超深井鉆具組合優(yōu)化及安全評價方法研究

超深井鉆具組合優(yōu)化及安全評價方法研究深井和超深井鉆井逐漸成為國內(nèi)外各大油氣田增產(chǎn)的主要手段。本文針對超深井鉆井過程中出現(xiàn)的鉆具失效問題進行了原因分析,為超深井鉆井鉆具安全提供了理論指導。鉆具失效是最常見的鉆井事故,每起鉆柱斷裂事故都會造成巨大經(jīng)濟損失。超深井鉆具承受載荷大,井下環(huán)境復雜,事故處理困難,成為了制約超深井發(fā)展的關(guān)鍵因素。順北油田位于新疆沙雅縣境內(nèi),儲層埋深約7500m,目前區(qū)塊內(nèi)部署了十幾口井均為超深井。前期開發(fā)的幾口超深井,由于經(jīng)常出現(xiàn)鉆具損壞情況,帶來了不少時間和金錢上的損失。本文從鉆具的失效機理出發(fā),主要介紹了鉆柱過量變形、鉆柱表面損傷和鉆柱斷裂3種失效形式。對順北油田超深井主要采用的身結(jié)構(gòu)和鉆具組合進行了介紹,并對區(qū)塊內(nèi)鉆具的失效情況進行了統(tǒng)計,其中鉆桿失效51根,鉆鋌失效30根;鉆具落魚事故3起,2起發(fā)生在上部鉆桿,1起發(fā)生在扶正器-鉆鋌連接處。鉆桿失效的主要形式為:公扣母扣損傷、螺紋臺階面損傷、鉆桿接頭臺肩損傷和刺漏,失效部位主要為上部鉆桿。鉆鋌失效的主要形式為:螺紋接頭處損傷、本體彎曲、本體磨損,失效部位主要為鉆鋌與鉆桿鏈接部位附近。通過失效分析,得出超深井鉆具失效的主要原因為鉆具的疲勞損壞,在高溫和腐蝕環(huán)境的作用下,疲勞破壞會更加嚴重。為了研究超深井鉆具疲勞失效的原因,本文首先對超深井鉆具疲勞強度的影響因素進行了分析。鉆柱的反轉(zhuǎn)運動使鉆具產(chǎn)生橫向振動,是產(chǎn)生循環(huán)載荷的主要因素。鉆具的橫振固有頻率對鉆具的彎曲應力具有一定影響,并會受到鉆柱內(nèi)外壓差和溫度的影響。鉆具的靜載荷會對疲勞載荷產(chǎn)生較大的影響,在平均應力較高時會極大降低鉆柱的疲勞極限。鉆具在腐蝕條件下的疲勞破壞更加迅速,尤其在含有硫化氫的地層容易發(fā)生硫化物應力腐蝕開裂,加速鉆具的疲勞破壞。超深井高溫環(huán)境會導致鉆具腐蝕速率增快,同時還會降低鉆具的極限強度。最后從鉆具自身的尺寸、結(jié)構(gòu)、表面質(zhì)量、材料組分進行了分析,得出了其對鉆具疲勞強度的影響關(guān)系。強度校核是鉆井設計最重要一環(huán),本文首先對順北1-2h井2開鉆具組合進行了靜載強度校核,鉆具的強度均符合設計標準。然后分別對上部鉆桿和下部鉆鋌進行了疲勞強度校核,其中上部鉆桿的疲勞安全系數(shù)為1.29,下部鉆鋌的疲勞安全系數(shù)為1.09,結(jié)果均小于許用安全值,說明有發(fā)生疲勞破壞的可能。為了說明各影響因素對疲勞強度的影響,分別對井深、轉(zhuǎn)速、應力集中系數(shù)、疲勞極限和固有頻率等因素進行控制變量分析,得出上部鉆桿疲勞強度較低主要是因為鉆柱受到較高的軸向應力,而下部鉆鋌疲勞強度較低主要是因為鉆柱受到較大的彎曲應力。為了求解鉆柱在某種應力狀態(tài)下的使用壽命,文章首先采用了名義應立法對順北1-2h井上部鉆桿進行了壽命預測,根據(jù)鉆柱材料的S-N曲線和受力條件,得出鉆桿的疲勞壽命值約4.145×10~7次循環(huán)。然后,本文通過疲勞裂紋擴展法,對鉆柱的疲勞壽命進行了求解。采用Forman模型,求出了鉆具的疲勞壽命為8.98×10~6次循環(huán)。最后,利用有限元軟件ANSYSworkbench和NCODE軟件中的DesignLife模塊對鉆桿壽命進行了模擬預測,得出鉆具的疲勞壽命為6.33×10~5次循環(huán)。分別對疲勞裂紋擴展法和有限元法方法進行控制變量計算,得出了不同應力幅和平均應力下鉆桿的疲勞壽命,并結(jié)合超深井進行了因素分析。本