蘇堪華,劉德平,簡(jiǎn) 旭,孫 政,萬(wàn)立夫,卓 云,余星穎
(1.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院,重慶 401331;2.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司,重慶 400021;3.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司試修公司,四川 成都 610056)
油氣鉆井過(guò)程中鉆柱受力復(fù)雜,在受到酸性氣體影響后易發(fā)生鉆柱斷裂情況。為了避免出現(xiàn)鉆具事故,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于鉆柱的剩余壽命非常關(guān)心。希望根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,結(jié)合合適的理論模型評(píng)價(jià)鉆柱腐蝕疲勞壽命[1-3]。目前國(guó)內(nèi)外鉆柱腐蝕及疲勞計(jì)算已有不少的理論和實(shí)驗(yàn)?zāi)P?,?shí)驗(yàn)研究主要集中在小試樣模擬和鉆桿實(shí)物測(cè)試上,基于累積疲勞損傷理論和斷裂力學(xué)理論進(jìn)行分析[4-7]。其中,累積疲勞損傷理論主要通過(guò)試驗(yàn)確定管柱的S-N 曲線,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況計(jì)算鉆柱承受的載荷,結(jié)合S-N 曲線確定疲勞循環(huán)次數(shù),以此判斷疲勞損傷情況。而斷裂力學(xué)理論主要通過(guò)確定鉆柱裂紋幾何形狀和應(yīng)力強(qiáng)度因子,根據(jù)應(yīng)力條件和相關(guān)模型求得裂紋疲勞壽命。雖然鉆柱疲勞預(yù)測(cè)理論研究不斷深入和完善,國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究得出了多種模型,但是如何和現(xiàn)場(chǎng)工況結(jié)合,能夠快速和一定程度的進(jìn)行壽命評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)仍存在困難。其中Hansford 等[8]提出了一套用于計(jì)算旋轉(zhuǎn)通過(guò)嚴(yán)重狗腿度的鉆桿累積疲勞破壞的方法,被美國(guó)石油學(xué)會(huì)API RP 7G 標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24956 采用,被認(rèn)為是目前可用來(lái)估算累積疲勞破壞的一種具體方法[9-10]。
本文結(jié)合疲勞系數(shù)法、壽命百分?jǐn)?shù)法和旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)法等不同的鉆柱疲勞計(jì)算方法,從滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆具使用壽命快速分析和判斷的需要出發(fā),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆柱疲勞壽命和主要影響因素進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析,并在現(xiàn)場(chǎng)工況下量化了鉆具剩余使用壽命,分析結(jié)果可為現(xiàn)場(chǎng)判斷鉆柱疲勞失效提供支持。
假設(shè)鉆柱微元段與井眼全段接觸,鉆柱受力如圖1 所示[11-12],考慮鉆柱和井壁之間的摩阻阻力,則可得到鉆柱軸向力計(jì)算公式如下:
圖1 鉆柱受力示意Fig.1 Stress diagram of drill string
式中:T1、T2——單位長(zhǎng)度鉆柱上端和下端所受軸向力,N;W——單位長(zhǎng)度鉆柱浮重,N/m;αˉ——平均井斜角,αˉ=(α1+α2)/2,rad;μ——摩擦系數(shù),無(wú)量綱;FN——鉆柱與井筒接觸力,N。
鉆柱與井筒接觸力,可根據(jù)Johancsik 推導(dǎo)的經(jīng)典計(jì)算模型獲得[13],如式(2)所示:
式中:α1、α2——計(jì)算井段的上、下井斜角,rad;φ1、φ2——計(jì)算井段的上、下方位角,rad。
