套管钻井套管柱疲劳寿命预测分析研究
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摘要
套管钻井系统是一项新的钻井工艺技术。是指在钻进过程中,直接采用套管取代传统的钻杆向井下传递机械能量和水力能量,井下钻具组合接在套管柱下面,边钻进边下套管,完钻后作钻柱用的套管留在井内作完井用的技术。套管钻井将钻进和下套管合并成一个作业过程,不再需要常规的起下钻作业,与常规钻井技术相比可以节约大量的钻井工时,减少井下事故,降低钻井成本。
与钻井中传统的钻杆相比,套管柱具有外径大、壁厚薄、环空间隙小等特点,其特有的性质对套管钻井作业以及后续作业具有重要的影响。其中,套管钻井中的管柱力学行为,尤其是旋转套管柱的动力学行为直接关系到套管柱在钻井过程以及后来的完井、固井中的安全和可靠性,并最终影响油气井的正常生产。因此,套管钻井中的力学行为分析对于套管钻井技术的发展具有重要意义。
本研究借助于大型有限元软件ANSYS分析技术,运用现代实验及分析手段,以套管柱力学为基础,研究在套管钻井过程中的套管柱疲劳寿命问题,为有效地提高套管钻井的效率和保障后期开采施工提供理论依据,本文主要完成了以下工作：
(1)完成了套管钻井中套管力学特性分析,包括套管钻井中套管几何特性分析,静态载荷下钻井套管柱的力学分析,动态载荷下钻井套管柱的动力学分析；
(2)同时也完成了套管钻井套管柱疲劳寿命分析,包括疲劳问题、全寿命分析及使用有限元分析软件ANSYS完成了对套管柱的疲劳寿命分析；
(3)套管钻井中套管磨损剩余强度分析,包括了磨损试验研究及套管磨损与剩余强度分析；
(4)套管螺纹接头有限元分析,介绍了常用螺纹承扭结构,并建立了套管螺纹承扭能力有限元模型。
总之本文结合钻井工程实际,分析套管柱的相关力学性能,为套管钻井技术的进一步发展,提供力学分析的技术支持,为套管钻井套管柱的研究提供了新的理论依据和方法。
Casing drilling system is a new drilling process technology. During tripping in, it can directly adopt casing to transmit mechanical energy and hydraulic energy to the well downhole instead of traditional drill pipe. The downhole drill group is connected with the bottom of the casing string. Tripping in the casing while drilling in, after finishing drilling, the casing used as the drill string is left in the well to use as the technology of well completion. The casing drilling merges the drilling-in and tripping-in casing into one operating process. It doesn't need conventional round trip any more. Compared with the conventional drilling technology, it can save much drilling working time and decrease downhole accident and cut down drilling cost.
Compared with the conventional drill pipe during drilling, the casing string has these features:big outer diameter, thin wall thickness,small annular space, etc. Its special characters have important effect on the casing string operation and later operation. Among them, the pipe string mechanical action in the casing drilling, especially the dynamic action of rotary casing string directly ralates to the safety and reliability during drilling and in the later well completion and cementing. And it finally affects the normal production of oil/gas well. So the mechanical action analysis in casing drilling has an important sense on the development of casing drilling technology.
This thesis analyzes technology with help of largy finite element software ANSYS. It uses modern experiment and analysis means to research the fatigue lifetime of casing string during casing drilling on basis of the casing string mechanics. To effeciantly raise the effeciency of casing drilling and supply theory basis of ensuring future production. This thesis mainly describes the following:
(1) It finishes the casing mechanical character analysis during casing drilling, including the geometry character analysis, the mechanical analysis of drilling casing string under static load and dynamic load;
(2) At the same time, it finishes the casing string fatigue lifetime analysis of casing drilling, including the fatigue problem, full lifetime analysis and the fatigue lifetime analysis about the casing string by using finite element analysis sofeware ANSYS;
(3) It describes about the casing wear remaining strength analysis during casing drilling, including wear experiment research and casing wear and remaining strength analysis;
(4) It describes about finite element analysis of casing thread joint. It introduces common thread bearing torque structure and establishes the finite element model of casing thread bearing torque ability.
