浅造斜点与钻具疲劳累积失效的关系及启示.pdf

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·76·天然气工业2O14年9月浅造斜点与钻具疲劳累积失效的关系及白口-==；、朱全塔岳砚华王德康邹宗明。马林虎1．国民油井格兰特钻具有限公司2．中国石油川庆钻探工程公司3．中国石油川庆钻探工程公司川西钻探公司朱全塔等．浅造斜点与钻具疲劳累积失效的关系及启示．天然气工业，2014，34(9)：76—83．摘要通常定向井深度在30005000m的设计造斜点为200～500m，而国内不同地区已发生多起因浅造斜点施工作业一定时间后出现频繁刺漏、断钻具等失效问题。为此，通过对几起案例的共性分析，以及进一步从材料力学和钻具疲劳的角度开展理论研究，得出了浅造斜点与钻具累积疲劳极限的关系及结论，主要包括：①发生严重的钻具频繁刺漏、钻具断裂的主要原因是钻具疲劳损伤累积；②造斜点越浅，钻杆疲劳所需的最低弯曲应力幅越小，较小的狗腿度即可达到损伤累积极限，井越深越危险；③钻杆镦粗加厚带及其附近位置为现代钻具生产的薄弱区，是最主要的应力集中点，成为最易发生刺漏、断裂的位置。最后，提出了设计、现场施工作业的预防措施：①若非特殊设计目的施工需要，钻井设计应尽可能避免设计浅造斜点的中深定向井；②针对浅造斜点井设计时，应根据钻具疲劳损伤累积法计算出最大许可狗腿度，从源头上避免钻具进入损伤累积极限区；③施工中应对钻具疲劳寿命做出有效预测，进行更严格的管理，对钻具做出及时检验和分级。关键词浅造斜点钻具刺断疲劳损伤累积狗腿严重度失效分析轨道设计预防措施DOI：10．3787／i．issn．1000—0976．2014．09．O12Relationshipbetweenthedesignedshallowkick—offpointsandthefatigueaccumulativefailureofdrillingtoolsanditsenlightmentZhuQuanta，YueYanhua，WangDekang，ZouZongming。，MaLinhu(1．』＼，0VGrantPrideco，Beijing100007，China；2．CNPCChuanqingDrillingEngineeringCo．，Ltd．，Chengdu，Sichuan610051，China；3．ChuanxiDivsionofCNPCChuanqingDrillingEngineeringCo．，Ltd．，Chengdu，Sichuan610051，China)NATUR．GASIND．VOLUME34，ISSUE9，PP．76-83，9／25／2o14．(ISSN1000—0976；InChinese)Abstract：Usually，thedesignedkick—offpoints(KOPs)rangefrom200to500mforadirectionalwellwithadepthof3000—5000m．However，washoutorbrokenfailuresofdrillingtoolsfrequentlyOccuratmanywellswithshallowKOPswhenthosewellsaredrilledaftersometime．Therefore，throughananalysisonthecommoncharactersofseveralcases，andbasedonthetheoreticalresearchofmaterialmechanicsandthefatigueofdrillingtools，therelationshipbetweentheshallowKOPsandthefatigueaccumulativelimitofdrillingtoolswasconcludedasfollows．(1)Thecumulativefatigueanddamageofdrillingtoolsisthemainreason．(2)TheshallowertheKOP，thelesstheminimumbendingstressrequiredbythefatigueofdrillingtools；relativelysmalldoglegseverity(anoverallanglechangerate)mayreachthedamageaccumulationlimit，sothedeeperthewellis，themoredangerousitwillbe．(3)Thedrillpipeupsetthickeningbeltandtheplacesarounditareweakareasinthemodernproductionofdrillingtoolsandtheyarealsothestressconcentrationpointswhichwilleasilycauseleakageandbreakage．Finally，measuresfordesignandsiteconstructionoperationwereproposedinthisstudy．