一种钻柱疲劳失效风险的评价方法

摘要

本发明公开了一种钻柱疲劳失效风险的评价方法，包括如下步骤：a.获取或测量目标井的井身结构，钻具组合结构和实际井眼轨迹参数；b.建立钻柱动力学有限元模型；c求解全井钻柱各节点截面屈曲应力、动态弯曲应力和动态轴向力以及修正动态弯曲应力；d求解全井钻柱各节点截面疲频系数；e.根据求得的疲频系数给出其与井深关系图，从而对钻柱是否具有较高的产生疲劳失效的风险进行评价，并确定出钻柱疲劳失效风险较高的位置。本发明既适用于钻井设计过程中钻柱疲劳失效风险大小的预测，进行钻柱结构参数和钻井参数的优化，也适用于实际钻井过程中钻柱疲劳失效风险大小的评估，研究钻柱疲劳失效的机理。

说明书

技术领域

本发明属于油气田勘探开发中经常发生的井下钻柱疲劳失效问题的评价技术，特别是一种钻柱疲劳失效风险的评价方法。

背景技术

钻柱是用于传递动力、输送钻井液的主要工具，在油气田钻井过程中扮演着重要的角色。在油井钻进过程中, 钻柱由于需要长期处于充满钻井液的狭长井眼内工作，受力情况非常复杂，承受由交变载荷引起的较大应力突变,极易发生疲劳失效,钻具失效事故往往给油田带来巨大的经济损失。每年国内外都会发生大量的钻柱失效事故，其中钻柱过渡刺漏和断裂是钻柱疲劳失效的主要形式。2013年，XX油田的一口井发生了18次刺漏事故，严重影响了正常钻井作业，也给后续安全生产带来了极大隐患。

现有文献中关于钻杆疲劳失效的机理研究很多，有力地推动了钻杆质量和加工工艺的提高。在众多研究成果中，疲劳系数方法较为突出。LandMark软件中采用的就是这种方法，其能较好地反映钻压、钻杆结构，尤其是井眼轨迹对钻杆疲劳失效的影响。

但所有仅使用静力学模型求解得到的钻柱的应力不能充分体现钻柱疲劳失效的内在机制，有必要结合井下钻柱动力学特性研究钻柱的疲劳失效特征。

目前大部分钻柱疲劳失效方面的研究普遍采用在静力学有限元模型求解得到的钻柱各节点截面应力，从而得出全井钻柱的疲劳系数，以评价其疲劳失效的风险。然而，在实际钻井过程中，钻柱在井下的运动及受力情况非常复杂，除承受拉、压、弯、扭复杂载荷和旋转向下运动外，还伴有纵向、横向、扭转以及涡动等复杂振动形式，因此静力学模型基础上得到的疲劳系数也难以用来很好地评价实际工作环境下的钻柱疲劳失效风险。

实际上，对于钻进过程中的钻柱，由于钻柱偏心、钻头激励、钻柱与井壁的摩擦等因素的影响，钻柱位移、曲率、动态应力往往会大于静力学结果，并且较高的振动频率会使钻柱材料受到的应力循环次数更快地达到疲劳寿命（试验测定金属材料疲劳极限强度时一般假定为10⁷次），使钻柱更快发生疲劳破坏。因此，不论是现有的静力学有限元模型求解的应力还是现有的疲劳系数评价方法，都不能充分反映出实际钻井时钻柱的应力状态，也就无法较好地评价实际的钻柱疲劳失效风险。为此需要建立一种新的钻柱疲劳失效风险大小的评价方法，从而可以更加准确地判断钻井过程中，钻柱是否较易发生疲劳失效，疲劳失效可能发生的井段，以便技术人员采取相应的技术手段来避免钻柱恶性失效事故的发生，从而有力地指导工程实际生产作业。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种钻柱疲劳失效风险大小的评价方法，适用于钻井设计阶段及实际钻井过程中对钻柱疲劳失效风险的大小进行评价，减少由于变化应力疲劳导致的钻柱刺漏等事故的发生，保证钻柱的使用安全。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种钻柱疲劳失效风险的评价方法，包括如下步骤：

a.获取或测量目标井的井身结构，钻具组合结构和实际井眼轨迹参数；

b.建立钻柱动力学有限元模型；

c.按照钻进时的实际工况，给定转速、钻压等钻井参数，计算求解全井钻柱各节点截面在一定钻进时间内的屈曲应力、动态弯曲应力和动态轴向力；计算由于钻柱接箍的存在导致的过渡带局部弯曲应力放大系数，对动态弯曲应力进行修正；