In brief, this thesis combines the drilling engineering actuality to analyze relevant mechanical property of casing string. And it provides technological support of mechanical analysis to further development of casing drilling technology. It provides new theory basis and methods to the research of casing string of casing drilling.
与钻井中传统的钻杆相比,套管柱具有外径大、壁厚薄、环空间隙小等特点,其特有的性质对套管钻井作业以及后续作业具有重要的影响。其中,套管钻井中的管柱力学行为,尤其是旋转套管柱的动力学行为直接关系到套管柱在钻井过程以及后来的完井、固井中的安全和可靠性,并最终影响油气井的正常生产。因此,套管钻井中的力学行为分析对于套管钻井技术的发展具有重要意义。
本研究借助于大型有限元软件ANSYS分析技术,运用现代实验及分析手段,以套管柱力学为基础,研究在套管钻井过程中的套管柱疲劳寿命问题,为有效地提高套管钻井的效率和保障后期开采施工提供理论依据,本文主要完成了以下工作：
(1)完成了套管钻井中套管力学特性分析,包括套管钻井中套管几何特性分析,静态载荷下钻井套管柱的力学分析,动态载荷下钻井套管柱的动力学分析；
(2)同时也完成了套管钻井套管柱疲劳寿命分析,包括疲劳问题、全寿命分析及使用有限元分析软件ANSYS完成了对套管柱的疲劳寿命分析；
(3)套管钻井中套管磨损剩余强度分析,包括了磨损试验研究及套管磨损与剩余强度分析；
(4)套管螺纹接头有限元分析,介绍了常用螺纹承扭结构,并建立了套管螺纹承扭能力有限元模型。
总之本文结合钻井工程实际,分析套管柱的相关力学性能,为套管钻井技术的进一步发展,提供力学分析的技术支持,为套管钻井套管柱的研究提供了新的理论依据和方法。
Casing drilling system is a new drilling process technology. During tripping in, it can directly adopt casing to transmit mechanical energy and hydraulic energy to the well downhole instead of traditional drill pipe. The downhole drill group is connected with the bottom of the casing string. Tripping in the casing while drilling in, after finishing drilling, the casing used as the drill string is left in the well to use as the technology of well completion. The casing drilling merges the drilling-in and tripping-in casing into one operating process. It doesn't need conventional round trip any more. Compared with the conventional drilling technology, it can save much drilling working time and decrease downhole accident and cut down drilling cost.
Compared with the conventional drill pipe during drilling, the casing string has these features:big outer diameter, thin wall thickness,small annular space, etc. Its special characters have important effect on the casing string operation and later operation. Among them, the pipe string mechanical action in the casing drilling, especially the dynamic action of rotary casing string directly ralates to the safety and reliability during drilling and in the later well completion and cementing. And it finally affects the normal production of oil/gas well. So the mechanical action analysis in casing drilling has an important sense on the development of casing drilling technology.
This thesis analyzes technology with help of largy finite element software ANSYS. It uses modern experiment and analysis means to research the fatigue lifetime of casing string during casing drilling on basis of the casing string mechanics. To effeciantly raise the effeciency of casing drilling and supply theory basis of ensuring future production. This thesis mainly describes the following:
(1) It finishes the casing mechanical character analysis during casing drilling, including the geometry character analysis, the mechanical analysis of drilling casing string under static load and dynamic load;
(2) At the same time, it finishes the casing string fatigue lifetime analysis of casing drilling, including the fatigue problem, full lifetime analysis and the fatigue lifetime analysis about the casing string by using finite element analysis sofeware ANSYS;
(3) It describes about the casing wear remaining strength analysis during casing drilling, including wear experiment research and casing wear and remaining strength analysis;
(4) It describes about finite element analysis of casing thread joint. It introduces common thread bearing torque structure and establishes the finite element model of casing thread bearing torque ability.
