和应变的钻。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图2
(一)钻旋转的原理图。(b)的应力分布示意图。(c)应变的原理图。

假定的最大偏转一个钻井工具的中心点δmaxpl。弯曲应力由两部分组成:一是钻的旋转所产生的离心力,另一种是引起的弯曲应力在钻井钻具的振动。钻和纵向载荷应用时,管道的最大弯曲挠度如下: 在哪里E杨氏模量,P纵向载荷,我惯性矩,l1的长度是一个钻井工具,γ年代单位重量的钻,一个横截面积,R可以获得的 。

最大弯矩 如下: 在哪里ω拉尔是钻的固有频率, ,和ρ是密度钻井工具。

弯曲应力的表达式 是由

的表达式 给药 ,和θ可以获得的 。

2.3。疲劳安全系数模型

在钻井钻是受到交变应力的影响。交变应力导致金属疲劳,钻抗拉强度降低,容易导致疲劳破坏。横向振动可以减少快速钻井工具的疲劳寿命。在旋转的情况下,钻熊轴向压力、弯矩、扭矩,液压压力。

钻杆的交变应力导致金属疲劳,和它的抗拉强度降低,使钻工具容易疲劳失效。

2.3.1。轴向应力

钻的轴向应力由重力,钻压,等等。在任何轴向有效轴向压力部分如下。

轴向负荷F一个决定通过以下方程: 在哪里l是距离从部分到井底,P代表了钻压问sm可以表示为 ;Kf是浮力因素, 钻杆的表示单位长度重量,所以轴向应力的计算公式如下:

2.3.2。弯曲应力

向后旋转引起的弯曲应力的钻探工具可以通过方程计算(6)。

2.3.3。剪切应力

在钻井过程中,钻头的转盘传送扭矩通过钻,所以有钻的每个截面上剪应力。计算转矩方程米和剪切应力τ莫如下(31日]: 在哪里nRPM,N年代代表钻旋转所需功率(n< 230 rpm),Nb是为打破石头的力量(牙轮钻头)。

2.3.4。周向应力σt和径向压力σr

径向和周向压力的任何截面钻孔工具的内部和外部的压力下钻井液可以计算的方程:

2.3.5。合成和安全系数的计算压力

根据第四强度理论,可以得到等效应力:

考虑到剪切应力,等效应力

因此,平均应力和应力幅值可以通过以下方程:

给出安全系数的计算公式如下: 在哪里 是一个系数与材料有关。钻在腐蚀条件下的疲劳强度极限大约是 (32]。

3所示。仿真参数

(1)实际数据(表1钻)是用于旋转状态的仿真分析和确定点的轨迹和速度P当钻头旋转。(2)通过使用钻工具装配参数,我们计算了力和钻头工具的安全系数在不同条件下的影响和分析压力钻井工具的安全系数。下表(表2)显示的参数钻工具组装。我们研究这两个群体的力量和安全的钻井工具程序集和分析不同的钻强调安全的影响。

表1
参数的速度旋转,直径,钻井工具。
表2
参数钻井工具的组装。

4所示。结果

4.1。旋转钻井工具

向后旋转钻井工具时没有滑动,RPM钻井工具的调整分析的影响的外直径钻(表1)在旋转角速度。从图可以看出3速度越大,钻井工具直径越大,越强烈的旋转钻井工具。


图3
反向旋转的角速度变化与钻井工具直径(RPM = 30、60和120 RPM)。

从图3可以看到,它向后旋转的角速度变化钻的直径。在一个直径190.5毫米和钻杆直径139.7毫米,的轨迹P随着时间的推移分钻井工具的分析。如图4人口、难民和移民事务局值越大,频率越高P联系井壁。钻工具压力变化的频率也将更大,这将使钻工具更容易受到伤害。


