制约勘探开发效益钻柱技术因素

1、12l（1 1）我国目前在山前构造带和复杂地区深井钻井速度和处）我国目前在山前构造带和复杂地区深井钻井速度和处理井下复杂事故在一定程度上受钻杆技术水平的制约，提理井下复杂事故在一定程度上受钻杆技术水平的制约，提高钻速要靠强化钻井技术措施，但强化钻井措施将导致钻高钻速要靠强化钻井技术措施，但强化钻井措施将导致钻柱事故。本文提出了解决这一问题的战略措施是：柱事故。本文提出了解决这一问题的战略措施是： 规划和采用规划和采用5 7/8”5 7/8”特殊扣钻杆，用于钻特殊扣钻杆，用于钻26”26”至至8 1/2”8 1/2”的井眼，这在国外己是成熟技术，国内在南海钻井中己的井眼，这在国外己是成熟技术，国

2、内在南海钻井中己成功使用过。成功使用过。 内加厚过渡带刺穿仍是钻杆失效的主要形式，解决这一内加厚过渡带刺穿仍是钻杆失效的主要形式，解决这一问题的关键是设计新结构内加厚过渡带。但涉及到非问题的关键是设计新结构内加厚过渡带。但涉及到非APIAPI标准的认可问题。标准的认可问题。 3456789表表1 1 xxx(xxx(高转速高转速) )与与xxxxx(xxxxx(较高转速较高转速) )刺穿比较刺穿比较( (相邻井相邻井) ) 井号井号次号次号刺孔刺孔尺寸尺寸mmmmmmmm钻井参数钻井参数钻具规格钻具规格钻压钻压( (吨吨) )转速转速( (r/min)r/min)泵压泵压( (MPa)MPa)

3、xxxxxx1 1606010108 81401401919一级钻杆一级钻杆( (相同区块相同区块) )2 235355 56-86-814014019193 360605 56-86-814014020204 450505 56-86-814014020205 530305 56-86-814014019196 625255 58-128-1214014019197 740401515101013013019198 8909010108-108-1013013019.519.59 9303010108-108-101301301919101025255 58-108-101301302020

4、11116 66 68-108-10130130202012125 55 58-108-101301302020 xxxxx 无刺漏无刺漏4-64-69090202010表表2 2 aaaaaa与与aaaaaaaaaa钻杆刺穿比较钻杆刺穿比较( (相邻井相邻井) ) 井号井号次号次号刺孔尺寸刺孔尺寸mmmmmmmm钻井参数钻井参数钻具规格钻具规格钻压钻压( (吨吨) )转速转速( (r/min)r/min)泵压泵压( (MPa)MPa)aaa1 170708 84-64-61201201515同样台架钻杆。同样台架钻杆。同样地质因素。同样地质因素。转速降到转速降到8080RPMRPM后不再刺穿

5、。后不再刺穿。2 220207 74-64-612012018.518.53 3303010104-64-612012018184 4202010104-64-6120-140120-14018.518.55 5303015156 614014017176 6202010106 614014018187 7151510106 614014018188 820205 56 612012018189 920205 54-64-61401401818aaaaa 无刺漏无刺漏4-64-680-9080-90181811APIAPI失效数据库统计及揭示的问题包括：失效数据库统计及揭示的问题包括： 确定确

6、定API 5D API 5D 规定的内锥面长度与刺穿、断事故规定的内锥面长度与刺穿、断事故率的相关性。率的相关性。 证实钻杆过早破坏及发生的原因。证实钻杆过早破坏及发生的原因。 12l失效数据库统计及揭示的问题包括：失效数据库统计及揭示的问题包括： 17851785例失效中的例失效中的84%84%发生在加厚过渡带加厚过渡带指加厚发生在加厚过渡带加厚过渡带指加厚段、锥面、一段非加厚本体，从接头起约段、锥面、一段非加厚本体，从接头起约1.51.5m m内。由于内。由于只有剖开才能测加厚过渡带，只有剖开才能测加厚过渡带，84%84%的失效说明不了与内加的失效说明不了与内加厚尺寸的相关性。只有厚尺寸的