In brief, this thesis combines the drilling engineering actuality to analyze relevant mechanical property of casing string. And it provides technological support of mechanical analysis to further development of casing drilling technology. It provides new theory basis and methods to the research of casing string of casing drilling.
引文
[1]李春吉,单正明,孟祥奎.套管钻井技术简介[J].石油钻探技术,2002,30(6)：1.
[2]陈维荣,黄涛.国外套管钻井技术的发展和现状.石油钻探技术,2002,30(1)：16-18
[3]黄志潜.套管钻井及其钻井装备.国外石油机械,Vo 1.9,No.4,1998,PP.61-62
[4]RobertM. Tessari, "Casing Drilling, A Revolutionary App roach to Reducing Well Costs", International Petroleum Techno logy Exhibit ion, Mexico City, Nov.15-18,1998
[5]王俊芳.国外套管钻井技术综述. 断块油气田2001年11月第8卷第6期
[6]汪海阁.降低钻井费用的革新方法—套管钻井国外石油机械1998年8月第10卷第4期
[7]黄志潜.再谈套管钻井技术及其装备, 国外石油机械, 第十卷第一期
[8]黄胜利.套管钻井系统的设计与应用,石油机械,2001年 第29卷第3期
[9]春花.套管钻井——降低钻井成本的重要方法世界石油工业,2000,7(9)：26-28
[10]Snyder R ElConoco/Tesco Casing Drilling RigslWorld Oil,2002,223
[11]牛洪波.导向套管钻井技术,国外油田工程第21卷第6期(200516)
[12]张兰江Tesco底部钻具可回收式套管钻井系统石油机械2003年第31卷第12期
[13]宋金初.套管钻井新工艺断块油气田2004年9月
[14]王力.套管钻井技术将具有广阔的发展应用前景[C].吉林省第三届科学技术学术年会论文集,2004年
[15]韦实.套管钻井——降低钻井成本的一种途径 世界石油工业,1999,6(11)
[16]赵力国.套管钻井是一种有效的钻井方法 国外油田工程第19卷第5期(200315)
[17]聂上振.套管钻井工艺技术石油钻采工艺2000年(第22卷)第3期
[18]吉尔·盖保德,琼—保罗·谷云[法].钻井数据手册(第六版)[M].王子源等译.北京：地质出版社,1995.
[19]徐惠峰.钻井技术手册(三)·固井[M].北京：石油工业出版社,1990.
[20]沙东,王光奇,李健等.套管钻井技术在庄海5井中的应用[J].石油钻探技术,2003,31(6)：23-24.
[21]闫相祯,高进伟,杨秀娟.套管钻井用套管柱的若干力学分析与CAE仿真.2006年ANSYS中国用户年会论文集
[22]宋生印,杨龙等.套管钻井用套管与地层岩石磨损的试验研究.石油钻探技术,2004年12月,V32(N06),P1-3。
[23]杨秀娟,杨恒林.热采井套管三轴预应力设计分析.大港油田集团公司
[24]王兆会,高得利.热采井套管损坏机理及控制技术研究进展.石油大学油气井工程学科.2003
[25]陈红伟,范春,王海祥等.套管损坏地质因素分析及控制技术石油钻采工艺,2002,24(2)：25-27
[26]刘喜林.难动用储量开发稠油开采技术.北京：石油工业出版社,2005
[27]王仲茂等编著.油田油水井套管损坏的机理及防治.北京：石油工业出版社,1994
[28]刘合,任志刚.油田套管损坏防治技术.北京：石油工业出版社,2003
[29]徐立雄.泥岩段套管损坏机理的有限元分析计算.西南石油大学硕十研究生论文.2005
[30]郝俊芳,龚伟安.套管柱的强度计算与设计.北京：石油工业出版社,1987
[31]房军,岳伯谦,赵怀文,徐龙光.非均匀地应力作用下套管和水泥环表面受力特性分析.石油大学学报(自然科学版).1997,21(1)：46-50
