超深井钻具组合优化及安全评价方法研究

超深井钻具组合优化及安全评价方法研究深井和超深井钻井逐渐成为国内外各大油气田增产的主要手段。本文针对超深井钻井过程中出现的钻具失效问题进行了原因分析,为超深井钻井钻具安全提供了理论指导。钻具失效是最常见的钻井事故,每起钻柱断裂事故都会造成巨大经济损失。超深井钻具承受载荷大,井下环境复杂,事故处理困难,成为了制约超深井发展的关键因素。顺北油田位于新疆沙雅县境内,储层埋深约7500m,目前区块内部署了十几口井均为超深井。前期开发的几口超深井,由于经常出现钻具损坏情况,带来了不少时间和金钱上的损失。本文从钻具的失效机理出发,主要介绍了钻柱过量变形、钻柱表面损伤和钻柱断裂3种失效形式。对顺北油田超深井主要采用的身结构和钻具组合进行了介绍,并对区块内钻具的失效情况进行了统计,其中钻杆失效51根,钻铤失效30根;钻具落鱼事故3起,2起发生在上部钻杆,1起发生在扶正器-钻铤连接处。钻杆失效的主要形式为:公扣母扣损伤、螺纹台阶面损伤、钻杆接头台肩损伤和刺漏,失效部位主要为上部钻杆。钻铤失效的主要形式为:螺纹接头处损伤、本体弯曲、本体磨损,失效部位主要为钻铤与钻杆链接部位附近。通过失效分析,得出超深井钻具失效的主要原因为钻具的疲劳损坏,在高温和腐蚀环境的作用下,疲劳破坏会更加严重。为了研究超深井钻具疲劳失效的原因,本文首先对超深井钻具疲劳强度的影响因素进行了分析。钻柱的反转运动使钻具产生横向振动,是产生循环载荷的主要因素。钻具的横振固有频率对钻具的弯曲应力具有一定影响,并会受到钻柱内外压差和温度的影响。钻具的静载荷会对疲劳载荷产生较大的影响,在平均应力较高时会极大降低钻柱的疲劳极限。钻具在腐蚀条件下的疲劳破坏更加迅速,尤其在含有硫化氢的地层容易发生硫化物应力腐蚀开裂,加速钻具的疲劳破坏。超深井高温环境会导致钻具腐蚀速率增快,同时还会降低钻具的极限强度。最后从钻具自身的尺寸、结构、表面质量、材料组分进行了分析,得出了其对钻具疲劳强度的影响关系。强度校核是钻井设计最重要一环,本文首先对顺北1-2h井2开钻具组合进行了静载强度校核,钻具的强度均符合设计标准。然后分别对上部钻杆和下部钻铤进行了疲劳强度校核,其中上部钻杆的疲劳安全系数为1.29,下部钻铤的疲劳安全系数为1.09,结果均小于许用安全值,说明有发生疲劳破坏的可能。为了说明各影响因素对疲劳强度的影响,分别对井深、转速、应力集中系数、疲劳极限和固有频率等因素进行控制变量分析,得出上部钻杆疲劳强度较低主要是因为钻柱受到较高的轴向应力,而下部钻铤疲劳强度较低主要是因为钻柱受到较大的弯曲应力。为了求解钻柱在某种应力状态下的使用寿命,文章首先采用了名义应立法对顺北1-2h井上部钻杆进行了寿命预测,根据钻柱材料的S-N曲线和受力条件,得出钻杆的疲劳寿命值约4.145×10~7次循环。然后,本文通过疲劳裂纹扩展法,对钻柱的疲劳寿命进行了求解。采用Forman模型,求出了钻具的疲劳寿命为8.98×10~6次循环。最后,利用有限元软件ANSYSworkbench和NCODE软件中的DesignLife模块对钻杆寿命进行了模拟预测,得出钻具的疲劳寿命为6.33×10~5次循环。分别对疲劳裂纹扩展法和有限元法方法进行控制变量计算,得出了不同应力幅和平均应力下钻杆的疲劳寿命,并结合超深井进行了因素分析。本