井斜對鉆具疲勞損傷的影響

李 強，鄭 琪，任瑤瑤

（1.中國石油集團西部鉆探工程有限公司國際工程公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國石油集團西部鉆探工程有限公司物資采購中心，新疆 烏魯木齊 830000；3.中國石油集團西部鉆探工程有限公司玉門鉆井分公司，甘肅 酒泉 735000）

1 問題提出及失效情況統計

慶1-12-75H2井是長慶油田的一口天然氣井水平井，該井井眼軌跡設計采用五段制剖面，三開從1550m處開始造斜，1740~1900m為穩斜段。在該井三開微增斜段鉆進及完鉆后通井過程中共發生?127mm G105鉆桿刺漏7根/次，由此耽誤的生產時效共計187.5h。

通過表1的統計數據可以發現，該井鉆桿刺漏點位置均位于距離鉆桿母接箍1.2m 之內，刺漏位置多位于井深1500~1900m之間，剛好處于該井三開造斜及穩斜井段。通過對表2 觀察發現，該井1500~1900m 之間井深1730m處狗腿度最大，為4.23°/30m。由此判斷，鉆具刺漏可能與造斜段狗腿度過大存在一定關系。

表1 鉆桿刺漏統計

2 理論基礎及計算驗證

根據A.Lubinski 提出的理論，鉆桿在彎曲井眼中轉動時將產生周期性的彎曲應力。鉆桿的每旋轉一周都經受從拉伸到壓縮的循環應力。如果井斜角大于某一臨界值，在狗腿處旋轉鉆桿將會引起嚴重的疲勞破壞。不會引起疲勞破壞的最大狗腿度計算方法如下[1-2]：

上式按規定單位代入后，得到的是每英寸多少弧度。為化成100英尺為單位，應乘以100×12，將弧度化成角度再乘以，于是可得：

其中：

對于E級鉆桿，最大彎應力：

對于S135鉆桿，最大彎應力：

式中：C——狗腿最大允許曲率，(°)/30m；

E——彈性模量，鋼的彈性模量為30×106psi；

D——鉆桿外徑，in；

L——兩鉆桿接頭間距離的一半，對于二級鉆桿，取L=180in，即30ft；

T——狗腿以下的拉伸載荷，lb；

∑b——允許的最大彎應力，psi；

I——鉆桿的轉動慣量，in4。

由于本井使用的為G105 鉆桿，查閱資料，對于G105 鉆桿暫無推薦的最大彎應力計算公式，無法準確計算最大允許狗腿度，因此分別按照E 級鉆桿及S135 鉆桿用修正后的古德曼曲線方程計算最大允許狗腿度[3]。

接下來以第一次刺漏點位置舉例。第一次刺漏點井深3330m，刺漏位置1574m，鉆井液密度1.02g/cm3，浮力系數0.87，為了簡化計算，不考慮鉆鋌、加重鉆桿等。假設刺漏位置至井底全為壁厚為9.19mm 的?127mm鉆桿，線重284.58N/m，內徑5in，鉆桿截面積為A=π×(52-4.2522)/4=5.435(in2)；轉動慣量I=π×(54-4.2524)/64=14.634(in4)。

（1）確定井深1574m處鉆桿所受的拉伸載荷：

（2）確定該點所受的拉伸應力：

（3）確定該點最大許可彎應力，對于S135鉆桿：

（4）確定該點K值：

（5）確定S135 鉆桿在井深1747m 處的最大允許狗腿度：

以上計算以S135鉆桿為例，若對于E級鉆桿，由公式（5）可計算出最大許可彎應力為：

其他計算步驟與S135 鉆桿相同，可算得E 級鉆桿在1574m處最大允許狗腿度為5.65°/30m。

使用上述計算方法，分別計算E 級鉆桿及S135 鉆桿在7個狗腿位置的最大允許狗腿度，計算結果匯總如表3所示。

3 計算結果分析

由表3中的計算結果可以看出，鋼級較低的E級鉆桿在鉆桿刺漏位置均未超出最大允許狗腿度。雖然計算的狗腿度未超出最大允許值，但是由表2中實測井眼軌跡可以看出，該井在井深1500~1900m 的范圍內，多個位置狗腿度超過3°/30m，狗腿度最大處為井深1730m，達4.23°/30m，與理論計算的最大允許狗腿度值接近?？紤]到本井使用的G105鉆桿成色較差，鉆桿疲勞壽命降低，所以分析認為狗腿度過大仍是本井鉆具刺漏的主要原因之一。

另外，在井深相同情況下，越接近井筒上部，狗腿以下鉆具的懸重越大，鉆桿不會引起疲勞破壞的允許狗腿度越小，即鉆具所受拉伸應力越大，鉆桿疲勞所需的最低彎曲應力幅越小。井口附近狗腿最危險（即淺造斜點），井越深越危險[4]。表3中第7次鉆具刺漏位置沒有位于斜井段，而是比較接近井口，分析原因為該鉆桿已存在先期疲勞損傷，在起下鉆過程中倒換鉆具使得該鉆桿位于上部井段，因此鉆桿受到的拉伸載荷較大，所以導致了鉆桿的疲勞損傷進度加快，從而導致鉆具刺漏。

4 本文研究的不足之處

鉆桿疲勞失效的原因既與鉆桿本身的結構尺寸和材料質量有關，也與鉆桿的使用情況有關。本文通過計算分析，僅研究了井斜對鉆具疲勞損傷的影響，實際鉆進作業過程中，鉆桿疲勞損傷乃至鉆桿刺漏是多種因素綜合導致的，如鉆進參數不合理、鉆井液對鉆具的腐蝕、上扣時大鉗對鉆具本體的破壞等均可引起鉆具疲勞損壞。

其次是計算狗腿位置以下鉆桿浮力載荷時，為簡化計算，假設狗腿位置以下全部為鉆桿，未考慮加重鉆桿、鉆鋌及螺桿等，狗腿以下鉆具實際的浮重要大于計算值。另外，魯賓斯基提出的計算最大允許狗腿度的計算公式中，假設鉆桿不與井壁接觸，狗腿處的鉆桿曲率與井眼曲率相同，實際上，對于鉆桿來說，兩端有直徑較大的接頭，在軸向力和重力作用下，其曲率并不等于井眼曲率[5]。在實際鉆井過程中，鉆桿受到的交變彎曲應力更為復雜。

5 結論與建議

（1）由以上計算分析結果可知，狗腿度過大是鉆具疲勞損傷的重要原因之一。

（2）在鉆進過程中，合理優選鉆井參數，減輕交變應力對鉆具造成的疲勞損傷。

（3）對鉆具進行嚴格的管理，及時進行檢驗和分級，通過軟件模擬對鉆具疲勞壽命做出預測，及時更換鉆具，避免損傷累積導致的鉆具事故。