海上鉆具失效的力學特性分析及應用*

姜偉

(中國海洋石油總公司)

海上鉆具失效的力學特性分析及應用*

姜偉

(中國海洋石油總公司)

針對海上鉆井鉆具失效問題，采用莫爾圓、第四強度理論及能量守恒原理建立了鉆具在拉伸及蹩停動載條件下的扭矩計算方法，并進行了實例分析。結果表明，鉆具在拉伸載荷或扭矩的作用下更容易失效。本文成果可為海上鉆井參數選取和現場操作提供參考。

海上鉆具失效扭矩計算實例分析

“十一五”期間，中國海油實現了海上5 000萬噸油當量的產能，隨著產量的增加，海上鉆完井工作量也大幅攀升，特別是海上油田開發中大量采用叢式井、定向井，這對鉆井裝備和鉆井技術提出了更高的要求，也對海上鉆井作業效率和成本的控制提出了更高的要求［1-3］。

近年來，中國海油隨著鉆井工作量增大，鉆井類型也日趨復雜，不但增加了鉆井作業的難度，同時也對鉆具提出了更高的要求。“十一五”期間中國海油在鉆具上的技術管理有三大特點:一是鉆具鋼級提高了，普遍采用了S135鋼級的鉆桿;二是隨著鉆機能力的提升，大量采用了φ139.7 mm鉆桿;三是優化了鉆井參數，大批量高轉速和鉆壓的配合使得鉆井機械轉速得到了明顯提高。但是，近年來的鉆具失效事故也在增加，主要集中在工作量大的渤海地區，井的類型主要集中在開發井和調整井這兩大類，并且主要集中在3 000～4 500 m的中深井。由于鉆具失效事故不但危及井下安全，同時造成處理事故的額外費用，因此研究鉆具失效事故發生的原因，提出預防措施和解決的辦法，對于保證井下安全，提高作業效率，控制鉆井成本都具有十分重要的現實意義。本文采用莫爾圓、第四強度理論及能量守恒原理建立了拉伸條件和蹩停動載條件下的鉆柱扭矩計算公式，并通過實例分析了上述2種條件下鉆柱扭矩特性，其成果對海上鉆井參數的科學選取具有重要的指導意義。

1 拉伸及蹩停動載條件下鉆柱扭矩計算

為了研究問題方便起見，先在鉆柱上取一個微元(圖1)，然后由微元的應力狀態，通過莫爾應力圓進行分析。對于鉆柱來講，自中性點以上的鉆柱都是受拉伸軸向載荷的。

圖1 鉆柱軸向拉伸時的應力微元

從圖1可以看出，微元上受到軸向應力σ和剪切應力τ的作用，根據莫爾應力圓及材料力學的研究方法［4］，可以求出其組合應力在立方體內的大小。鉆柱軸向拉伸時的莫爾圓如圖2所示。

由圖2可以得到

圖2 鉆柱軸向拉伸時的莫爾圓

按照第四強度理論，即

將式(2)、(3)代入式(4)可得

將式(1)代入式(5)可得

由文獻［5］知，材料在扭轉時其剪力與扭矩Mn之間關系為

將式(7)～(9)代入式(6)可得

當考慮到安全系數并令S=1時，得到鉆柱在屈服時的扭矩計算公式為

在鉆井工作中遇到的問題，最多的是由于地層巖性的變化而造成鉆柱的轉速忽高忽低，在扭矩表上明顯地看到扭矩變化幅度很大，嚴重的時候會出現鉆柱蹩停，這種情況頻繁發生帶來的直接結果就是損壞鉆柱，嚴重時鉆桿就會被蹩斷。那么對于這種情況，該如何進行鉆柱扭矩計算呢?