图4
原理图的P分时间轨迹t= 1 - 2 s。

图5显示速度的变化点P。转速越高,速度越快变化的频率点P点的速度P也显著提高。速度的快速变化的原因是这一点P在与墙和接触压力是极大地改变了。


图5
速度变化量的原理图P当时间t= 1 - 5 s。
4.2。弯曲应力

旋转是主要影响因素之一的安全钻井工具,和旋转产生的弯曲应力有很大的影响对钻井工具的安全。在本节中,使用两个例子来分析钻井工具的弯曲应力在不同条件下旋转。

4.2.1。准备案例1

钻旋转弯曲应力的计算通过使用示例1的数据仿真参数(表2)钻和弯曲应力模型的旋转。

图6旋转导向钻井工具显示了弯曲应力当转速为80 RPM和钻压是80 kN。从图可以看出6的不同部分的弯曲应力是不同的钻井工具。上的弯曲应力的上部钻具小于底部。的上部钻具承受更大的轴向应力是由于钻工具的重量,和旋转的程度较低,所以这部分的弯曲应力较小。底部钻具旋转暴力,轴向力小,弯曲应力很大。图7显示了危险点的弯曲应力的变化一个(HWDP连接点附近和直流)的条件下,钻压= 60 - 160 kN和RPM = 40 - 150 RPM。


图6
弯曲应力的变化与井口距离部分。

图7
RPM-WOB-bending压力的原理图。

根据图7可以看到,它的弯曲应力一个增加而增加的RPM钻。当钻机的转速达到80转左右,钻的弯曲应力达到峰值。点上的弯曲应力一个一般随转速和钻压的增加,和钻压有一个低程度的影响钻井工具的弯曲应力。

4.2.2。案例2

危险点的弯曲应力计算钻井工具的使用示例2的相关参数(表2)在仿真参数。这一点B位于附近的重量之间的连接钻杆和钻铤。下图显示了一个示意图的弯曲应力B根据不同的钻压和转速(钻压:60 - 160 kN;转:40 - 150 RPM)。

根据图8,弯曲应力会增加钻压的增加,钻井工具的和弯曲应力的总体趋势会随着转速的增加而增加。当转速达到90转,钻井工具的弯曲应力达到峰值(小范围)。当转速超过100 RPM,钻井工具的弯曲应力仍然转速的增加而增加。


图8
RPM-WOB-bending压力的原理图。

从数据可以看出7和8,随着转速的增加和钻具的钻压,弯曲应力的危险会增加。钻压和转速弯曲应力的影响是不同的。转速的变化的影响高于钻具的钻压弯曲应力。

4.3。疲劳安全系数
4.3.1。案例1

根据方程(11)- (14),钻井工具的疲劳强度检验程序编译检查钻具强度。

通过这个项目,可以分析钻杆的疲劳强度。这个项目是用于分析示例1(表2),我们获得的压力图和疲劳安全系数图的钻井工具。

根据图9(一个),它可以知道钻探工具的轴向应力减少随着深度的增加。这是因为随着油井的深度增加,部分下的钻杆的长度减少,和截面上的轴向载荷减小。根据方程(6),钻井工具的弯曲应力与轴向压力,RPM,钻井工具的属性。根据图9 (b),结果表明,当转速为80 RPM,加权钻杆的弯曲应力达到最大值。图9 (c)表明,截面上的剪应力的钻井工具随深度的增加而减小。图9 (d)表明,钻井工具的径向应力随井深的增加。周向应力减少首先然后随井深的增加。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图9
原理图的井口压力随距离变化部分。(一)轴向应力的变化。(b)弯曲应力的变化。(c)剪切应力的变化。(d)周向应力和径向应力的变化。

根据方程(14),我们可以获得的疲劳安全系数曲线钻井工具。据图分析10,发现疲劳安全系数在井口的位置很低,加重钻杆、钻铤、钻井期间有一个疲劳失效的风险。安全系数很小的井口位置钻孔工具由于轴向应力的影响,剪切应力和周向应力。疲劳安全系数较低的主要原因的位置加权钻杆和钻铤的立场是伟大的弯曲应力的影响,径向应力和周向应力的钻孔工具。

(一)
(一)
(b)
(b)
图10
(一)钻井工具的安全系数图。(b)安全系数加权钻杆和钻铤之间的连接点(钻压:60 - 160 kN;转:40 - 150 RPM)。

根据数据的分析9和10,发现轴向应力和弯曲应力对钻井工具的安全系数有很大的影响。

之间存在着负相关的安全系数和总体变化趋势上钻探工具的轴向应力。井底钻具的安全系数密切相关的弯曲应力,钻井工具,和安全系数的变化趋势基本上是相反的弯曲应力。当钻工具装配是固定的,钻井工具的安全系数密切相关钻压和转速。