[32]房军,谷玉洪,米丰珍.非均匀载荷作用下套管挤压实效数值分析.1999,27(7)：34-40
[33]盛国富.水泥环对套管强度影响的理论和实验研究.付平：委内瑞拉,ANACO油田田AM-102水平井钻井技术
[34]马旭,龚伟安,谢建华,赵文.套管水泥环的室内破坏实验及力学分析.石油机械,2000,28(4)：15-20
[35]赵俊平,崔海清.套管水泥环组合抗挤强度模型与模拟计算.大庆石油学院博士研究生学位论文.2003
[36]林凯,杨龙,史交齐.水泥环对套管强度影响的理论和实验研究.石油机械,2004,32(5)：13-19
[37]赵俊平,崔海清.套管水泥环组合抗挤强度模型及其弹性分析
[38]练章华,赵国珍,董范等.套管变形预防措施的计算机仿真分析.石油机械,1995,23(4)
[39]JiangWu.Casing emperature and stress Analysis in steam-injection wells.Spe103882.2006
[40]叶永彪.孔套管是三维有限元分析.西南石油大学硕士研究生论文.2006
[41]邓金银.水泥环性质对套管外载影响的模拟试验.石油大学学报(自然科学版),1997,21(6)：24-30
[42]代立强.注水导致套管损坏机理及力学模型研究.中国科学院研究生院硕十学位论文,2003
[43]刘杰,宋惠,汪于杰,张义元井眼附近地应力分布的三维数值模拟地质力学学报,1999,5(1)：38-45
[44]王素玲.套损井修复中水泥环的损坏研究.大庆石油学院硕士研究生学位论文,2002
[45]陈会军.泥岩的本构方程及油水井套管剪切破坏机理的研究.哈尔滨工程大学博十学位论文,2002
[46]刘清友,王国荣,刘峰.套管的计算机辅助设计软件研制.石油机械,2000,28(2)：37-41
[47]杨龙.套管失效机理研究.西南石油大学博士学位论文,2003
[48]宋明,杨凤香,宋胜利等.固井水泥环对套管承载能力的影响规律,2002,24(4)：7-11
[49]汪天庚,张发展,段婷婷.双层组合套管非对称挤压下的强度计算.1995,17(1)：31-37
[50]张效羽.套管有限元计算的若干问题分析.天然气工业,2001,21(2)：62-66
[51]林永学.三轴应力状态下页岩水化破坏试验研究.石油钻探技术,1996,1
[52]陈良森,李长春.关于岩石的本构关系.力学进展,1992,22：173-181
[53]陈惠发.土木工程材料的本构关系、塑性与建模.武汉：华中科技大学出版社,2001,2
[54]张百龙等.岩石压力对套管损坏的影响和防治途径.大庆石油学院报,1987,2
[55]练章华,施太和.膨胀套管计算机仿真分析.天然气工业,2003,23(4)：41-43
[56]龚曙光,谢桂兰ANSYS操作命令与参数化编程.北京：机械工业出版社,2004
[57]李学忠等.高压异常地层局部双层组合套管的设计及应用.断块油气田,1997,4(5)：42-45
[58]龚伟安.论非均匀壁厚椭圆套管的抗挤强度计算.石油矿场机械,1977, (5)：41-52
[59]Fredrich J T.Reservior Compaction Surface Subsidence and Casing Damage.SPE65354, JPT,1998 (12)
[60]Joao C.R.Stress Analysis of Casing String Submitted to Cyclic Steam Injection.SPE38978,1997
[61]张允真,曹富新.弹性力学及其有限元法.北京：中国铁道出版社.1983
[62]肖树芳,杨淑碧.岩体力学.北京：地质出版社.1987
[63]陈晓霞ANSYS7.0高级分析.北京：机械工业出版社.2004
[2]陈维荣,黄涛.国外套管钻井技术的发展和现状.石油钻探技术,2002,30(1)：16-18
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[14]王力.套管钻井技术将具有广阔的发展应用前景[C].吉林省第三届科学技术学术年会论文集,2004年
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[46]刘清友,王国荣,刘峰.套管的计算机辅助设计软件研制.石油机械,2000,28(2)：37-41
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