一种钻柱疲劳失效风险的评价方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种钻柱疲劳失效风险的评价方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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IO7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】
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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:
al.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(° )。
[0010]所述步骤b中建立钻柱动力学有限元模型具体步骤如下:
bl.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:
【权利要求】
1.一种钻柱疲劳失效风险的评价方法，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的钻柱疲劳失效风险的评价方法，其特征在于，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: al.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，即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(° )。
3.根据权利要求1所述的钻柱疲劳失效风险的评价方法，其特征在于，所述步骤b中建立钻柱动力学有限元模型具体步骤如下: bl.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:
4.根据权利要求1所述的钻柱疲劳失效风险的评价方法，其特征在于，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: Cl.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:
5.根据权利要求1所述的钻柱疲劳失效风险的评价方法，其特征在于，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步骤如下: dl.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:
【文档编号】E21B17/00GK103967428SQ201410154692
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2014年4月18日
【发明者】狄勤丰, 王明杰, 李宁, 陈锋, 王文昌 申请人:上海大学