7、相关性。只有16%16%剖开检查。剖面轨道仪检测说剖开检查。剖面轨道仪检测说明不了问题。明不了问题。 很难测量加厚过渡带起点和终点。很难测量加厚过渡带起点和终点。热镦粗过程造成内加厚尺寸剖面随机性，应力集中也有热镦粗过程造成内加厚尺寸剖面随机性，应力集中也有随机性，失效位置随机性。内加厚热挤压精度难保证，随机性，失效位置随机性。内加厚热挤压精度难保证，金属流变性及流动与温度、热挤时强度、热金属流等有金属流变性及流动与温度、热挤时强度、热金属流等有关。关。 13图图1 1 钻杆失效位置统计钻杆失效位置统计 14加厚过渡带刺穿加厚过渡带刺穿3 3 钻柱失效案例失效规律钻柱失效案例失效规律15161

8、7钻柱失效案例钻柱失效案例失效率高1819 载荷性质与热轧钢管机械性质各向异性载荷性质与热轧钢管机械性质各向异性l大部分的钻柱失效属应力疲劳或应力腐蚀疲劳。但是目前的大部分的钻柱失效属应力疲劳或应力腐蚀疲劳。但是目前的APIAPI标准或国标准或国标中的钢材性能指标体系和指标值并不能全面的表征应力疲劳或应力腐标中的钢材性能指标体系和指标值并不能全面的表征应力疲劳或应力腐蚀疲劳抗力蚀疲劳抗力. .l一个值得关注的问题是，与疲劳失效直接相关的是纵向和横向冲击韧性一个值得关注的问题是，与疲劳失效直接相关的是纵向和横向冲击韧性值差异。值差异。APIAPI和国标规定了纵向取样的夏比冲击功值，对横问冲击功值

9、未和国标规定了纵向取样的夏比冲击功值，对横问冲击功值未作规定。作规定。l如果钻杆只承受确定的轴向拉压或拉压交变载荷，那么只规定纵向冲击如果钻杆只承受确定的轴向拉压或拉压交变载荷，那么只规定纵向冲击功是合理的，即纵向冲击功反映了力与裂纹平面相垂直时，材料抵抗裂功是合理的，即纵向冲击功反映了力与裂纹平面相垂直时，材料抵抗裂纹延伸的能力。纹延伸的能力。l但是钻杆或下部组合受力的性质和裂纹取向之间的组合关系复杂，仅用但是钻杆或下部组合受力的性质和裂纹取向之间的组合关系复杂，仅用纵向冲击功不能全面表征材料的应力疲劳抗力。现在的问题是不宜追求纵向冲击功不能全面表征材料的应力疲劳抗力。现在的问题是不宜追求过

10、高的纵向冲击功值，但是要减小横向冲击功与纵向冲击功的差，即降过高的纵向冲击功值，但是要减小横向冲击功与纵向冲击功的差，即降低材料性质各向异性。低材料性质各向异性。 20加厚过渡带刺穿的钻柱运动学、动力学和材加厚过渡带刺穿的钻柱运动学、动力学和材料动态断裂力学料动态断裂力学 在研究钻杆刺穿过程中发现了一个十分重要的现在研究钻杆刺穿过程中发现了一个十分重要的现象，高转速导致钻杆刺穿主要发象，高转速导致钻杆刺穿主要发 生在生在9 5/8” 技术套技术套管内。管内。 实际上在南方海相硬地层中，高转速引起钻杆刺实际上在南方海相硬地层中，高转速引起钻杆刺穿等损环问题也比较严重。穿等损环问题也比较严重。 这

