新型鈦合金和鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)安全性分析

王永夏,張傳濤,張 蓓

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部,天津300457;2.海洋石油工程股份有限公司,天津300452) *

新型鈦合金和鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)安全性分析

王永夏1,張傳濤2,張 蓓2

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部,天津300457;2.海洋石油工程股份有限公司,天津300452)*

為滿足特殊工藝井的鉆井要求,開(kāi)發(fā)了新型鈦合金鉆桿和鋁合金鉆桿。由于鉆桿在鉆進(jìn)中易出現(xiàn)斷裂和刺穿等失效事故,為確保新型鉆桿在鉆進(jìn)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全性,對(duì)新型鈦合金和鋁合金鉆桿分別進(jìn)行了有限元分析。計(jì)算分析表明:鈦合金鉆桿的工作安全性較高,可用于深井、大位移井、水平井、大斜度井鉆井施工;鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)安全性較低,可通過(guò)增加壁厚來(lái)提高其結(jié)構(gòu)安全性。

鉆桿;鈦合金;鋁合金;有限元;安全性

隨著石油需求量的增加和科技的發(fā)展,深井、大位移井、水平井、大斜度井鉆井施工越來(lái)越多。在石油鉆井中,廣泛利用短半徑水平井、老井開(kāi)窗側(cè)鉆短半徑水平井等新技術(shù)來(lái)提高原油采收率,降低油田開(kāi)發(fā)成本,延長(zhǎng)油田開(kāi)發(fā)壽命。為了實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)要求,國(guó)外開(kāi)始利用新型材料鉆桿代替現(xiàn)有常規(guī)鉆桿,例如鈦合金鉆桿、鋁合金鉆桿、超高強(qiáng)度鋼鉆桿和復(fù)合鉆桿等新型鉆桿[1-5]。

在短半徑水平井的鉆井作業(yè)中,有些短半徑水平井的井眼曲率半徑<18 m,這會(huì)使鉆桿產(chǎn)生很大的交變應(yīng)力。實(shí)踐表明:即使低于屈服極限,這種交變應(yīng)力也會(huì)引起構(gòu)件的突然斷裂,且斷裂前無(wú)明顯的塑性變形;鉆進(jìn)時(shí)鉆桿易與套管及巖屑產(chǎn)生摩擦磨損。在石油鉆探過(guò)程中,鉆桿失效給油田帶來(lái)重大損失[6-9]。鉆具損失是造成鉆井成本增加的主要原因之一,也是影響鉆井安全高效的關(guān)鍵因素。國(guó)外部分油田使用新型鈦合金鉆桿和鋁合金鉆桿,但是在使用過(guò)程中多次發(fā)生斷裂、彎曲和刺穿等。為了尋求鈦合金鉆桿和鋁合金鉆桿在鉆進(jìn)過(guò)程中存在的技術(shù)不足,確保新型鈦合金鉆桿和鋁合金鉆桿的工作安全性,本文對(duì)新型鈦合金鉆桿和鋁合金鉆桿進(jìn)行了有限元分析[10]。

1 鉆桿安全性理論計(jì)算

1.1 軸向拉力產(chǎn)生的拉應(yīng)力

軸向拉力產(chǎn)生的拉應(yīng)力為

式中,Ft為軸向拉力,106N;A為鉆桿截面積,m2。

1.2 扭矩產(chǎn)生的剪應(yīng)力

扭矩產(chǎn)生的剪應(yīng)力為

式中,Mt為鉆桿扭矩,106N;J為鉆桿截面極慣矩, m4;r為半徑,m。

1.3 井眼彎曲產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力

井眼彎曲產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力為

式中,E為鉆桿材料的彈性模量,MPa;kb為井眼曲率。

1.4 內(nèi)壓力產(chǎn)生的拉應(yīng)力

在考慮此項(xiàng)的影響時(shí),近似認(rèn)為外壓力為零,內(nèi)壓力處處相等。根據(jù)厚壁筒理論,內(nèi)壓力產(chǎn)生的應(yīng)力為

式中,σr為徑向應(yīng)力,MPa;σθ為周向應(yīng)力,MPa;p為鉆桿內(nèi)壓力,MPa;Ri為鉆桿內(nèi)半徑,m。

1.5 應(yīng)力強(qiáng)度

對(duì)于受拉段,應(yīng)力強(qiáng)度為

對(duì)于受壓但沒(méi)有失穩(wěn)段,應(yīng)力強(qiáng)度為

對(duì)于受壓處于失穩(wěn)段,應(yīng)力強(qiáng)度為

1.6 安全系數(shù)

因?yàn)閼?yīng)力強(qiáng)度從鉆桿內(nèi)壁到外壁是變化的,因此,應(yīng)取其最大值為校核的依據(jù),安全系數(shù)為

式中,σs為材料的屈服極限,MPa;σimax為截面上峰值應(yīng)力強(qiáng)度,MPa。

2 建立鉆桿力學(xué)模型

本文模擬了?127 mm新型鈦合金鉆桿和鋁合金鉆桿,鈦合金鉆桿密度為4.1×103kg/m3,彈性模量為119 GPa,泊松比為0.34;鋁合金鉆桿密度為2.7×103kg/m3,彈性模量為 70 GPa,泊松比為0.33。進(jìn)行彈性力學(xué)分析時(shí)依據(jù)鉆桿工作工況,其模型一端固定一端自由,自由端受軸向力 F和一個(gè)沿y軸正向的扭矩Mn。其力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 鉆桿力學(xué)模型