d.根据钻柱动态疲劳系数模型求解钻柱动态疲劳系数；根据动态弯曲应力的变化得到弯曲应力变化频率，根据钻柱动态疲劳系数并考虑钻柱振动频率对疲劳的影响建立全井钻柱疲频系数计算模型，根据此模型求解全井钻柱各节点截面的疲频系数；

e.根据求得的疲频系数给出其与井深关系图，从而对钻柱是否具有较高的产生疲劳失效的风险进行评价，并确定出钻柱疲劳失效风险较高的位置。

所述步骤a中获取或测量目标井的井身结构，钻具组合结构和实际井眼轨迹参数的具体步骤如下：

a1.根据实际钻井情况获取井身结构参数；

a2.利用测量工具测量钻具组合结构或从井队获取已测量好的钻具组合结构参数；

a3.利用随钻测量装置（MWD或LWD）、或单点、多点测量仪跟踪测量实际井眼轨迹参数，包括测深(m)，井斜角(°)，方位角(°)。

所述步骤b中建立钻柱动力学有限元模型具体步骤如下：

b1.针对目标井，根据井眼轨迹、井身结构和钻具组合结构参数划分网格；

b2.根据所划分单元的几何参数求解单元刚度矩阵、单元阻尼矩阵、单元质量矩阵以及单元节点外力矢量；

b3.经过局部坐标与整体坐标转换矩阵整合整体刚度矩阵、整体阻尼矩阵、整体质量矩阵以及整体节点外力矢量；

b4.根据Hamilton原理，由上述矩阵向量得到钻柱动力学一般方程，建立钻柱动力学有限元模型:

式中： 为广义加速度，单位；为广义速度，单位；为广义位移，单位；为外力矢量，单位；[M]、[C]、[K]分别为质量矩阵，阻尼矩阵及刚度矩阵。

所述步骤c中求解全井钻柱各节点截面屈曲应力、动态弯曲应力和动态轴向力以及修正动态弯曲应力的具体步骤如下：

c1.先根据钻进时实际的工况，给定钻压、转速等钻井参数加入步骤b中的钻柱动力学有限元模型，模拟实际钻进的过程；

c2.利用Newmark方法和节点迭代法求解钻柱动力学模型，得到全井钻柱各节点位移；

c3.由节点位移通过几何关系得到单元应变，再由单元应变通过本构关系求解节点屈曲应力（如发生屈曲）、动态弯曲应力和动态轴向力。

c4.根据钻柱受拉、受压以及与井壁接触的情况计算过渡带位置截面弯曲应力放大系数并对动态弯曲应力进行修正：

式中，为考虑局部弯曲效应放大作用后的弯曲应力，单位MPa，为管柱材料的弹性模量，单位MPa，为井眼曲率，单位1/m，为钻柱的外径，单位m，为弯曲应力放大系数，其主要考虑在弯曲井眼中，因接箍存在而造成的钻杆加厚过渡带位置的局部弯曲应力放大作用。

所述步骤d中的求解全井钻柱各节点截面疲频系数的具体方法如下：

d1.根据步骤c中求解得到的屈曲应力、修正后的动态弯曲应力以及动态轴向力，求解各节点截面的动态疲劳系数：

式中，为动态疲劳系数，为屈曲应力，单位MPa，只有当屈曲发生时，才会产生因屈曲而造成的弯曲应力；为动态疲劳极限，其将因为动态轴向力的波动而体现为一个动态变量；为考虑局部弯曲效应放大作用后的动态弯曲应力，单位MPa。

d2. 根据各节点弯曲应力的波动情况，得到弯曲应力变化频率；

d3. 由动态疲劳系数、弯曲应力变化频率以及钻柱自转频率求解疲频系数（Fatigue Frequence Ratio，简写为）：

式中，f为弯曲应力变化频率，单位Hz；为钻柱自转频率，单位Hz。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

现有技术主要分为两步。第一步是使用静力学有限元模型计算得到各节点截面应力；第二步则是使用上述计算得到的应力通过疲劳系数模型对钻柱疲劳失效风险进行评价。对于第一步，由于基于静力学模型，无法较好地模拟实际钻进中钻柱的应力状态。对于第二步，现有疲劳系数的计算过程中，没有涉及钻柱振动的物理量，无法反应由于钻柱的振动造成的钻柱材料因应力循环次数加快导致的钻柱使用寿命缩短这一实际情况。

