超深井上部大尺寸井眼稳定器接头母扣失效机制

李少安 王居贺 秦垦 王文昌 陈锋 狄勤丰

李少安,王居贺,秦垦,王文昌,陈锋,狄勤丰. 超深井上部大尺寸井眼稳定器接头母扣失效机制[J]. 石油钻采工艺,2021,43(3):296-302
引用本文: 李少安,王居贺,秦垦,王文昌,陈锋,狄勤丰. 超深井上部大尺寸井眼稳定器接头母扣失效机制[J]. 石油钻采工艺,2021,43(3):296-302
LI Shaoan, WANG Juhe, QIN Ken, WANG Wenchang, CHEN Feng, DI Qinfeng. Study on the failure mechanism of large-size hole stabilizer joint of ultra-deep well[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(3): 296-302
Citation: LI Shaoan, WANG Juhe, QIN Ken, WANG Wenchang, CHEN Feng, DI Qinfeng. Study on the failure mechanism of large-size hole stabilizer joint of ultra-deep well[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(3): 296-302

超深井上部大尺寸井眼稳定器接头母扣失效机制

基金项目: 国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”之课题“海相碳酸盐岩超深油气井关键工程技术”(编号:2017ZX05005-005);中石化科研项目“顺北油气田一区优快钻井技术研究”(编号:P18021);国家自然科学基金联合基金重点支持项目“超深井钻柱非线性动力学及动态安全性基础理论研究”(编号:U1663205);国家自然科学基金青年基金项目“气体钻井中预弯底部钻具组合控斜的非线性动力学机制”(编号:51704191)及“超深井油套管螺纹接头三维力学特性分析及密封机理研究”(编号:51804194)
详细信息
    作者简介:

    李少安(1983-),2008年毕业于长江大学石油工程专业,现从事钻井工艺优化与设计工作,工程师。通讯地址:(830011)新疆乌鲁木齐中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院。E-mail:381859611@qq.com

    通讯作者:

    狄勤丰(1963-),1984年获华东石油学院钻井工程专业学士学位,1997年获西南石油学院油气井工程专业博士学位,现主要从事石油工程技术和力学问题的研究,教授、博士生导师。通讯地址:(200072)上海市宝山区上大路99号,上海大学力学与工程科学学院。E-mail:qinfengd@sina.com

  • 中图分类号: TE921+.2

Study on the failure mechanism of large-size hole stabilizer joint of ultra-deep well

  • 摘要: 顺北区块超深井171/2"(Ø444.5 mm)大尺寸井眼井段长达5 000 m,不但需要面对提速、控斜难题,而且存在稳定器母扣频繁失效问题。为此,从钟摆钻具组合(BHA)动力学分析着手,探讨了大尺寸井段稳定器母扣失效机制。基于钻柱动力学有限元方程,研究了大尺寸井眼中BHA稳定器处的复杂动力学特征,确定了稳定器母扣附近的动态弯矩和涡动特征;建立了稳定器母扣端螺纹接头三维有限元模型,利用显式动力学有限元方法分析了复杂载荷作用下稳定器母扣端螺纹接头的应力分布特征;以顺北XX井稳定器母扣断裂失效为例,分析了BHA稳定器母扣端变截面位置附近的动态应力。结果表明,稳定器母扣端轴向振动和扭转振动水平较低,但出现了较强的高频涡动,较大的变截面特征造成稳定器母扣端附近出现很大的高频附加动态弯矩(0~453.0 kN·m)。这一动态弯矩作用产生的母扣螺纹牙应力最高达799.1 MPa,虽然小于与其啮合的钻铤公扣螺纹牙应力(973.1 MPa),但其变化幅度很大(465.0 MPa),而且变化频率很高。这种高频动态变化应力是促使母扣端螺纹接头发生失效的关键原因之一。建议在设计大尺寸井眼BHA时一方面要控制钻柱涡动,另一方面要尽可能减少稳定器附近的动态弯曲效应。
  • 图  1  稳定器变截面产生的弯曲放大效应

    Figure  1.  Bending amplification effect caused by variable cross-section of stabilizer

    图  2  钟摆段中点处的动态载荷

    Figure  2.  Dynamic load at the midpoint of the pendulum segment

    图  3  稳定器母扣端截面处的动态载荷

    Figure  3.  Dynamic load at the box of stabilizer's threaded joint

    图  4  钻具在3个位置处的涡动轨迹和涡动速度

    Figure  4.  Whirl trajectory and whirl velocity of the drill tool at three locations

