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鉆具斷裂原因分析范文

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鉆具斷裂原因分析

《中國石油和化工雜志》2015年第二期

1.降斜井段鉆具斷裂原因分析

通過對5起事故的分析,可以發現具有以下幾個相同點:①最大全角變化率在4.46~7.81°/25m之間;②魚頂都在全角變化率最大處;③發生鉆具斷裂時鉆速低于1.28m/h;④落魚長度在80~135m之間。從表1中可以看出,鉆具斷裂都發生在全角變化率最大的位置。濱1井前兩次鉆具斷裂位置幾乎在同一井深,該井深的全角變化率為7.81°/25m,其他幾次鉆具斷裂位置的全角變化率均在4°/25m以上,同時鉆具斷裂時的機械鉆速均不超過1.28m/h。根據虎克定律由于鉆具彎曲產生的應力為:σ=Ey/ρ(1)式中:σ代表應力;E代表彈性模量;y代表鉆具上某點距離中性層的距離;ρ代表鉆具彎曲曲率半徑。

鉆具在彎曲的井眼中,由于井眼的限制鉆具必然產生彎曲,鉆具在彎曲的狀態下,彎曲段鉆具內部會產生應力,σ的大小與y成正比,也就是說鉆具上距離中性層距離越遠的位置σ值越大;σ的大小與ρ成反比,也就是說鉆具彎曲的曲率半徑越小,σ值越大;由于鉆具彎曲產生于井眼曲率,所以可以說井眼曲率半徑越小,σ值越大。下面我們分析y值的變化規律:我們選取彎曲鉆具最外側某一點作為研究對象,鉆具在旋轉一周內的變化規律符合下式。當SIN(Ф-ωt)=-1時,σMIN=σ=-Er/ρ,此時研究點受壓應力。

鉆具在旋轉過程中,彎曲點產生的應力發生周期性變化,ω越大,單位時間內應力循環次數越多。實驗表明,當交變應力的σMAX值超過材料的疲勞強度指標時,必須經歷一定的應力循環才可能發生疲勞破壞。這說明當機械鉆速較低,轉盤轉速較高,鉆具上某一點在彎曲井眼內的應力循環次數越多,鉆具失效的幾率也就越大。此時,鉆具彎曲在旋轉過程中產生的交變應力σMAX值達到了鉆具的屈服極限,同時機械鉆速又比較低,應力循環次數達到使鉆具發生疲勞破壞的次數,因此鉆具發生疲勞破壞。

有些井某些井段在井斜有增大趨勢時,也采用了同樣的方式進行螺桿降斜,但沒有發生鉆具斷裂事故。具體情況見表2。從表2中可以看出,除濱1井2264.90~2308.13m井段全角變化率達到5.87°/25m,其余幾口井的全角變化率均小于3.1°/25m,鉆具彎曲在旋轉過程中產生的交變應力σMAX值未達到鉆具的屈服極限,因此無論鉆速多低,都不足以使鉆具發生疲勞。濱1井2264.90~2308.13m雖然全角變化率較大,但2308.13~2480m的平均機械鉆速為2.14m/h,明顯高于其他井段的機械鉆速,雖然交變應力σMAX值達到了屈服極限,但應力循環次數未達到足以使鉆具發生疲勞破壞的次數,因此未發生疲勞破壞。

同時,我們發現鉆具斷裂時,落魚長度均在80~135m之間。分析其中原因,此時下部鉆鋌受到新鉆井眼的的限制,同時上部鉆鋌受到井斜角較大的老井眼的限制,此處鉆具的彎曲變形接近井眼的曲率,鉆具產生的彎曲變形最大,鉆具的彎曲應力最大,因此,鉆具斷裂基本都發生在糾斜后鉆進80~135m之間。

2.結論

(1)全角變化率大是造成鉆具斷裂的主要原因。(2)機械鉆速較低是造成鉆具斷裂的必要條件。(3)鉆鋌總長度的長短也是鉆具斷裂與否的影響因素。

作者:郭剛單位:大慶鉆探工程公司鉆井一公司

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