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《中國石油和化工雜志》2015年第二期

1.降斜井段鉆具斷裂原因分析

通過對5起事故的分析，可以發(fā)現(xiàn)具有以下幾個相同點：①最大全角變化率在4.46～7.81°/25m之間；②魚頂都在全角變化率最大處；③發(fā)生鉆具斷裂時鉆速低于1.28m/h；④落魚長度在80～135m之間。從表1中可以看出，鉆具斷裂都發(fā)生在全角變化率最大的位置。濱1井前兩次鉆具斷裂位置幾乎在同一井深，該井深的全角變化率為7.81°/25m，其他幾次鉆具斷裂位置的全角變化率均在4°/25m以上，同時鉆具斷裂時的機械鉆速均不超過1.28m/h。根據(jù)虎克定律由于鉆具彎曲產(chǎn)生的應力為：σ=Ey/ρ(1)式中：σ代表應力；E代表彈性模量；y代表鉆具上某點距離中性層的距離；ρ代表鉆具彎曲曲率半徑。

鉆具在彎曲的井眼中，由于井眼的限制鉆具必然產(chǎn)生彎曲，鉆具在彎曲的狀態(tài)下，彎曲段鉆具內(nèi)部會產(chǎn)生應力，σ的大小與y成正比，也就是說鉆具上距離中性層距離越遠的位置σ值越大；σ的大小與ρ成反比，也就是說鉆具彎曲的曲率半徑越小，σ值越大；由于鉆具彎曲產(chǎn)生于井眼曲率，所以可以說井眼曲率半徑越小，σ值越大。下面我們分析y值的變化規(guī)律：我們選取彎曲鉆具最外側(cè)某一點作為研究對象，鉆具在旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)的變化規(guī)律符合下式。當SIN(Ф-ωt)=-1時，σMIN=σ=-Er/ρ，此時研究點受壓應力。

鉆具在旋轉(zhuǎn)過程中，彎曲點產(chǎn)生的應力發(fā)生周期性變化，ω越大，單位時間內(nèi)應力循環(huán)次數(shù)越多。實驗表明，當交變應力的σMAX值超過材料的疲勞強度指標時，必須經(jīng)歷一定的應力循環(huán)才可能發(fā)生疲勞破壞。這說明當機械鉆速較低，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速較高，鉆具上某一點在彎曲井眼內(nèi)的應力循環(huán)次數(shù)越多，鉆具失效的幾率也就越大。此時，鉆具彎曲在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的交變應力σMAX值達到了鉆具的屈服極限，同時機械鉆速又比較低，應力循環(huán)次數(shù)達到使鉆具發(fā)生疲勞破壞的次數(shù)，因此鉆具發(fā)生疲勞破壞。

有些井某些井段在井斜有增大趨勢時，也采用了同樣的方式進行螺桿降斜，但沒有發(fā)生鉆具斷裂事故。具體情況見表2。從表2中可以看出，除濱1井2264.90～2308.13m井段全角變化率達到5.87°/25m，其余幾口井的全角變化率均小于3.1°/25m，鉆具彎曲在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的交變應力σMAX值未達到鉆具的屈服極限，因此無論鉆速多低，都不足以使鉆具發(fā)生疲勞。濱1井2264.90～2308.13m雖然全角變化率較大，但2308.13～2480m的平均機械鉆速為2.14m/h，明顯高于其他井段的機械鉆速，雖然交變應力σMAX值達到了屈服極限，但應力循環(huán)次數(shù)未達到足以使鉆具發(fā)生疲勞破壞的次數(shù)，因此未發(fā)生疲勞破壞。

同時，我們發(fā)現(xiàn)鉆具斷裂時，落魚長度均在80～135m之間。分析其中原因，此時下部鉆鋌受到新鉆井眼的的限制，同時上部鉆鋌受到井斜角較大的老井眼的限制，此處鉆具的彎曲變形接近井眼的曲率，鉆具產(chǎn)生的彎曲變形最大，鉆具的彎曲應力最大，因此，鉆具斷裂基本都發(fā)生在糾斜后鉆進80～135m之間。

2.結(jié)論

(1)全角變化率大是造成鉆具斷裂的主要原因。(2)機械鉆速較低是造成鉆具斷裂的必要條件。(3)鉆鋌總長度的長短也是鉆具斷裂與否的影響因素。

作者：郭剛單位：大慶鉆探工程公司鉆井一公司