    图  5  钻具在3个位置处的动态应力

    Figure  5.  Dynamic stresses of the drill tool at three locations

    图  6  稳定器接头母扣端螺纹接头有限元模型

    Figure  6.  Finite element model of the box end of stabilizer thread joint

    图  7  弯矩作用前后稳定器接头母扣端螺纹接头Mises应力分布规律

    Figure  7.  Mises stress distribution of the box end of stabilizer thread joint before and after bending moment

    图  8  稳定器接头母扣端螺纹接头关键部位Mises应力变化

    Figure  8.  Mises stress variation at key points of the box end of stabilizer threaded joint

    图  9  动态弯矩变化引起的稳定器母扣端螺纹接头的应力波动

    Figure  9.  Stress fluctuation of the box end of stabilizer thread joint caused by dynamic bending moment variation

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出版历程
  • 修回日期:  2020-06-29
  • 网络出版日期:  2021-08-26

超深井上部大尺寸井眼稳定器接头母扣失效机制

    基金项目:  国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”之课题“海相碳酸盐岩超深油气井关键工程技术”(编号:2017ZX05005-005);中石化科研项目“顺北油气田一区优快钻井技术研究”(编号:P18021);国家自然科学基金联合基金重点支持项目“超深井钻柱非线性动力学及动态安全性基础理论研究”(编号:U1663205);国家自然科学基金青年基金项目“气体钻井中预弯底部钻具组合控斜的非线性动力学机制”(编号:51704191)及“超深井油套管螺纹接头三维力学特性分析及密封机理研究”(编号:51804194)
    作者简介:

    李少安(1983-),2008年毕业于长江大学石油工程专业,现从事钻井工艺优化与设计工作,工程师。通讯地址:(830011)新疆乌鲁木齐中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院。E-mail:381859611@qq.com

    通讯作者: 狄勤丰(1963-),1984年获华东石油学院钻井工程专业学士学位,1997年获西南石油学院油气井工程专业博士学位,现主要从事石油工程技术和力学问题的研究,教授、博士生导师。通讯地址:(200072)上海市宝山区上大路99号,上海大学力学与工程科学学院。E-mail:qinfengd@sina.com
  • 中图分类号: TE921+.2

摘要: 顺北区块超深井171/2"(Ø444.5 mm)大尺寸井眼井段长达5 000 m,不但需要面对提速、控斜难题,而且存在稳定器母扣频繁失效问题。为此,从钟摆钻具组合(BHA)动力学分析着手,探讨了大尺寸井段稳定器母扣失效机制。基于钻柱动力学有限元方程,研究了大尺寸井眼中BHA稳定器处的复杂动力学特征,确定了稳定器母扣附近的动态弯矩和涡动特征;建立了稳定器母扣端螺纹接头三维有限元模型,利用显式动力学有限元方法分析了复杂载荷作用下稳定器母扣端螺纹接头的应力分布特征;以顺北XX井稳定器母扣断裂失效为例,分析了BHA稳定器母扣端变截面位置附近的动态应力。结果表明,稳定器母扣端轴向振动和扭转振动水平较低,但出现了较强的高频涡动,较大的变截面特征造成稳定器母扣端附近出现很大的高频附加动态弯矩(0~453.0 kN·m)。这一动态弯矩作用产生的母扣螺纹牙应力最高达799.1 MPa,虽然小于与其啮合的钻铤公扣螺纹牙应力(973.1 MPa),但其变化幅度很大(465.0 MPa),而且变化频率很高。这种高频动态变化应力是促使母扣端螺纹接头发生失效的关键原因之一。建议在设计大尺寸井眼BHA时一方面要控制钻柱涡动,另一方面要尽可能减少稳定器附近的动态弯曲效应。

English Abstract

李少安,王居贺,秦垦,王文昌,陈锋,狄勤丰. 超深井上部大尺寸井眼稳定器接头母扣失效机制[J]. 石油钻采工艺,2021,43(3):296-302
引用本文: 李少安,王居贺,秦垦,王文昌,陈锋,狄勤丰. 超深井上部大尺寸井眼稳定器接头母扣失效机制[J]. 石油钻采工艺,2021,43(3):296-302
LI Shaoan, WANG Juhe, QIN Ken, WANG Wenchang, CHEN Feng, DI Qinfeng. Study on the failure mechanism of large-size hole stabilizer joint of ultra-deep well[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(3): 296-302
Citation: LI Shaoan, WANG Juhe, QIN Ken, WANG Wenchang, CHEN Feng, DI Qinfeng. Study on the failure mechanism of large-size hole stabilizer joint of ultra-deep well[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(3): 296-302

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