本发明提供的一种新的钻柱疲劳失效风险大小的评价方法，采用基于实际井眼轨迹的全井钻柱动力学模型来模拟实际钻进过程中的钻柱受力特征，得到的动态应力能更好地反映实际工作中的钻柱应力状态；并且疲频系数的计算过程中考虑到了动态疲劳系数的变化频率，从而能够反映出由于动态应力快速变化致使钻柱更快发生疲劳失效，降低了钻柱使用寿命的情况。可以为钻井设计和实际钻进阶段提供一种更为准确、切合钻井实际情况的钻柱疲劳失效风险大小的评价方法。

本发明不但考虑钻柱动态应力的大小，还考虑了钻进过程中应力的变化频率对钻柱疲劳失效的影响。较大的应力减小了材料的疲劳极限，而较快变化的交变应力使得钻柱更快达到其材料试验确定疲劳极限强度时的疲劳寿命。

附图说明

图1是X6井井身结构示意图。

图2是节点迭代法计算流程图。

图3是钻柱动态弯曲应力随时间的变化。

图4是疲频系数随井深的变化关系图。

图5利用测量工具测得的X6各井深下的井斜角和方位角。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例以XX油田发生18次刺漏的X6井四开钻进至3168m时的钻柱动力学特性进行模拟分析为例对本发明方法进行详细说明。

一种钻柱疲劳失效风险大小的评价方法，具体包括如下步骤：

（1）通过获取该井井眼轨迹（图5），井身结构（图1）和钻具组合结构参数以及其几何参数划分网格。

钻具组合结构：

（2）根据所划分单元的几何参数求解单元刚度矩阵、单元阻尼矩阵、单元质量矩阵以及单元节点外力矢量；经过局部坐标与整体坐标转换矩阵整合整体刚度矩阵、整体阻尼矩阵、整体质量矩阵以及整体节点外力矢量；根据Hamilton原理，由上述矩阵向量代入钻柱动力学方程的一般形式

（1）

式中： 为广义加速度，m/s²；>M]、[C]、[K]分别为质量矩阵，阻尼矩阵及刚度矩阵，其与钻压、转速、钻井液密度及钻柱结构参数、井眼轨迹参数有关。

（3）获取钻进时使用的钻压（70kN）、转速（60 r/min）和钻井液密度（1160kg/m³）。

（4）求解式（1），在时间上使用Newmark方法离散，空间上使用使用节点迭代法离散，计算流程见图1。计算得出各时间步的节点位移。根据几何方程可得单元的应变，随后根据材料的本构关系即可计算出各时间步各单元屈曲应力（如发生屈曲）、弯曲应力及轴向力。

（5）考虑在弯曲井眼中，因接箍存在而造成的钻杆加厚过渡带位置的局部弯曲应力放大作用，计算弯曲应力放大系数并对动态弯曲应力进行修正。

（6）根据动态轴向力、钻柱材料的疲劳持久极限以及其屈服应力，通过Goodman关系得到钻杆的疲劳极限强度。通过动态疲劳系数的计算公式（2）求解得到动态疲劳系数。

（2）

式中：为动态疲劳系数，为屈曲应力，MPa；为修正后的动态弯曲应力，MPa；为疲劳强度极限，MPa。

（7）根据动态弯曲应力的变化（图3），得到弯曲应力变化频率。代入疲频系数计算公式（3）得到全井钻柱的疲频系数。

（3）

式中，为疲频系数；f为弯曲应力变化频率，Hz；为钻柱自转频率，Hz。

（8）根据求得的各井深下的疲频系数绘出疲频系数-井深关系图（图4）。根据关系图，对X6井钻柱疲劳失效风险进行评价，此井在3168m深度钻进时，在500~1000m井段最大疲频系数达到了1.95，存在较大的钻柱疲劳失效的风险，此段钻柱易发生刺漏等钻井事故。其余井段疲频系数较小，钻柱不易发生疲劳失效。在X6井的实际钻进过程中，该井段确实发生了18次钻杆刺漏事故，与本发明的评价结果完全一致。

利用本发明提供的方法不但可以评价实际钻井时钻柱的疲劳失效风险，还可以在钻井设计时根据设计井眼轨迹、井身结构、钻具组合结构以及钻井参数模拟全井钻柱的疲频系数，从而预测钻柱疲劳失效的可能及产生的位置，有效避免在钻进过程中钻杆由于疲劳失效产生的井下复杂情况。