Page 68 - 理化检验-物理分册2022年第五期

陈 猛, 等: 某井 S135 钢级钻杆断裂原因

为靠近工具接头处管体扭矩; K 为浮力
伸载荷; M 0
F e
K = ( 2 )
EI 系数; k 为井眼曲率; k c 为临界井眼曲率; σ b 为弯曲
Kl / 2 应力。
M 0 = ·
tanh ( Kl / 2 ) 第二种情况: 钻杆与井壁接触, 即k>k c 时有

(/
2

(/
2

W b p l2 ) sin ( θ ) W b p l2 ) sin ( θ )
EIk- + M 0 = +
2
( Kl / 2 ) ( Kl / 2 )
2

W b p l / 2 ) sin ( θ ) ( 3 ) ( Kl / 4 ) W b p l / 2 ) sin ( θ )
(
2
(
2

EI ( Kl / 2 ) tanh ( Kl / 4 ) · EIk- ( Kl / 2 ) +

2
2

2 )
r o
σ b = M 0 ( 4 ) 2 ( Kl / 4 ) tanh ( Kl / 4 ) 2 EI·( r t- r o ( 5 )
·

2 · I ( Kl / 4 ) tanh ( Kl / 4 ) l 2
-
为管体外径; l 为钻杆长度;
式中: r t 为接头外径; r o
r o ( 6 )
E 为弹性模量; I 为钻杆管体的管性矩; θ 为越过钻 σ b = 2 · I M 0
为轴向拉
为钻杆单位浮重; F e 钻杆计算参数如表6所示, 计算结果如表7所示。
杆平均井斜角; W b p
表 6 钻杆计算参数
-1 ) 平均井斜角 /( ° )
钻杆外径 / mm 钻杆壁厚 / mm 接头外径 / mm 线重 /( k g · m 弹性模量 / MPa 钻杆长度 / mm

101.6 9.652 133.35 27.3048 9.9702 205946.39 6172.2
表 7 钻杆管体弯矩计算及对应的应力 失效钻杆断点的最大应力急剧增大 [ 3-5 ] 。
靠近接头 上述有限元分析采用的载荷应力均为静载荷,
井眼曲率 / 管体弯曲
钻杆状态 钻杆管体
拉力 / kN 但由于钻杆在钻井解卡中, 受到的载荷应力均为动
-1 ]
[( ° )· 30m 应力 / MPa
弯矩 /( N · m )
载荷, 材料在动载荷的作用下, 瞬间应力峰值远比对

4.3 k≤k c 580 6948 118 应施加的静载荷大。目前关于钻井动载荷的研究资

7.0 k>k c 580 14850 253 料相对匮乏, 一般从试样的形貌上进行反推, 然后进

18.0 k>k c 580 32995 563 行模拟计算。

3.2 失效钻杆断点位置受力有限元模拟分析
4.3 k>k c 2100 18377 313

失效钻杆断点处于侧钻窗口底部, 解卡的过程
7.0 k>k c 2100 26850 458

中失效钻杆在该区域上下活动, 并且部分井段的井
12.3 k>k c 2100 43482 740

18.0 k>k c 2100 61369 1047
眼不规则, 使得钻杆承受较大的反复弯曲作用, 钻杆
在该区域内主要受到拉力和弯矩作用, 内外压差很
将表 7 中的数据, 先根据钻井解卡的参数进行
小, 可以忽略不计。
模拟计算, 代入最大的拉力及井眼曲率, 计算得到失
效钻杆断点承受的最大应力为 118 MPa , 该应力较 建立三维模型, 对 106mm ( 外径) 钻杆管体受到

小, 在失效钻杆的安全范围内。 拉弯组合应力的状态进行有限元分析, 在管体一段截
考虑到钻杆断裂的位置较为特殊, 在侧钻井的 面上加载拉伸及弯曲载荷, 设置钻杆加载的拉伸载荷

窗口底部, 紧挨窗口附近的井段, 由于硬度的变化和 为580kN ; 弯矩分别为 6948N · m , 14850N · m 和

角度的关系, 钻进过程中钻头极易出现摆动, 留下的 32995N · m , 分析钻杆在不同井眼中复合载荷作用
井眼局部区域形状不规则, 使得部分区域的井段出 下的应力情况, 结果见图 6 。有限元分析结果表明,
现井眼曲率急剧增大。井况资料提供的井眼曲率采 当拉力相同时, 钻杆受到的最大应力随着弯曲幅度

用的是每隔 30m 测出的数值, 然而在实际情况下, ( 弯矩) 的变大而增加明显。
尤其是侧钻窗口( 造斜点) 以下局部区域井眼会出现
4 分析与讨论

不平整或者轨迹幅度变大等情况, 使得这 30m 区

域内的钻杆受到较大角度的弯曲应力作用。分别代 断裂钻杆的化学成分满足 APIS p ec5DP — 2009

入井眼曲率 7.0° / 30 m , 18.0° / 30 m , 计算得到最大 标准要求; 抗拉强度满足标准要求, 但是该钻杆正常

的应力分别为 253 MPa 和 563 MPa 。由上述分析 区域 的 屈 服 强 度 为 740 MPa , 远 低 于 APIS p ec

可知, 在同样的拉力作用下, 随着井眼曲率的增加, 5DP — 2009 标 准 要 求 的 931MPa~1138MPa , 屈
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