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三高气田钻柱设计

魏振  
【摘要】:在“三高”气田(高压、高产、高含硫气田)钻井作业期间,酸性环境和复杂应力条件造成钻柱断裂是常见钻井事故之一。目前,国内外针对三高气田钻柱设计研究不足,主要存在的问题是针对三高气田高H_2S腐蚀作业环境和复杂应力条件对钻柱强度影响研究不足,针对三高气田复杂应力环境,钻具组合设计研究不足。 本文对国内外不同井型和钻井液类型的钻柱强度计算方法对比研究的基础上,分别建立复杂应力条件下的相当应力计算模型。针对空气钻井作业中易出现的疲劳失效和断裂问题,提出了以相邻钻柱截面模量比为准则的空气钻井钻具组合设计方法,该方法对减轻钻柱变截面部位应力集中问题具有重要指导意义。针对定向井、水平井危险工况的不确定性问题,提出了在井口、造斜点和井下三种位置综合比较的钻柱强度设计方法,为定向井和水平井钻柱设计提供了理论基础。在钻柱受力分析、钻柱强度分析的基础上总结出针对三高气田不同井型和不同钻井液类型的钻柱设计方法。在钻具组合理论分析和现场应用实例归纳总结的基础上,建立了适合不同井型和不同钻井液类型的钻具组合设计数据库,以及API钻柱数据库,并编制了三高气田钻柱设计软件。通过程序完成的实例计算结果表明:现场采用的钻具组合的相邻钻柱截面模量比较大,说明应力集中严重;通过三高气田钻柱设计软件优化之后的钻具组合变截面模量系数显著降低,可以有效的降低钻铤变截面处的应力集中对钻柱强度的影响;优化之后的钻柱的整体重量显著降低,在工作安全系数没有明显降低的条件下,能够采用较低钢级的钻杆,对提高抗硫化氢应力腐蚀也有明显的帮助。


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