(1)Unlessrequiredbyaspecialdesignpurpose，thewelldrillingdesignshouldavoidsuchmedium—deepdirectionalwellswithshallowKOPs．(2)WhendesigningashallowKOPwel1．themaximumallowabledoglegseverityshouldbecalculatedaccordingtothedrillingtoolfatiguedamageaccumulativemethodtopreventthedrillingtoolsfromenteringintothedamageaccumulationlimitarea．(3)Notonlyshouldthefatiguelifeofdrillingtoolsbepredictedeffectively．butstrictermanage—mentshouldbeconducted，andthedrillingtoolsshouldbeinspectedandclassifiedintime．Keywords：shallowKOP，breakageofdrillingtools，fatigueanddamageaccumulativemethod，doglegseverity，failureanalysis，traj—ectorydesign作者简介：朱全塔，1970年生，高级工程师，硕士；现在国民油井格兰特钻具有限公司从事钻具技术管理与服务工作。地址(1O0007)Jt~,市东直门南大街来福士中心办公楼。电话：(010)57070862。E—mail：quanta．zhu@nov．com 第34卷第9期钻井工程·77·笔者从中国石油川庆钻探工程公司(以下简称川钻杆中接头刺穿失效，前后更换2套127．0mm钻杆庆钻探)的2013年度钻具疲劳失效分析会议注意到：无效，第3次更换127．0mmS135X9．19mm大水苟西003一HI井口]一共发生14次在钻杆过渡带消失眼钻杆，约1个月后钻具刺漏现象再次出现，并在14d区的刺穿失效，其中9次为连续发生的，更换不同厂家内连续发生9次几乎相同的钻具失效。纵观钻具失效钻具无效。而邻近2口井采用同厂家的钻具则没有发特征有3个共性：①失效部位都发生在距母接头螺纹生任何失效，不同的是该井造斜点仅为300m，但井斜台肩400～800mm范围内，镦粗带过渡消失区；②9不大且发生失效段狗腿度也不大。这种明显的周期性次失效中有7次都发生在距井口400~600m的侧钻狗钻具累积疲劳破坏近年时有发生，主要与井身轨迹复腿附近；③9次失效都发生在215．9mm井眼用PDC杂有关_2]，应重点考虑浅井段造斜作业的影响。以此钻进工艺过程中，最高转速达90r／min(图1)。表2是作为一种失效类型进行统计，力求分析得出结论，既可收集到的几起类似钻具失效井的相关数据。以为施工作业进一步预防和避免此类失效提供思路，中国石油大庆钻探工程公司(以下简称大庆钻探)也可以为设计部门借鉴。在冀东油田同时施工作业了4口井，分别使用同一厂家同批新钻具，南3—15井l_3从2013年7月1日起连1问题提出和失效情况总结续发生3起钻具刺漏事件，刺漏位置均为母扣接头以苟西003一HI井于2012年3月28日开钻，从400下O．4～0．6m的位置(图2)。而其他3口井则没有发m开始定向绕障，定向段400～624m，井斜由4。上升生钻具刺漏事件。其后技术交流过程中，厂商的解释至12。，造斜段数据见表1。为井斜狗腿度偏大，而现场钻井工程师却列举了一系在311．2mm井眼钻至2128iTI开始，先后发生列深井狗腿更大、使用同样规格钻具的其他厂家钻具了3次127．0mm钻杆加厚过渡消失区刺穿失效，其却没有发生失效，双方对失效原因的认识无法达到基后又在215．9mm井眼内发生2次127．0mm加重本一致。表3为该井的造斜段数据。表1苟西003一HI井造斜段实钻井眼轨迹表26O．003．28135．8O259-88一4．525．420．697．O6129-8429O．OO3．86135．2O289_82—5．866．730．588．92131．O232O．OO4．35145．OO319．74—7．508．100．861i．04132-83350．004．98142．9O349．64—9．479．530．6513．44134．8238O．005．09146．00379．53一l1．621I．060．2916．04136．40400．284．22l65．82399．74—13．O91I．752．6917．59138．O841O．183．47189．124O9．62—13．7411．795．20l8．10139．36418．743．56212．22418．16—14．221I．614．9418．3514O．77429．204．22227．O2428．6O—14．7511．153．3418．49142．91438I884．83233．42438．25—15．24i0．572．4518．54145．