11、一问题与钻杆在套管内或硬地层井眼内刚性井这一问题与钻杆在套管内或硬地层井眼内刚性井壁的碰撞运动有关，同时碰撞状态下材料的失效涉壁的碰撞运动有关，同时碰撞状态下材料的失效涉及材料动态断裂特性和动态止裂理论。引用现代断及材料动态断裂特性和动态止裂理论。引用现代断裂力学的研究成果可以得到以下认识：裂力学的研究成果可以得到以下认识： 21加厚过渡带刺穿的钻柱运动学、动力学和加厚过渡带刺穿的钻柱运动学、动力学和材料动态断裂力学材料动态断裂力学l对材料研究较多，其成果已列入钻柱材料设计对材料研究较多，其成果已列入钻柱材料设计准则的是用夏比冲击功表示材料的止裂韧性。准则的是用夏比冲击功表示材料的止裂韧性。当

12、夏比冲击功大于当夏比冲击功大于54焦尔时，就可实现焦尔时，就可实现“wash out before break”(即即“刺而不断刺而不断”) 准则。准则。l这一理论己为大量实践证明，并被广泛接受。这一理论己为大量实践证明，并被广泛接受。从表从表1看出加厚带刺穿横向宽度达看出加厚带刺穿横向宽度达90mm也设也设有断裂。因此有断裂。因此54焦尔的判据可防止断裂，但不焦尔的判据可防止断裂，但不能防止刺穿。能防止刺穿。22材料动态断裂理论材料动态断裂理论 带有裂纹的钻杆在碰撞工况下，惯性作用及带有裂纹的钻杆在碰撞工况下，惯性作用及应力波对裂纹的快速传播起主导作用。在碰撞应力波对裂纹的快速传播起主导作用

13、。在碰撞作用下，材料的塑性、静态断裂韧性降低，即作用下，材料的塑性、静态断裂韧性降低，即抗断裂阻力降低，或裂纹易起始扩展。抗断裂阻力降低，或裂纹易起始扩展。 因此按前述静态或准静态断裂和止裂研究结因此按前述静态或准静态断裂和止裂研究结论不能防止钻杆在高速旋转下与刚性井壁碰撞论不能防止钻杆在高速旋转下与刚性井壁碰撞造成的高应力集中处刺穿或断裂。造成的高应力集中处刺穿或断裂。 事实上很多刺穿钻杆的钢材检测夏比冲击功事实上很多刺穿钻杆的钢材检测夏比冲击功己高达己高达90焦尔以上。焦尔以上。23综合措施解决动态断问题综合措施解决动态断问题l在钻杆接头上装非旋转保护器、弹性结构保在钻杆接头上装非旋转保护

14、器、弹性结构保护套既有利保护套管，又可降低碰撞和保护护套既有利保护套管，又可降低碰撞和保护钻杆，但成本增加。钻杆，但成本增加。l改进钻杆结构，最好不要有内加厚过渡带，改进钻杆结构，最好不要有内加厚过渡带，或把应力集中点从内加厚消失点转移到其它或把应力集中点从内加厚消失点转移到其它位置。但这又涉及到非位置。但这又涉及到非API标准和认可问题。标准和认可问题。塔指、西南石油学院和宝钢正在联合解决这塔指、西南石油学院和宝钢正在联合解决这一问题。一问题。24l在钻杆接头上装非旋转保护器、弹性结构保护套既有利保护套管，又可在钻杆接头上装非旋转保护器、弹性结构保护套既有利保护套管，又可降低碰撞和保护钻杆，

15、但成本增加。降低碰撞和保护钻杆，但成本增加。l改进钻杆结构，最好不要有内加厚过渡带，或把应力集中点从内加厚消改进钻杆结构，最好不要有内加厚过渡带，或把应力集中点从内加厚消失点转移到其它位置。但这又涉及到非失点转移到其它位置。但这又涉及到非API标准和认可问题。塔指、西南标准和认可问题。塔指、西南石油学院和宝钢正在联合解决这一问题。石油学院和宝钢正在联合解决这一问题。l(3) 提高钢材纯净度、提高钢材纯净度、降低钢材有害元素含量降低钢材有害元素含量2526lAPIAPI标准是用户与厂家相互妥协的产物，它是一个最低标准。目前国标标准是用户与厂家相互妥协的产物，它是一个最低标准。目前国标基本是参照基

