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直井钻柱安全可靠性分析方法研究

李文飞  
【摘要】: 现场资料分析表明,80%的钻柱失效是由于疲劳引起的。采用理论分析的方法,并与现场数据相结合,对直井钻柱的安全可靠性进行了分析研究。 钻柱发生屈曲变形,随着钻柱的转动而产生振动,引起钻柱上应力的交替变化,在交变应力作用下,钻柱上的疲劳裂纹不断扩展导致钻柱断裂。根据能量原理推导了钻柱屈曲变形后节距与钻压、转速、扭矩之间的关系模型,为确定钻柱在井眼中的位置,计算钻柱应力提供帮助。在钻柱应力分析的基础上,考虑疲劳因素,建立了钻柱强度的校核模型,与常规方法只基于静载相比,提高了钻柱强度设计的安全性。结合现场数据,分析了钻柱疲劳强度系数随钻井参数的变化规律,得出了随钻压、转速、井深的增加而减小的重要结论,且应用结果也说明了钻柱强度校核必须考虑疲劳的重要性。通过钻柱接头螺纹的受力分析,建立了螺纹牙在轴向载荷和弯曲载荷作用下的变形协调方程,并根据边界条件,推导出了每圈螺纹牙所受载荷的计算公式。结果表明,当钻柱接头受力不变时,随着螺纹牙底倒角半径的增大,螺纹处的应力集中系数是降低的;而强度系数是增大的。 基于钻柱疲劳S ? N曲线及修正的Miner线性疲劳累积损伤理论,建立了一种关于钻柱疲劳累积损伤的计算方法,便于钻柱疲劳损伤的度量。算例表明,随着井深的增加,钻柱损伤是减小的;随着转速的增大,钻柱疲劳损伤是增加的,顺序向下倒换钻柱是最佳方法,且倒换6次后钻柱整体损伤趋于平衡。同时,推导出了钻铤疲劳S ? N曲线表达式,能够计算一定可靠度下钻铤的疲劳寿命,便于工程应用。 在钻柱受力分析的基础上,提出钻柱上的疲劳裂纹是张开型与撕开型表面复合型裂纹的假设,比较接近实际钻柱,并建立了张开型与撕开型表面复合型裂纹扩展速率的计算模型。分析表明,随着钻压、转速的增加,钻柱的循环次数是减小的。 根据钻柱尺寸参数、材料特性参数、钻进参数等数据的分布规律,基于可靠性理论,从概率的角度建立了钻柱可靠度的计算方法,克服了安全系数选取时的经验性,具有一定的先进性。


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