27449．i05．27238．22448．43一l5．749．82lJ7918．55148．O4458．674．92234．72457．96一l6．219．111．4718．6O15O．66467．4O4．66233．62466．66—16．648．520．9518．69152．88477．O74．92242．02476．3O—17．O67．842．3218．78155．33486．8O5．7i25O．22485．99—17．427．013．3718．78158．07496．716．2O249l89495．84—17．786．051．4918．78161．215O6．126．5O25O．995O5．2O—18．125．071．0318．82164．38515．586．7725O．595l4．59—18．484．040．8718．92167．68534．5O6．81251．O9533．38—19．221．920．1119．31174．29544．907．38246．19543．7O—19．69O．732．4019．70177．88 天然气工业2O14年9月伸侧月l"2M_Ⅳ3Ⅳ2Ⅳ0Ⅳ图5极限应力旷N坐标系上的谱状应力图其后Hansford和Lubinski提出过一种简易的方法来估算钻杆通过狗腿段后的累积疲劳损伤，定制了腐蚀介质和非腐蚀介质中E级钻杆在不同狗腿严重图4钻柱受力示意图度和拉力下消耗的寿命(图6，参见GB／T24956—2010{石油天然气工业钻柱设计和操作限度的推荐作为对疲劳极限进行进一步量化，为工程实际提供法》第68页)。在不同转速和钻速情况下，可用下面公帮助。19世纪中期，力学家们根据疲劳极限研究成果式进行校正。又提出了疲劳寿命预测的概念，将其分为疲劳强度消耗寿命一由图查得寿命消耗×准则、疲劳损伤累积法、局部应变法和损伤容积法等。笔者涉及的疲劳破坏就属于疲劳损伤累积，损伤、，3．045一实际机械钻速累积法的理论基础是Miner法则l_8]。Miner法则认式中实际转速单位为r／min；实际机械钻速单位为m／h。为：根据—N曲线的定义，在恒定应力幅()的作用由上可见，通过理论上的不断延伸和分析，影响钻下，构件运转循环次数为～时，将产生完全损伤即失具的井下累积疲劳寿命的关键因素主要为：狗腿下的效。那么构件在应力作用下运转一个比N次数小浮重(所受的拉应力)、井眼狗腿严重度、所受循环应力的n时，将产生部分损伤，同时假定在这一过程中每一次数和井下腐蚀环境等。次损伤相同，则在的作用下，损伤概率为／N，如果狗腿下的浮重这一因素恰恰明晰了此类井发生这一个构件在包含不同应力()，将产生一个不同的损种刺漏、断失效的根本原因所在，即便狗腿度不大，如伤率／N，，当这些损伤概率总和达到1时，就可以预果造斜点太浅，狗腿下的浮重产生的拉应力若达到钻测出现失效，也就是说：具疲劳累积极限，钻具就将发生失效。如果：T／1十n2+⋯++一1，预计会出至于这种失效为什么往往发生在母扣接头以下现失效。O．4～0．6m处，且刚好处于钻具的加厚带区域。追溯钻杆生产工艺[1便知：管体材质、接头和焊缝均已不即：∑i一1、i一1，其中∑i=1、i称为Miner系数。是现代钻杆生产的瓶颈，加厚带及其附近位置已变为其应力坐标图谱见图5。钻具最主要的应力集中点，因而也是最易发生疲劳损据此，A．Lubinski提出了钻具疲劳寿命预测理坏的位置，API及IADC数据库口显示大多数钻具的论l[7]，他认为钻具经过“狗腿”段时受循环弯曲应力作失效都发生在接头两端加厚带的位置(图7、8)。用，当弯曲应力足够高时，钻具在每一个旋转周次里都3推荐做法和预防措施会发生疲劳损伤。早在1961年，A．Lubinski就给出了计算最大允许“狗腿”严重度的计算公式，从而确定2010年的GB／T24956-2010{石油天然气工业钻具是否会发生疲劳损伤。钻柱设计和操作限度的推荐作法》标准中就曾给出 第34卷第9期钻井工程·81·在9．14m内已耗寿命百分数在914m内已耗寿命百分数889mml14．3mm127．0mm88．9mm1143mm1270mm50505050兰苎5000glO0g10O一1OO一1OO齄岛1O0l50譬1O0l50_上型150型150200200l50l5O200250250E级钻杆转速100r／min，钻速3．045m／hE级钻杆转速100r／min，钻速3045m／h图6渐变狗腿中的疲劳破坏图(左图为无腐蚀环境，右图为高腐蚀环境，1lb=4539kg，1ft—O．3048m)O2456在腐蚀环境中，狗腿严重度应是图示值的一部分r非常恶劣的环境取O6)1OO200苎无疲劳破坏区31／2in，133lb／fl(~N近重量0图7钻杆上失效位置图81445lb／fl1，5m钻杆接头__＼300100％发生疲劳破坏区gl上8O％4~hin，166lb／ft(}~近重量1854lb／f1)61bin钻杆接头5005in，195lb／ft(~H近重量2209lb／ft16s／sin钻杆接头40％钻杆接头和钻杆本体为2类20％700S135钢级钻杆产生疲劳破坏时的狗腿严重极限／[(。)．