16、本是参照APIAPI标准制定的。但是随着制造技术的进步，几乎所有国外标准制定的。但是随着制造技术的进步，几乎所有国外钢管公司都制定和采用了比钢管公司都制定和采用了比APIAPI标准更高的技术条件。尽管他们公布的标准更高的技术条件。尽管他们公布的和订货技术条件仍然以和订货技术条件仍然以APIAPI标准为依据，但他们内控的指标体系比标准为依据，但他们内控的指标体系比APIAPI标标准要高得多。大量钻柱失效分析表明，按准要高得多。大量钻柱失效分析表明，按APIAPI或国标规定的指标体系或或国标规定的指标体系或指标值，钢材性能是合格的，即责任不在厂家。钻柱失效造成的经济损指标值，钢材性能是合格的，即责

17、任不在厂家。钻柱失效造成的经济损失基本只能由油田单位承担。因此油田单位与工厂合作，制定自己的行失基本只能由油田单位承担。因此油田单位与工厂合作，制定自己的行业标准，工厂制定更高的内控标准，这样才能提高质量和水平。业标准，工厂制定更高的内控标准，这样才能提高质量和水平。 27扶正器，配合接头、震击器扶正器，配合接头、震击器结构和材质标准低结构和材质标准低 扶正器，配合接头、震击器结构和材质标准低，扶正器，配合接头、震击器结构和材质标准低，造成井下断落事故。造成井下断落事故。 下部钻柱仍是低标准的选用和管理。下部钻柱仍是低标准的选用和管理。28最小冲击功标准太低 现行国标中最小冲击功为 20，平均

18、54焦耳，最小47焦耳的标准太低。没有规定横向最小冲击功。建议部分控制指标 屈服强度125140Ksi 。必需控制区间， 上限太大，而冲击韧性又不相应 提高，对疲劳应力和应力腐蚀会 更敏感。 夏比冲击功纵向大于70焦耳，横向大于 55 焦耳 晶粒度大于9级29配合接头长度 配合接头长度对螺纹应力值有一定影响，短配合配合接头长度对螺纹应力值有一定影响，短配合接头螺纹应力值高于长配合接头。接头螺纹应力值高于长配合接头。 国标国标SY5200-93规定可用两类长度的接头，即短规定可用两类长度的接头，即短型和长型。此规定对深井、大井眼欠妥。宜只采用长型和长型。此规定对深井、大井眼欠妥。宜只采用长型。即

19、：型。即： A型两端同径：型两端同径：0.915m，B型两端异径：型两端异径：1.22m B型配合接头大小端长度分配型配合接头大小端长度分配 国标国标SY5200-93中规定大小端各二分之一长度。欠妥，应改为大端中规定大小端各二分之一长度。欠妥，应改为大端1/3总长，小端总长，小端2/3长度总长。增长小端长度有利于降长度总长。增长小端长度有利于降低小端应力集中和减少失效。低小端应力集中和减少失效。30扶正器长度扶正器长度 钻柱型钻柱型 l国标短型国标短型 1.31.5m。l宜加长为宜加长为2.22.5m。l两端车扣处特殊材质要求。两端车扣处特殊材质要求。l结构参数结构参数31 钻柱静力学分析钻

20、柱静力学分析32钟摆钻具有限元计算结果钟摆钻具有限元计算结果钟摆钻具弯矩和弯曲应力图33稳斜钻具有限元计算结果稳斜钻具有限元计算结果稳斜钻具弯矩和弯曲应力图34增斜钻具有限元计算结果增斜钻具有限元计算结果增斜钻具弯矩和弯曲应力图35钻柱动力学钻柱动力学（1）钻柱动力学分类及其控制技术（2）下部钻柱有限元分析（3）非线性动力学分析（4）减振和振动解耦的动力学研究36钻柱振动分类钻柱振动分类l自由振动：弹性系统偏离平衡状态后，若外界激励不再作用于系统所发生的振动l强迫振动：被外界激励控制的振动l自激振动：系统本身与外界相互作用，自动激发的振动l参数振动：随机或周期地改变系统的输入参数，由参数激励引