循環(huán)應(yīng)力是指鉆柱每次旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生變化和反轉(zhuǎn)的應(yīng)力分量,只有彎曲應(yīng)力和屈曲應(yīng)力會(huì)經(jīng)歷這種逆轉(zhuǎn)。彎曲應(yīng)力是在鉆柱經(jīng)過(guò)彎曲井段時(shí)引起的,此時(shí)鉆柱一側(cè)受拉,另一側(cè)受壓,在管體外側(cè)應(yīng)力達(dá)到最大值,并在鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生變化。在一定的計(jì)算井段內(nèi),由于曲率k的變化[11],引起的鉆柱彎曲應(yīng)力計(jì)算如式(3)所示:
式中:σbend——鉆柱彎曲應(yīng)力,Pa;ro——鉆柱接頭半徑,m;k——井眼曲率,rad/m;E——鉆柱彈性模量,Pa;Δl——計(jì)算井段長(zhǎng)度,m。
當(dāng)鉆柱發(fā)生屈曲時(shí)將引起鉆柱應(yīng)力變化,屈曲應(yīng)力計(jì)算如式4 所示:
式中:σbuck——鉆柱屈曲應(yīng)力,Pa;Ta——鉆柱真實(shí)軸力,N;Po——管外液柱壓力,Pa;A——鉆柱的橫截面積,m2;r'——視半徑,井眼內(nèi)壁到鉆柱外壁距離的一半,m;I——鉆柱慣性矩,m4;Do——鉆柱外徑,m;Di——鉆柱內(nèi)徑,m。
由于軸向力影響鉆柱疲勞,軸向力導(dǎo)致疲勞極限降低的程度使用古德曼關(guān)系表示[14],具體如式(5)、(6)、(7)所示:
該方法定義疲勞系數(shù)為鉆柱彎曲和屈曲應(yīng)力的組合與疲勞極限的比值[14],當(dāng)其值<1 時(shí)表示鉆柱未發(fā)生疲勞破壞,疲勞系數(shù)Rf計(jì)算公式如下:
首先根據(jù)式(1)和(2)得到給定條件下的鉆柱軸向力,將該軸向力T1代入式(4)可以得到鉆柱屈曲應(yīng)力σbuck,對(duì)T1進(jìn)行判斷后代入式(5)或(6)可以得到軸向力影響下的鉆柱疲勞極限σ'limit,結(jié)合式(3)計(jì)算的鉆柱彎曲應(yīng)力,代入式(8)即得到鉆柱疲勞系數(shù),Rf=1 表示鉆柱發(fā)生疲勞破壞。
《鉆桿設(shè)計(jì)和操作極限的推薦規(guī)程》(API RP 7G)和《石油天然氣工業(yè)鉆柱設(shè)計(jì)和操作限度的推薦作法》(GB/T 24956)標(biāo)準(zhǔn)采用計(jì)算旋轉(zhuǎn)通過(guò)嚴(yán)重狗腿度的鉆桿累積疲勞破壞,結(jié)合圖版和修正公式,識(shí)別鉆柱疲勞[9-10],其中的修正公式如下:
式中:Lifef——鉆柱已使用壽命百分?jǐn)?shù),%;Lifec——標(biāo)準(zhǔn)圖版對(duì)應(yīng)的已耗壽命百分?jǐn)?shù),%;RPM——實(shí)際鉆柱轉(zhuǎn)速,r/min;ROP——實(shí)際機(jī)械鉆速,m/h。
該計(jì)算方法考慮了狗腿度、軸向力、鉆速、轉(zhuǎn)速等影響,可用于計(jì)算鉆柱使用壽命。其中,軸向力根據(jù)式(1)和(2)得到。
在高曲率井段,由于鉆柱旋轉(zhuǎn)將造成的累積疲勞破壞。該方法基于旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)的原理,根據(jù)鉆柱在高曲率井眼中的彎曲應(yīng)力,確定鉆桿可以承受的旋轉(zhuǎn)周數(shù),由此對(duì)照鉆桿已旋轉(zhuǎn)的周數(shù)可以判斷疲勞破壞的級(jí)別[9-10]。在大曲率井眼中,鉆柱旋轉(zhuǎn)周數(shù)與預(yù)計(jì)的發(fā)生疲勞的總周數(shù)的比值即為鉆柱已消耗的疲勞壽命比例。
當(dāng)鉆柱在腐蝕性環(huán)境使用時(shí),其疲勞壽命將大大降低,疲勞壽命都相對(duì)較短。如果鉆柱用于腐蝕性環(huán)境,如鹽水、二氧化碳或硫化氫環(huán)境,則需要降低疲勞極限,對(duì)式(8)中的疲勞極限進(jìn)行修正,從而得到考慮腐蝕的鉆柱疲勞系數(shù)。由于不同腐蝕介質(zhì)、腐蝕程度下的疲勞極限降低幅值不同[15-17],因此,需要根據(jù)室內(nèi)腐蝕實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正系數(shù)(0~1)選擇。
對(duì)于基于壽命百分?jǐn)?shù)的計(jì)算方法,在無(wú)腐蝕環(huán)境中,一般考慮的狗腿度范圍是>3°/30 m 的井段;而在高腐蝕環(huán)境中,則范圍降低為狗腿度>2°/30 m的井段。
對(duì)于基于旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)的估算方法,由于原標(biāo)準(zhǔn)中并未給出腐蝕的影響??紤]到在腐蝕環(huán)境下的影響,本文對(duì)發(fā)生疲勞失效的最大轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行系數(shù)修正,需要根據(jù)室內(nèi)腐蝕實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)取值范圍為0~1。如系數(shù)取0.1,則發(fā)生疲勞失效的最大轉(zhuǎn)數(shù)107變成106。