(100fI]O4812l62O242832384O4448到公母扣尾端距离，in图9S135钢级钻杆产生疲劳破坏时的狗腿严重度极限图段受拉伸的钻具长度对起始斜井段的钻具疲劳极限起到至关重要的影响。也就是说，钻具所受拉伸应力越图8API／IADc失效数据库统计钻具失效图(1990年)(1in=25．4ram)大，钻杆疲劳所需的最低弯曲应力幅越小。井口附近狗腿最危险(即浅造斜点)，井越深越危险。了井眼狗腿严重度和狗腿下的浮重对产生疲劳极限的根据上面曲线图，以127．0mm$135钻具为例，曲线图，其中$135钢级几种尺寸钻具参考图9。假定造斜点为300m，斜井段长度为3000rn，则狗腿图9尽管对造斜点深浅与钻具失效的关系没有清严重度临界值为3．44。／301TI，在浅井造斜的情况下此晰表明，但狗腿度下的浮重则从更广的角度说明，斜井造斜率非常容易超过。换而言之，这样的井使用的钻 天然气工业2014年9月具在造斜段附近均处于疲劳损伤累积极限区域。预测，进行更严格的管理，对钻具做出及时检验和分针对以上分析，根据常用的127．0mITl和级，避免造成损伤累积以致频繁批量的刺漏、断钻具。j2『139．7rnm钻具曲线图，反算出常用的钻杆容许的最参考文献大井眼曲率如表4，可在现场使用参考。以此表格对比发生失效的4口井的情况(表2)，可知其造斜点处[1]陈绍安．苟西003一H1井钻具失效分析报告Jr]．重庆：中国的狗腿度均超过了容许限度，苟西003～H1更是达到石油JII庆钻探公司川I东钻探公司，2012．了6．24。／30m。CHENShaoan．DrillstringfailureanalysisreportaboutGouxi003一H1Well[R]．Chongqing：ChuandongDivisionof表4常用钻杆容许的最大狗腿严重度表CNPCChuanqingDrillingEngineeringCo．，Ltd．，2012．[2]石晓兵，施太和．弯曲井眼内下部钻柱失效研究[J]．西南石狗腿以下井深／m3000400050006000油学院学报，2001，23(5)：54—57．最大狗腿严重度／127．0mm[(。)·(30m)]139．7mmDANXiaobing。SHITaihe．Researchonbhafailuresincur—vaturehole[J]．JournalofSouthwestPetroleumInstitute，2001，23(5)：54—57．就设计部门而言，不唯深井超深井需关注井眼狗[3]王纪军，TAIWen．大庆钻探冀东项目部钻具刺漏及锈蚀分腿严重度问题，浅层造斜点的中深井设计也应能避免析报告[R]．北京：国民油井格兰特钻具有限公司，2013．则避免，尤其是施工周期较长，钻具疲劳累计容易达到WANGJijun，TAIW．Drillstringfailurereportabout极限而造成频繁钻具刺漏、断钻具的井。washoutandcorrosionforJidongprojectofCNPCDaqing从现场检验角度而言，如果浅造斜点井已成事实，Drilling[R]．Beijing：NOVGrantPrideco，2013．应对钻具疲劳寿命做出有效预测预警，估算累计疲劳F4]潘联艺．钻具失效情况及建议[R]．湛江：中海石油湛江分公破坏，对钻具做出及时检验。并可用此来识别疲劳钻司，2012．杆并对疲劳钻杆进行分级，对经计算使用寿命已达PANLianyi．Reportandsuggestionaboutdrillstringfailure100以上的钻杆进行检查。若不降级使用或报废，则I-R]．ZhaNiang：CNOOCZha~iangBranchCompany，2012．应尽可能地严密监测，镦粗带过渡区尤其需要严格检[5]唐继平，梁红军．英深1井钻柱优化设计[R]．乌鲁木齐：塔测n引。对现场而言，应对钻具进行更严格的管理，及里木油田公司勘探事业部，2006．TANGJiping，LIANGHongjun．Drillstringdesignoptimi—时倒换钻具，避免部分钻具始终处于弯曲疲劳极限区，zationforWellYingshen1[R]．Urumqi：ExplorationDe—造成损伤累积以致频繁批量的刺漏、断钻具。partmentofPetroChinaTarimOilfieldCompany，2006．4结论[6]田坤．基于CAE的U形波纹管疲劳寿命研究[D]．合肥：中国科学技术大学，2010．1)浅造斜点定向井施工一定周期后，发生严重的TIANKun．StudyonthefatiguelifeofUbellowsbasedon频繁刺漏、断钻具的主要原因是钻具疲劳损伤累积。CAE[D]．Hefei：UniversityofScienceandTechnologyof2)造斜点越浅，钻杆疲劳所需的最低弯曲应力幅China，2010．越小；较小的狗腿度即可达到损伤累积极限，井越深越[7]张国正．钻具疲劳寿命确定方法及其管理软件开发[D]．西危险。安：西安建筑科技大学，2006．ZHANGGuozheng．