21、起的振动37下部钻具运动学分析下部钻具运动学分析l下部钻具组合的运动方程系统的质量矩阵系统的阻尼矩阵系统的刚度矩阵(t)系统的节点位移列阵 系统的节点广义速度 系统的节点广义加速度系统的等效节点载荷 )(t)K)(C)(MtRtt)(t)(t38下部钻具运动学计算结果下部钻具运动学计算结果满眼钻具组合运动轨迹图（钻压：200KN，转速：60rpm，扶正器间隙：6mm）39下部钻具运动学计算结果下部钻具运动学计算结果增斜钻具组合运动轨迹图（钻压：200KN，转速：90rpm，扶正器间隙：6mm）40下部钻具运动学计算结果下部钻具运动学计算结果稳斜钻具组合运动轨迹图（钻压：200KN，转速：60r

22、pm，扶正器间隙：6mm）41下部钻具运动学计算结果下部钻具运动学计算结果降斜钻具组合运动轨迹图（钻压：200KN，转速：60rpm，扶正器间隙：6mm）42非线形钻柱动力学分析非线形钻柱动力学分析l非线形动力学方程该方程与线形动力学钻柱方程一样，只是刚度矩阵、阻尼矩阵和外力包括非线形项，求解方法也有所不同。 )(t)K)(C)(MtRtt43井钻具组合和井眼尺寸井钻具组合和井眼尺寸组 件名 称长 度 ( m)外 径 ( mm )内 径 ( mm )扶 正 棱 外 径( m m )累 计 长 度 （ m）1钻 头0 . 44 4 2 . 50 . 427 3 0 7 3 00 . 40 . 8

23、3钻 铤1 82 2 8 . 67 6 . 21 8 . 841 # 扶 正 器2 . 12 2 8 . 67 1 . 44 4 22 0 . 95钻 铤92 2 8 . 67 6 . 22 9 . 962 # 扶 正 器2 . 12 2 8 . 67 1 . 44 4 23 277 3 1 6 3 00 . 43 2 . 48钻 铤1 3 42 0 3 . 27 1 . 41 6 6 . 49震 击 器1 02 0 3 . 21 7 6 . 41 0钻 铤1 82 0 3 . 27 1 . 41 9 2 . 41 16 3 1 4 1 00 . 41 9 2 . 81 2钻 杆6 8 21

24、2 71 0 8 . 98 7 6 . 8l17 1/2(442.5mm)井眼，双扶正器钟摆钻具l钻压：8-12吨，转速：50-60 rpm，钻头：17 1/2J22三牙轮钻头，泥浆密度1.15g/cm3l直井钻进至井深876.08米时，1#扶正器(距钻头18.8m)公扣断。44井非线形钻柱动力学计算结果井非线形钻柱动力学计算结果转速（频率）与最大相对位移关系图 转速（频率）与最大相对弯曲应力关系图45井非线形钻柱动力学计算结果井非线形钻柱动力学计算结果转速（频率）与最大相对弯矩关系图 转速（频率）与最大相对复合应力关系图46井非线形钻柱动力学计算结果井非线形钻柱动力学计算结果l转速为50、1