以XXX002-3 井的四開(kāi)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析,井眼軌跡見(jiàn)圖2。
圖2 XXX002-3 井垂直和水平投影Fig.2 Vertical and horizontal view of well XXX002-3
套管層次:四開(kāi)結(jié)構(gòu),其中第4 開(kāi)井深5121 m,鉆頭尺寸?149.2 mm,上層套管尺寸?177.8 mm,上層套管鞋深度3886 m。
鉆具組合:?149.2 mm PDC 鉆頭0.19 m+1.5°無(wú)扶彎螺桿6.38 m+?120.0 mm 無(wú)磁鉆鋌6.83 m+?101.6 mm 加重鉆桿15 根141.44 m+?101.6 mm鉆桿1 根9.63 m+?120 mm 水力振蕩器6.74 m+? 101.6 mm SS105 鉆桿。
四開(kāi)鉆井液性能:密度1.05 g/cm3、塑性粘度16mPa·s、動(dòng)切力5 Pa、初/終切2/3 Pa。
根據(jù)前面的分析,鉆柱疲勞主要發(fā)生在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過(guò)程,鉆柱上承載變化的彎曲和屈曲應(yīng)力,由式(1)至(4)并結(jié)合鉆井參數(shù),可以得到四開(kāi)鉆柱有效拉力、彎曲和屈曲應(yīng)力結(jié)果如圖3 所示。
圖3 鉆柱有效拉力和應(yīng)力Fig.3 Effective tension and stresses of drill string
3.3.1 基于疲勞系數(shù)的分析結(jié)果
鉆柱疲勞主要發(fā)生在旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)彎曲井段造成,根據(jù)2.1 所述疲勞系數(shù)計(jì)算公式(8),可得到四開(kāi)鉆柱在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、提離井底空轉(zhuǎn)工況下的計(jì)算結(jié)果,如圖4 所示。從圖中可以看出,整個(gè)鉆柱最大的疲勞系數(shù)為0.479<1,因此從這個(gè)概念來(lái)說(shuō),該井四開(kāi)鉆柱不會(huì)發(fā)生因?yàn)殂@柱疲勞而斷裂的問(wèn)題。但根據(jù)2.4,如考慮腐蝕的影響,則需要根據(jù)室內(nèi)腐蝕實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行疲勞極限修正系數(shù)選擇,若本例疲勞極限修正系數(shù)取0.75,即疲勞極限降低為極限的75%,根據(jù)則整個(gè)鉆柱最大的疲勞系數(shù)增加0.66,則疲勞風(fēng)險(xiǎn)增加。
圖4 四開(kāi)鉆柱疲勞系數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation results of fatigue coefficient of drill string for the fourth spud
3.3.2 基于壽命百分?jǐn)?shù)的計(jì)算結(jié)果
鉆柱中上部受到較大拉力載荷,在通過(guò)彎曲井段時(shí),易發(fā)生疲勞情況。對(duì)于嚴(yán)重狗腿度段,在有輕度腐蝕的情況下,根據(jù)2.2 所述方法,結(jié)合所用鉆桿的S-N 曲線,可計(jì)算得到鉆柱已使用壽命,結(jié)果如表1。同樣的計(jì)算條件下,根據(jù)無(wú)腐蝕狀態(tài)的分析數(shù)據(jù),則計(jì)算的鉆柱累積疲勞為0。說(shuō)明腐蝕對(duì)該方法的影響較大。
表1 XXX002-3 四開(kāi)鉆柱已使用壽命分析結(jié)果(壽命百分?jǐn)?shù)計(jì)算方法)Table 1 Analysis results of drill string service life of XXX002-3 in the fourth spud (by percentage of life calculation method)
3.3.3 基于旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)的計(jì)算結(jié)果