Determinemethodandmanagement3)钻杆镦粗加厚带及其附近位置为现代钻具生产的薄弱区，是最主要的应力集中点，因而也是最易发生softwaredevelopmentwithdrillstringfatiguelife[D]．Xian：XianUniversityofArchitectureandTechnology，2006．疲劳损坏最终表现为刺漏、断的位置。[8]赵洪志．关于Miner法则应用的探讨I-J]．机械设计，2007，244)若非特殊设计目井的施工需要，钻井设计部门(8)：9—11．应尽可能避免设计浅造斜点的中深定向井；针对浅造ZHAOHongzhi．AdiscussionabouttheapplicationofMin斜点井设计，应根据钻具疲劳损伤累积法计算出最大ertheorem[J]．JournalofMachineDesign，2007，24(8)：许可狗腿度，从源头上避免使钻具进入损伤累积极限9—11．区的设计。[9]国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员5)针对浅造斜点井，应对钻具疲劳寿命做出有效会，GB／T24956-2010．石油天然气工业钻柱设计和操作 第34卷第9期钻井工程·83·限度的推荐作法Es]．北京：中国标准出版社，2010．pore：NOVGrantPrideco，2008．StateAdministrationofQualitySupervisionInspectionand[12]王新虎．中海油服钻杆失效[R]．西安：中国石油集团石油Quarantine，ChineseNationalStandardizationManagement管工程技术研究院，2013．Committee．GB／T249562010RecommendedpracticeforWANGXinhu．DrillpipefailureanalysisforCOSL[R]．Xipetroleumandnaturalgasindustries——Drillstemdesignan：CNPCTubularGoodsResearchInstitute，2013．andoperatinglimits[S]．Beijing：StandardsPressofChina，[13]刘文红，王新虎，林凯，等．深井超深井钻杆刺漏失效统计2O12．分析[R]．西安：中国石油集团石油管工程技术研究院，[1O]BERTDR，STORAUNEA，ZHENGN．Casestudy：2008．Drillstringfailureanalysisandnewdeep—wellguidelinesLIUWenhong，WANGXinhu，LINKai，eta1．Statistica—leadtoSUCCESS[C]／／paper110708～MSpresentedatthenalysisofDPwashoutfailureindeep&ultradeepwellsSPEAnnualTechnicalConferenceandExhibition，11-14ER]．Xian：CNPCTubularGoodsResearchInstitute，November2007，Anaheim，California，USA．NewYork：2008．SPE。2007．[11]PLESSISG．C4一drillstringdesignseminarER]．Singa—(修改回稿日期2014—07—27编辑凌忠)西气东输三线西段工程全线贯通2014年8月25日，西气东输三线(以下简称西三线)瓜州站完成最后一道焊口，标志着西三线西段全线贯通。西段工程建成投产后，来自中亚的进口天然气和新疆煤制天然气将通过中卫站向西气东输一线和二线、陕京系统和中贵线输送，长三角、珠三角、京津环渤海和川渝地区的数以亿计的民众将因此受益。西三线是继西气东输二线之后的又一国家重点工程，对保障中国能源安全、提高民生质量、优化能源消费结构、促进新疆跨越式发展具有重大意义。同时，还可深化我国与中亚国家的合作，实现互利共赢、共同发展。西三线工程包括1干8支，沿线经过新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、湖北、湖南、江西、福建和广东1o个省区，管道总长7378km，年设计输气量300×i0m。，上游与中国一中亚天然气管道C线连接。西三线西段(霍尔果斯一中卫)和东段(吉安福州)干线2012年1O月16日开工。西三线是我国首次引入社会资本和民营资本参与建设的国家重点工程。工程首次在新建管道上大规模应用国产化电驱、燃驱压缩机组和大口径高压球阀，通过开展O．8强度设计系数管线建设使我国管道设计系数达到国际一流水平，创造了国内管道建设自动焊设备最全纪录，组织开展聚氨酯补口、BK一1机械化补口、中频加热补口实验，推动了我国民族工业的发展。此外，西三线近2O座站场与西二线已建站场合建，节省了建设投资，减少了占地，并实现西三线与西二线管道的联合运行、管理和维护，节省运行费用，实现节能降耗，且与已有管道构成我国4×10km输气主干管网，提高了我国天然气供应保障的安全系数。(天工摘编自《人民日报》)