25、00和158rpm时出现较强烈的动力响应，说明在实际操作中应避开这些临界转速。该井的实际转速比较接近50rpm，因此造成钻具共振，导致1#扶正器公扣断。47井非线形钻柱动力学计算结果井非线形钻柱动力学计算结果临界转速为50rpm时的相对位移 临界转速为50rpm时的相对弯曲应力48井非线形钻柱动力学计算结果井非线形钻柱动力学计算结果 临界转速为50rpm时的相对横向弯矩 临界转速为50rpm时的相对复合应力49井非线形钻柱动力学计算结果井非线形钻柱动力学计算结果l在钻头与1#扶正器之间的钻铤联接处，1#扶正器公扣处和2#扶正器公扣部位以及2#扶正器后等4个位置出现应力峰值，是容易失效的位置。这

26、与第一章的实际统计规律相符。l大井眼钟摆钻具钻铤跨距长，井眼间隙大，过大的不平衡力导致强烈的横向弯曲振动，在横向位移较小的地方对应着较大的弯曲应力和弯距，因而横向弯曲振动横向弯曲振动是钟摆钻具失效的主要原因。l在整个钻柱中，下部钻具组合的动力响应明显比钻铤至井口部分的钻柱强烈，因此下部钻具组合更易发生失效。50减振和振动解耦的研究意义减振和振动解耦的研究意义l为了减轻钻柱纵振、横振、扭振、冲击对下部钻具组合的损坏，须设计减振工具减振工具，并改进下部钻具的结构设计；l针对振动耦合，研究振动解耦技术振动解耦技术，设计合理的下部钻具组合，逐渐实现强化钻井措施，提高机械钻速。51水力加压器原理水力加压

27、器原理 l水力加压器原理是靠钻头喷嘴压降或井底水力加压器原理是靠钻头喷嘴压降或井底动力钻具与喷嘴的压降之和作用在活塞上动力钻具与喷嘴的压降之和作用在活塞上产生钻压。设活塞面积为产生钻压。设活塞面积为S S，压降为压降为P P，则产生的钻压为则产生的钻压为 WOB=SWOB=S P Pl根据钻井需要，已经研制出系列的单行程根据钻井需要，已经研制出系列的单行程和双行程水力加压器和双行程水力加压器52单行程水力加压器单行程水力加压器l所有活塞的行程都一样，流量和喷嘴参数设定后，其钻压不能更改。1上接头；2上喷嘴；3变流元件；4一级活塞；5副缸体；6二级活塞；7主缸体；8六方钻杆。单行程水力加压器结构

28、示意图53双行程水力加压器双行程水力加压器u结构、原理与单行程水力加压器相同，只是活塞的行程不同；u当所有的活塞都向钻头施加水力压力，这段行程即为大钻压行程段；u当只有部分活塞向钻头施加水力压力，这段行程即为小钻压行程段u下井后，可通过使水力加压器工作在不同下井后，可通过使水力加压器工作在不同的行程段来改变钻压。的行程段来改变钻压。双行程水力加压器示意图54水力加压器与井下动力钻具串联使用水力加压器与井下动力钻具串联使用 液体钻铤马达钻头PiPa水力加压器串联在马达下面水力加压器液体钻 铤马 达钻 头PiPa水 力 加 压 器 串 联 在 马 达 上 面水 力 加 压 器55水力加压器尺寸系列

29、水力加压器尺寸系列水力加压器公称尺寸（英寸）适用井径（英寸）3 1/24 1/84 3/45 7/86 1/26 1/28 1/278 1/2912 1/4所有尺寸的水力加压器都在油田得到了使用所有尺寸的水力加压器都在油田得到了使用56水力加压器试验结果水力加压器试验结果l水力加压器具有显著减振和保护钻柱作用，得到方补心扭水力加压器具有显著减振和保护钻柱作用，得到方补心扭矩仪测得的转盘扭矩数据证实；矩仪测得的转盘扭矩数据证实；l钻头磨损减轻、断齿减少，钻头进尺和寿命提高；钻头磨损减轻、断齿减少，钻头进尺和寿命提高；l水力加压器在水力加压器在深井小井眼钻井中深井小井眼钻井中, ,成效尤其显著，可大大提成效尤其显著，可大大提高机械钻速和取心的成功率高机械钻速和取心的成功率l水力加压器和