套管钻井中管柱优化设计与强度评估

摘要

套管是石油天然气井施工、生产必不可少的三大管柱之一。套管钻井技术的出现，使套管柱取代了钻杆柱向井底钻头传递机械能量和水利能量。国内外应用情况表明，使用套管钻井技术可直接提高钻井效率、降低压力激动、改善水力清洗井眼状况、有利于维持井壁稳定，同时还能节约钻井成本。使用套管钻井技术已成为降低钻井成本的有效途径，具有良好的发展和应用前景。
　　但是在实际生产中套管及其接箍被置于一种复杂的动载作用的工况下，它们抗疲劳失效能力的高低将直接影响到套管钻井的成败。
　　本文首先开展了对套管钻井套管柱屈曲和弯曲行为研究，包括直井段套管柱屈曲的临界载荷预测模型，弯曲井段套管柱应力极限分析。在进行套管钻井中套管柱受力分析的基础上，建立相关的物理模型和数学模型。
　　接下来对套管钻井套管外表面磨损缺陷评价及管柱剩余强度分析。确定套管钻井钻至一定深度或完钻后套管外表面磨损缺陷，为实物实验模拟含有外表面缺陷的套管的抗挤、抗拉、抗内压等性能作必要的理论、数据准备，从而可以更加准确地确定套管钻井完钻后套管的剩余寿命，还可以确定给定套管和作业参数条件下，套管柱的安全可钻深度。
　　最后对套管钻井螺纹及管柱疲劳损伤及疲劳寿命预测研究。采用J55套管材料，制各了螺纹几何相似试件，测试了材料的基本力学性能，得到了屈服应力，拉伸强度等力学量。用弹塑性有限元方法计算了管道的螺纹螺牙和螺距间的弹塑性应力应变分布状况，确定了应力应变的最大分布位置，并计算了螺纹的应力集中系数。
　　在实际生产中，本文研究的内容为套管钻井套管柱材质选择、优化设计以及剩余强度评估提供了理论支撑，对提高套管钻井的经济性、安全性提供了有力的技术保障，延长了套管在苛刻条件下的服役时间，降低了套管钻井的成本。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本论文的目的及意义

1．2 本文工作的构思和主要工作任务

1．3 题目来源

第二章 套管钻井的国内外研究现状

2．1 套管钻井的历史

2．2 国外套管钻井技术现状及发展趋势

2．3 国内套管钻井技术现状

2．4 小结

第三章 套管钻井套管柱屈曲和弯曲行为研究

3．1 直井段套管柱屈曲的临界载荷能量法预测模型

3．1．1 垂直井中套管柱的临界屈曲预测计算公式

3．1．2 斜直井中钻柱的临界屈曲预测计算公式

3．2 套管柱的螺旋屈曲

3．3 斜直井段套管柱屈曲行为的静力平衡法分析

3．3．1 考虑轴向载荷变化时管柱的正弦屈曲结果分析

3．3．2 更为精确的管柱屈曲构型

3．3．3 在轴向载荷发生变化时管柱的螺旋屈曲分析

3．3．4 结果与讨论

3．4 弯曲井段套管柱应力极限分析

3．4．1 弯曲井眼(造斜井段)中的临界屈曲载荷和螺旋屈曲载荷

3．4．2 井眼弯曲导致的轴向应力计算公式推导

3．4．3 套管许用应力

3．4．4 套管柱处于弯曲段时应不发生屈曲变形

3．4．5 套管柱处于弯曲段时应不发生密封失效

3．4．6 弯曲引起的疲劳问题

3．5 小结

第四章 含磨损等缺陷套管的剩余强度分析

4．1 无缺陷套管体的强度计算

4．1．1 套管体的抗拉／压强度计算

4．1．2 套管体的抗挤强度计算

4．1．3 套管的抗内压强度计算

4．2 套管体的缺陷描述

4．2．1 套管体的均匀磨损

4．2．2 套管体偏磨

4．3 含均匀磨损缺陷套管的剩余静强度分析

4．3．1 磨损缺陷对剩余强度的影响

4．3．2 剩余抗拉强度计算

4．3．3 套管承受轴向压载荷时的屈曲失稳分析

4．3．4 剩余抗挤强度计算

4．4 含偏磨缺陷的套管剩余静强度分析

4．4．1 剩余抗拉强度计算

4．4．2 剩余抗挤强度计算

4．5 小结

第五章 套管钻井作业参数优化选择

5．1 套管钻井机械参数选择

5．1．1 套管钻井临界转速计算

5．1．2 临界转速计算方法概述

5．1．3 套管柱临界转速计算

5．2 套管钻井钻压计算

5．2．1 垂直井中套管柱的临界屈曲预测计算公式

5．2．2 斜直井中钻柱的临界屈曲预测计算公式

5．3 套管钻井可能的最大井深的计算模型

5．4 小结

第六章 套管钻井螺纹接头疲劳寿命研究

6．1 偏梯形套管螺纹应力应变分布

6．1．1 偏梯形套管螺纹有限元模型

6．1．2 偏梯形套管螺纹有限元分析结果

6．1．3 无装配套管螺纹牙的有限元分析结果

6．2 套管螺纹拉扭疲劳试验

6．2．1 引言

6．2．2 多轴疲劳试件制作

6．2．3 多轴疲劳试验结果

6．3 单螺纹疲劳和套管螺纹疲劳寿命等效性分析

6．4 小结

第七章 结论

致谢

参考文献