由于鉆柱主要是以轉動的形式存在，因此它的動能［5］為

鉆柱在旋轉過程中，由于扭矩變化大，當其蹩停時產生的扭轉變形能［4］為

根據動力學變形能量守恒理論，在蹩停的瞬間鉆柱轉動的動能與扭矩變形能應該相等，由此可得到

由于

因此，將式(16)～(18)代入式(15)可得到鉆柱在蹩停動載條件下所產生的最大扭矩為

同樣，在管壁上產生的最大剪切應力也不難求出。由式(7)、(17)、(19)可以得到

至此，得到了在拉伸及蹩停動載條件下鉆柱扭矩的計算方法。分析式(12)可以得出拉伸條件下鉆柱扭矩具有以下特點:

(1)鉆柱扭矩Mn與鉆柱外徑D和鉆柱內徑d的4次方的差值成正比，與鉆柱外徑D成反比。

(2)拉伸條件下進行鉆柱扭矩分析時，除了要考慮其屈服強度Ym以外，還要考慮拉伸軸向載荷p的影響，這是因為軸向載荷p的存在減少了鉆柱扭矩Mn。

在鉆柱蹩停時應考慮動載條件下的扭矩。觀察式(19)發現:

(1)鉆柱扭矩Mn與轉速n成正比。也就是說，轉速越高，扭矩也就相應越大。

(2)鉆柱扭矩與鉆柱外徑D和鉆柱內徑d的4次方的差值成正比。也就是說，鉆柱幾何尺寸越大，其4次方的差值越大，轉動起來的扭矩也就越大，一旦蹩停下來，受到的扭矩也就越大。

以上分析結論對于鉆井作業來講是至關重要的，因為鉆井手冊和鉆柱手冊上通常只注明工具接頭的上扣扭矩和抗扭屈服極限，但是這些數據不是指鉆柱在承受動載條件下，以轉速n的條件下得出的動載扭矩值，或者是以軸向載荷p作用條件下的扭矩值，手冊上的數據只能在現場作業和連接鉆具時參考使用。

2 實例分析

2010年南海東部XX-10A井鉆至3 060 m，井眼尺寸φ311.15 mm，鉆井參數:鉆壓30～50 kN，鉆柱轉速105～110 r/min，正常鉆進時扭矩34～41 kN· m，使用φ127 mm S135鉆桿，其名義單位重量33.65 kg/m，外徑127.0 mm，內徑108.6 mm，抗拉屈服極值2 544 kN，抗扭屈服極值78.8 kN·m，接頭上扣扭矩51 582 N·m。該井在正常鉆進過程中頂驅扭矩不穩定，并且在扭矩增加至45 kN·m時，鉆柱突然蹩停(頂驅鉆進時扭矩限制在42 kN·m)后上提下放活動鉆具，發現鉆具在井深700 m處斷了(懸重由1 200 kN降至550 kN)。試分析該井鉆柱斷裂的原因。

解:鉆柱斷裂時，斷口處軸向力為997 kN，由公式(12)求得扭矩Mn=74.4 kN·m，已達到鉆桿手冊上標定的扭矩極值(為78.8 kN·m)的94%，可見操作參數已接近極限。操作扭矩增至45 kN·m時，由公式(10)可求得此時鉆柱軸向力p=2 110 kN。參照鉆桿屈服極值2 544 kN，考慮扭矩影響時鉆柱抗拉極值降低了17%。因此，在鉆柱使用過程中一定要注意，鉆柱使用手冊上給出的最大抗拉和抗扭矩數據都是在單向受力狀態條件下的強度數據，即抗拉極值不考慮扭矩，抗扭矩極值不包括拉伸的軸向力。在本例分析中，當考慮受扭矩影響時，鉆柱實際抗拉極值要比額定抗拉極限低20%左右。

當鉆井突然蹩停時，根據式(19)計算鉆柱扭矩，結果見表1。由表1可知，當以105～110 r/min的轉速鉆進突然蹩停時，鉆柱扭矩達到96～106 kN· m，已超過抗扭極值(78.8 kN·m)22%～35%，這是造成鉆柱在突然蹩停時斷裂的重要原因之一。從表1還可以看出，降低轉速有助于降低鉆柱在蹩停時扭矩的安全控制，這也就是說平時盡可能選擇60～80 r/min情況下的轉速是比較合理和安全的。