3 鉆桿安全性有限元分析

3.1 鈦合金鉆桿

為量化研究鈦合金鉆桿結(jié)構(gòu)安全性,本文模擬了?127 mm鈦合金鉆桿在不同軸向載荷和扭矩下的峰值應(yīng)力(由鉆桿使用工況可知鉆桿在使用過(guò)程中很少存在失穩(wěn)的情況,故不作考慮。)。首先模擬了扭矩為20 000 N·m時(shí)不同軸向載荷下的鈦合金鉆桿結(jié)構(gòu)安全性。

圖2為軸向載荷為100～500 kN時(shí)所對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力曲線,可以看出,隨著軸向載荷的增大,應(yīng)力峰值也依次增大。在軸向載荷500 kN時(shí),峰值應(yīng)力為237.2 MPa。由式(8)計(jì)算可知,在工作載荷范圍內(nèi)工具的安全系數(shù)>3.3(鈦合金鉆桿屈服強(qiáng)度約為840 MPa),其結(jié)構(gòu)安全性滿足使用要求。

圖2 鈦合金鉆桿軸向載荷/扭矩對(duì)峰值應(yīng)力的影響

進(jìn)行了軸向載荷250 kN時(shí),扭矩在10 000～50 000 N·m時(shí)鈦合金鉆桿有限元分析。如圖2所示,扭矩與峰值應(yīng)力成線性增加,扭矩為 10 000 N·m,時(shí)峰值應(yīng)力為118.6 MPa;扭矩為50 000 N·m時(shí)峰值應(yīng)力為470.6 MPa。而在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)鉆桿一般承受的扭矩為6 000 N·m,基于此,鈦合金鉆桿在工作載荷范圍內(nèi)其結(jié)構(gòu)安全性滿足使用要求。圖3為鈦合金鉆桿某一個(gè)局部有限元分析應(yīng)力云圖。

圖3 鈦合金鉆桿局部應(yīng)力云圖

3.2 鋁合金鉆桿

為量化研究鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)安全性,本文模擬了?127 mm鋁合金鉆桿在不同軸向載荷和扭矩下的峰值應(yīng)力(鉆桿在工作過(guò)程中主要受軸向載荷和扭矩,其余的力對(duì)其作用相對(duì)較小)。分別模擬了扭矩為20 000 N·m時(shí)不同軸向載荷及軸向載荷為250 kN時(shí)不同扭矩下的鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)安全性。

圖4為軸向載荷為100～500 kN時(shí)鋁合金鉆桿所對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力曲線,可以看出,隨著軸向載荷的增大,應(yīng)力峰值也依次增大;軸向載荷為500 kN時(shí),峰值應(yīng)力為233.4 MPa;軸向載荷為250 kN、扭矩為10 000～50 000 N·m時(shí),扭矩與峰值應(yīng)力成線性增加。扭矩為50 000 N·m時(shí),峰值應(yīng)力為457.1 MPa。鋁合金鉆桿屈服強(qiáng)度約為150 MPa。為解決上述不足,可加厚鋁合金鉆桿的壁厚,但會(huì)造成水力性能不良。圖5為鋁合金鉆桿局部應(yīng)力云圖。

圖4 鋁合金鉆桿軸向載荷/扭矩對(duì)峰值應(yīng)力的影響

圖5 鋁合金鉆桿應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

1) 扭矩為 20 000 N·m、軸向載荷為 500 kN、峰值應(yīng)力為237.2 MPa時(shí),鈦合金鉆桿的靜安全系數(shù)在3.3以上?？梢钥闯?鈦合金鉆桿的工作安全性較高,可用于深井、大位移井、水平井、大斜度井鉆井施工。

2) 鋁合金鉆桿(ADP)屈服強(qiáng)度較小,結(jié)構(gòu)安全性較低,可在高腐蝕性、質(zhì)量輕和無(wú)磁性等某些特殊場(chǎng)合下使用,可通過(guò)增加壁厚來(lái)提高其工作安全性。

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New Type of Titanium and Aluminum Alloy Drill Pipe of Finite Element Analysis

WANG Yong-xia1,ZHANG Chuan-tao2,ZHANGBei2
(1.Technology Optimization Department,China Oilf ield Services limited,Tianjin300457,China; 2.Of f shore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin300452,China)

With the development of the modern oil industry,deep,extended reach wells,horizontal wells and high-angle well drilling in a conventional drill pipe have been unable to meet the requirements.To meet the special process of drilling wells required to develop a new type of titanium alloy drill pipe,aluminum alloy drill pipe.As the drill pipe in the drilling occurs easily in Fracture and piercing incidents such as failure,in order to ensure that the new type of drill pipe in the drilling process of structural safety,this paper finite element technology to a new titanium alloy drill pipe and drill pole for structural safety analysis.By calculating the analysis indicated that titanium drill the higher work safety,the tool can be used for deep,extended reach wells,horizontal wells,high-angle well drilling;aluminum drill pipe structure,less secure and can be plus thickwalled,or a reasonable installation location can improve their structural safety.

drill pipe;titanium alloys;aluminum alloy;finite element;security

1001-3482(2010)12-0031-03

TE921.2

A

2010-04-27

王永夏(1983-),男,天津人,工程師,主要從事桿管柱力學(xué)及測(cè)井工作,E-mail:sunghoonw@163.com。