鉆進(jìn)大曲率井眼中,基于旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)法得到的鉆柱已消耗的疲勞壽命計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。在沒(méi)有發(fā)生腐蝕的情況下,最大發(fā)生疲勞的轉(zhuǎn)數(shù)按照107計(jì)算,鉆柱總累計(jì)使用壽命是1.51%,折算后的鉆桿剩余壽命為41036 m。若發(fā)生腐蝕情況,假設(shè)轉(zhuǎn)速修正系數(shù)取0.1,則最大發(fā)生疲勞的轉(zhuǎn)數(shù)按照106計(jì)算,可得到該部分鉆柱使用壽命是15.14%,折算后的鉆柱可用于彎曲井段的剩余壽命為3536 m,腐蝕環(huán)境將造成鉆柱使用壽命縮短。
表2 XXX002-3 四開(kāi)鉆柱已使用壽命分析結(jié)果(旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)計(jì)算方法)Table 2 Analysis results of drill string service life of XXX002-3 in the fourth spud (by rotation counting method)
第3.3 節(jié)對(duì)3 種不同的鉆柱疲勞計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)不同計(jì)算方法的結(jié)果還是有一定差異。由于疲勞系數(shù)方法對(duì)于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的依賴較少,因此本節(jié)基于疲勞系數(shù)方法,對(duì)影響鉆柱疲勞的因素進(jìn)行分析。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)而言,只要可以根據(jù)一定方法獲得鉆柱的使用壽命預(yù)計(jì)結(jié)果,就可以提前采取預(yù)防鉆柱的疲勞失效發(fā)生。
3.4.1 鉆壓變化對(duì)鉆柱疲勞的影響
在基本計(jì)算條件不變的情況下,施加鉆壓范圍40~120 kN,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖中可以看出,在0~3000 m(直井段)鉆壓對(duì)鉆柱疲勞影響很小,主要表現(xiàn)在低鉆壓產(chǎn)生較大疲勞,主要是由于該段鉆柱所受拉力在低鉆壓時(shí)較大;進(jìn)入造斜段到水平段之后,鉆壓對(duì)鉆柱疲勞產(chǎn)生較大影響。
圖5 鉆壓對(duì)鉆柱疲勞影響分析Fig.5 Analysis of influence of bit weight on drill string
3.4.2 鉆桿等級(jí)對(duì)鉆柱疲勞的影響
在基本條件不變(鉆壓80 kN),對(duì)四開(kāi)鉆柱組合采用全新、1 級(jí)、2 級(jí)SS105 鉆桿進(jìn)行分析,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖中可以看出,當(dāng)在用的SS105 鉆桿由全新變?yōu)? 級(jí)時(shí),其疲勞系數(shù)顯著增加,這主要是由于鉆柱壁厚減小,受力增大,造成疲勞極限降低。
圖6 鉆桿等級(jí)對(duì)疲勞影響分析Fig.6 Analysis of influence of drill pipe grade on fatigue
3.4.3 疲勞極限對(duì)鉆柱疲勞的影響
在基本條件不變,當(dāng)采用的SS105 鉆桿,疲勞極限分別為100%、80%、60%時(shí),對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖中可以看出,當(dāng)在用的SS105 鉆桿疲勞極限降低時(shí),其疲勞系數(shù)顯著增加。
圖7 不同疲勞極限對(duì)鉆柱疲勞影響分析Fig.7 Analysis of influence of fatigue limit on drill string fatigue
3.4.4 抗拉強(qiáng)度對(duì)鉆柱疲勞的影響
在基本條件不變,采用SS105 鉆桿,其抗拉強(qiáng)度分別降低0%、10%、20%時(shí),對(duì)比結(jié)果如圖8。從圖中可以看出,當(dāng)在用的SS105 鉆桿抗拉強(qiáng)度降低時(shí),如果保持疲勞極限不變,則抗拉強(qiáng)度降低對(duì)鉆柱疲勞不起作用。但是,由于受硫化氫等腐蝕造成的抗拉強(qiáng)度降低,將影響鉆桿的疲勞極限降低,因此此處的單一因素分析只能說(shuō)明在保持疲勞極限不變時(shí)抗拉強(qiáng)度降低不直接影響鉆柱疲勞。
圖8 抗拉強(qiáng)度降低對(duì)鉆柱疲勞影響分析Fig.8 Analysis of influence of tensile strength on drill string fatigue
3.4.5 屈服強(qiáng)度對(duì)鉆柱疲勞的影響
