氮气钻完井管柱的冲蚀机理分析及剩余强度预测

摘要

本文通过对管柱（钻柱、套管、油管）材料在不同条件下的冲蚀速率和磨损表面形貌的分析，研究了冲蚀角度、冲蚀速度等因素对氮气钻完井管柱冲蚀性能的影响，探讨了材料的冲蚀机理。在此基础上，采用Fluent软件对氮气钻井工况下环空气固两相流动规律进行了数值模拟研究。最后对管柱（钻柱、套管、油管）在不同条件下的剩余强度和剩余寿命进行预测。研究结果表明:随着冲蚀速度的提高，钻柱、套管、油管的平均失重率和平均壁厚减薄率均增加。钻井工况下，BG13Cr-110和S135两种钻柱材料的临界流速为20m/s，TP140套管材料在18°冲蚀角度的临界流速为20m/s，在75°冲蚀角度的临界流速为30m/s;生产工况下，P110油管材料无明显临界流速。延性材料30CrMo在较低冲蚀角下产生较大冲蚀，脆性材料Cr2O3在较高冲蚀角下将产生较大冲蚀。在相同冲蚀角下，喷涂Cr2O3的试样失重率均比30CrMo高。采用计算流体动力学方法建立了高速气体携岩冲蚀管柱的两相流模型。通过对环空气体流速、压力、岩屑浓度、钻柱和套管的冲蚀速率以及受到的剪切应力分布等的分析后发现，环空中心区域气体和岩屑的流速最大，由中心向套管内壁和钻杆外壁递减，直至壁面速度为零;钻杆母接头处岩屑沉积，浓度最大，并且钻杆母接头斜坡处剪切应力最大。在冲蚀试验的基础上，对在钻井工况条件下，钻柱BT13Cr-110和S135两种材料以及套管TP140材料的剩余强度和剩余寿命进行了计算;并且对在生产工况条件下，对油管P110材料的剩余强度和剩余寿命也进行了计算。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题提出及研究意义

1．2 气体钻井技术

1．2．1 气体钻井技术的分类

1．2．2 气体钻井技术的发展状况

1．3 冲蚀概况

1．3．1 冲蚀的分类

1．3．2 冲蚀机理

1．3．3 影响因素

1．4 剩余强度的评价方法

1．5 本文开展的主要工作

1．6 本文的创新性工作

1．7 技术路线

第二章 试验及分析方法

2．1 试验材质

2．2 试验仪器

2．3 试验步骤

2．4 利用Fluent软件模拟分析环空气固两相流动规律

2．4．1 Fluent软件简介

2．4．2 Fluent基本物理方程

2．4．3 湍流模型

2．4．4 流场数值计算

2．4．5 Fluent数值模拟流程

2．5 剩余强度的评价依据

第三章 氮气钻完井管柱的冲蚀试验

3．1 引言

3．2 试验条件

3．3 冲蚀试验结果及分析

3．3．1 钻井工况冲蚀速度对钻柱的影响

3．3．2 钻井工况冲蚀速度对套管的影响

3．3．3 生产工况冲蚀速度对油管的影响

3．3．4 冲蚀角度对不同材料的影响规律

3．3．5 冲蚀后显微相貌分析

3．4 本章小结

第四章 环空气固两相流动规律数值模拟分析

4．1 环空气固两相流动物理模型、网格划分及边界条件

4．1．1 物理模型

4．1．2 网格划分

4．1．3 边界条件

4．2 冲蚀计算结果

4．2．1 环空气固两相流流速分布特征

4．2．2 环空气固两相流各相分布特征

4．2．3 环空气固两相流压力分布特征

4．2．4 环空气固两相流对钻柱和套管冲蚀特性

4．2．5 环空气固两相流剪切压力分布特征

4．3 环空气固两相流对管柱的冲蚀分析

4．4 本章小结

第五章 冲蚀管柱剩余强度预测

5．1 钻井工况钻柱的剩余强度预测

5．1．1 钻柱本体的剩余抗拉强度预测

5．1．2 钻柱接头的剩余抗扭强度预测

5．2 钻井工况套管的剩余强度预测

5．2．1 套管在轴向拉伸应力和外挤压力下的剩余强度预测

5．2．2 套管承受内压时的剩余强度预测

5．2．3 套管承受外压时的剩余塑性挤毁强度预测

5．2．4 套管承受拉伸应力时的剩余抗拉强度预测

5．3 生产工况油管的剩余强度预测

5．4 本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文