表1 南海東部XX－10A井鉆柱蹩停時扭矩計算結果

3 結論

(1)通過本文的研究和實例分析來看，開展海上鉆具失效的力學特性分析及應用要注意2個方面的問題:一是拉伸載荷條件下鉆柱扭矩極限有所降低，或者反過來說，受扭狀態下鉆柱拉力極限有所降低;二是鉆柱轉速對扭矩影響很大，本文計算得出60～80r/min的鉆速條件通常較為安全。

(2)現場操作時，應把鉆井手冊上的鉆桿強度數據，即抗拉強度和抗扭強度，作為基本操作的依據和參數，正確的使用方法應該是采用本文的計算和分析方法，綜合考慮到扭、拉應力狀態，以求得實際最佳操作參數。

(3)特別還要強調的是，復雜鉆進過程中還要考慮到鉆進的動態過程，特別是當扭矩不穩、鉆柱突然蹩停時，會造成更大的扭矩，有時會超過額定扭矩的22%～35%。因此，在選擇轉速時宜低不宜高，因為高轉速易引起鉆柱失效。

(4)造成鉆柱失效的原因很多，而本文僅考慮了力學特性和操作時的參數選取。事實上，鉆柱的管理工作也十分重要，只有加強技術研究和管理工作，才能夠做到科學合理使用好鉆具，從而提高鉆井效率，減少鉆具事故的發生。

符號注釋

Ym—管材抗拉屈服極限，N/m2;

p—管材斷面所受軸向力，N;

A—管材斷面的橫截面積，m2;

Jp—管材截面極慣性矩，m4;

D—鉆柱外徑，m;

d—鉆柱內徑，m;

S—抗拉安全系數;

τ—管壁上剪切應力，N/m2;

Jz—鉆柱的轉動慣量，kg·m2;

g—重力加速度，9.8 m/s2;

G—管材的抗剪模量，通常取G=784×105kPa;

ρ—管材密度，kg/m3;

m—鉆柱質量，kg;

l—鉆柱長度，m。

［1］姜偉．中國海上油田開發中的鉆完井技術現狀和展望［J］．中國工程科學，2011，13(5):58-65．

［2］JIANG Wei．The application of moden high quality and high speed drilling technology in SZ36-1 oil field development of phase 2in Bohai bay［C］．SPE64675-MS2000．

［3］姜偉．旋轉鉆柱動載扭矩的研究及其應用［J］．中國海上油氣(工程)，1997，19(1):24-30．

［4］孫訓方，方孝淑．材料力學:下冊［M］．北京:人民教育出版社，1978．

［5］(美)S鐵摩辛柯，J蓋爾著．材料力學［M］．胡人禮，譯．北京:科學出版社，1979．

Analysis and application of mechanical behavior for offshore drilling tool failure

Jiang Wei
(CNOOC，Beijing，100010)

The calculation method for drilling tool torque is built by using Mohr’s circle，the fourth strength theory and principle of conservation of energy under the tensile load and bit bouncing load in view of offshore drilling tool failure．The results of case analysis show that the drilling tools are easily failure under tensile load and torque．The results of this study can be used as reference to selection of drilling parameters and field operation．

offshore;drilling tool failure;torque calculation;case analysis

2012-02-23

(編輯:孫豐成)

*國家“十二五”科技攻關重大專項“海上稠油油田高效開發示范工程(編號:2011ZX05057)”部分研究成果。

姜偉，男，教授級高級工程師，1982年畢業于原西南石油學院鉆井工程專業，現任中國海洋石油總公司副總工程師(鉆井)。地址:北京市東城區朝陽門北大街25號海洋石油大廈(郵編:100010)。