在基本條件不變,采用SS105 鉆桿,其屈服強(qiáng)度分布降低0%、10%、20%時(shí),對(duì)比結(jié)果如圖9。從圖中可以看出,當(dāng)在用的SS105 鉆桿屈服強(qiáng)度降低時(shí),則對(duì)鉆柱疲勞起到一定程度的增加作用,且影響主要集中在離井口的上半段,尤其是井口附近。
圖9 屈服強(qiáng)度降低對(duì)鉆柱疲勞影響分析Fig.9 Analysis of influence of yield strength on drill string fatigue
3.4.6 屈曲對(duì)鉆柱疲勞的影響
在基本條件不變,采用SS105 鉆桿,對(duì)比鉆柱發(fā)生螺旋屈曲的結(jié)果見(jiàn)圖10。從圖中可以看出,鉆桿螺旋屈曲產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力,在彎曲井眼旋轉(zhuǎn)鉆桿而產(chǎn)生的周期彎曲應(yīng)力引起疲勞破壞,因此當(dāng)發(fā)生屈曲時(shí)旋轉(zhuǎn)鉆桿,將導(dǎo)致屈曲段鉆桿快速疲勞破壞和失效。
圖10 屈曲對(duì)鉆柱疲勞影響分析Fig.10 Analysis of influence of buckling on drill string fatigue
根據(jù)疲勞系數(shù)計(jì)算方法,對(duì)該區(qū)塊已鉆井進(jìn)行統(tǒng)計(jì),四開(kāi)鉆柱疲勞系數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖11??梢钥闯?,四開(kāi)鉆柱疲勞主要集中在100~200 m、800~1200 m、2400~2600 m、3000~3400 m、3600~4250 m 等多個(gè)井段,這也和前面分析的狗腿度及鉆柱拉力變化相對(duì)應(yīng)。
圖11 區(qū)塊已鉆井四開(kāi)鉆柱疲勞系數(shù)Fig.11 Drill string fatigue coefficient statistics of drilled wells in field
根據(jù)壽命百分?jǐn)?shù)或旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)方法計(jì)算的鉆柱剩余壽命,結(jié)合一定的轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速和機(jī)械鉆速數(shù)值,就可以把壽命百分?jǐn)?shù)換算成可用的鉆進(jìn)米數(shù)。從圖12可以看出,當(dāng)機(jī)械鉆速降低(從15 m/h 降低到5 m/h)、轉(zhuǎn)速增加時(shí)(從30 r/min 增加到120 r/min),鉆桿可用于高曲率段的剩余使用壽命大大降低(從83000 m 降低到20000 m);現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中,對(duì)該部分井段使用后鉆具應(yīng)進(jìn)行記錄,并注意在下一次使用時(shí)進(jìn)行鉆具倒換,以便提高鉆柱使用壽命,避免發(fā)生疲勞失效。如果建立了詳細(xì)的鉆具使用情況數(shù)據(jù)庫(kù),就可以根據(jù)疲勞計(jì)算結(jié)果,分析這些鉆具在后續(xù)鉆井過(guò)程中可以使用多久,從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆具疲勞問(wèn)題。
圖12 區(qū)塊已鉆井四開(kāi)鉆柱剩余可用壽命Fig.12 Residuallife of the drill string of the drilled wells in field
(1)鉆柱疲勞主要與其上承載變化的彎曲和屈曲應(yīng)力有關(guān),鉆柱在旋轉(zhuǎn)時(shí)更易發(fā)生疲勞損傷。
(2)在腐蝕環(huán)境中,鉆柱疲勞壽命都相對(duì)較短。但由于不同腐蝕介質(zhì)、腐蝕程度下的鉆柱疲勞極限降低幅值不同,需要根據(jù)室內(nèi)腐蝕實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正系數(shù)選擇。
(3)在高曲率和狗腿度變化大的井段使用過(guò)的鉆柱應(yīng)定期倒換,以便提高鉆柱使用壽命。通過(guò)嚴(yán)重狗腿度段時(shí),在協(xié)調(diào)鉆速的基礎(chǔ)上,盡量降低旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的轉(zhuǎn)速。
(4)由于鉆柱腐蝕疲勞受到多種不可控因素的影響,雖然三種不同的鉆柱疲勞計(jì)算方法的結(jié)果有差異,但可以綜合使用,用于現(xiàn)場(chǎng)提前采取預(yù)防鉆柱的疲勞失效發(fā)生。