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钻杆接头与套管摩擦磨损问题的理论与试验研究

韩勇  
【摘要】: 在深井、超深井、大斜度井、大位移井及水平井中,钻井时间延长、钻柱作用在套管上的侧向力增高,因此套管和钻柱的摩擦与磨损问题越来越突出。其直接后果是:钻柱快速磨损,导致过早失效;套管磨损会降低套管柱的抗挤强度和抗内压强度,造成套管柱挤毁、变形及泄漏,严重时造成全井报废。所以,本文在国内外研究的基础上,对钻杆与套管摩擦磨损的机理、引发的系列问题及其预防措施进行了深入研究,研究内容主要包括: 为探讨钻杆接头与套管摩擦磨损的机理,采用有限元法研究了不同载荷下接头与套管之间接触压力的分布规律,并建立了最大接触压力与磨损量的数学模型。分析结果很好地解释钻杆接头单、双边敷焊硬化带降低套管磨损的原理,为钻杆接头敷焊硬化带工艺提供了理论基础和技术依据。 对钻杆接头摩擦热裂问题进行了深入的理论分析和试验研究,阐明了钻杆接头热裂失效的机理和过程,提出了减少或防止接头热裂失效的措施。特别针对钻杆接头纵向热裂问题,提出了控制接头材料的横向韧性判据,并以现场失效案例分析为基础,经力学计算初步确定了最低横向冲击功要求,可用于完善修订API RP 7G推荐做法的有关内容。 采用有限元分析、实物试验及实验应变测量方法,研究了套管产生不均匀磨损时的挤毁失效机理及其对套管挤毁性能的影响,确定了均匀磨损和不均匀磨损对套管挤毁性能的计算方法,研究结果可直接用于套管柱强度设计和校核中。 对耐磨减摩合金的工作原理进行了研究,提出了新型耐磨减摩合金的筛选要以“平衡磨损设计”概念和“稳定性”原则为依据,并设计出3种钻杆接头硬化带用新型耐磨减摩合金,实验室磨损试验表明其性能可以达到或超过国外同类产品。 本文的主要创新点在于:以现场失效案例分析为基础,提出了钻杆接头纵向热裂的横向韧性判据;通过对已磨损套管的实物挤毁试验研究,确定了不均匀磨损套管的挤毁失效准则;设计出了具有独立知识产权的钻杆接头硬化带用新型耐磨减摩合金的成分,经实验室试验表明其性能可以达到或超过国外同类产品。


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