4.3.2。案例2

为了探索之间的相关性钻井的钻井工具和钻井工具的安全系数,另一个相关的例子2是选择进行分析。根据计算,钻井工具的危险点是关节附近的127毫米加权钻杆钻铤和177.8毫米。安全系数的变化的原理图与钻压和转速如下所示。

从图11可以看到,这个点的安全系数随钻压和转速的增加而减小。如图所示,当转速小于70 RPM,钻机的安全系数大于1。疲劳安全系数小于1时,RPM高于70 RPM,钻井工具的疲劳安全系数是最小的,当转速为90 RPM。


图11
RPM-WOB-safety因子图的钻井工具(钻压:60 - 160 kN;转:40 - 150 RPM)。
4.4。压力和疲劳因素之间的关系

安全系数的变化是由于压力的变化对钻井工具,因此有必要分析压力对安全系数的影响。转速和钻压安全系数的主要影响因素和钻井的压力的工具。因此,我们可以调整钻具的钻压和转速确定压力的变化和压力的大小,从而判断压力和疲劳安全系数之间的关系的钻井工具。

从图可以看出12(一个)轴向压力随钻压的增加而减小;图12 (b)表明,剪切应力增加而增加钻压。轴向应力和剪切应力对钻井工具的安全系数几乎没有影响。

(一)
(一)
(b)
(b)
图12
(一)轴向应力变化的示意图。(b)剪切应力变化的示意图(点B例2,钻压:60 - 160 kN, RPM: 40 - 150 RPM)。

钻压的变化几乎没有影响的轴向应力和剪应力的钻井工具,和周向应力和径向应力不受影响。钻压和转速的变化有很大影响钻井工具的弯曲应力。因此,可以认为,弯曲应力的主要因素是导致疲劳安全系数的变化的钻井工具。弯曲应力和疲劳安全系数的变化可以看到从图13。

(一)
(一)
(b)
(b)
图13
(一)图点的弯曲应力一个。(b)的疲劳安全系数图一个。

分析危险点一个在例1中,发现当RPM大约是80 RPM,弯曲应力在这一点上是最大的,安全系数是最小的。一般来说,弯曲应力的变化趋势是相反的安全系数。

分析危险点B在示例2中,发现当RPM的钻井工具是大约90 RPM,弯曲应力达到最大值和最小安全系数。从图14,它可以发现弯曲应力的变化趋势和安全系数的变化趋势也相反。

(一)
(一)
(b)
(b)
图14
(一)图点的弯曲应力B。(b)的疲劳安全系数图B。

因此,可以得出结论,疲劳安全系数密切相关的旋转程度钻井工具,和弯曲应力有很大影响钻井工具的安全系数。

5。结论

基于各种因素的分析,如旋转的特点、压力条件下,疲劳安全系数的计算方法,和钻井条件下,可以得出以下结论:(1)通过钻探工具的旋转特性研究和分析的点的轨迹P不同转速下(30 RPM, 60 RPM, 120 RPM),发现之间的联系频率更大点P和井壁时,转速为120 RPM。随着转速的增加,钻井工具向后旋转的程度更加强烈,交变应力变化的频率增加,钻井工具的疲劳寿命会减少。(2)随着转速的增加,增加危险点的弯曲应力和疲劳安全系数降低。与钻压的增加,危险点的弯曲应力略有增加,安全系数降低。结果表明,RPM有更大影响的安全钻井工具(RPM: 40 - 150转;钻压:60 - 160 kN)。(3)疲劳安全系数的变化趋势相反,弯曲应力引起的旋转钻井工具。因此,旋转的程度应考虑钻井工具设计的过程中,和钻井的RPM工具应选择合理的钻井工程。(4)钻井工具的井下振动是耦合的结果不同的振动模式,和交变应力的变化是非常复杂的。因此,如果我们需要进一步分析的疲劳安全钻井工具,有必要结合实际钻井条件和考虑振动的影响钻井工具。

数据可用性

表中的数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。数据中的数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者((电子邮件保护))要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(51704264和51704264)和基础研究基金为中央大学(2-9-2018-096)。