井斜对钻具疲劳损伤的影响

李 强，郑 琪，任瑶瑶

（1.中国石油集团西部钻探工程有限公司国际工程公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.中国石油集团西部钻探工程有限公司物资采购中心，新疆 乌鲁木齐 830000；3.中国石油集团西部钻探工程有限公司玉门钻井分公司，甘肃 酒泉 735000）

1 问题提出及失效情况统计

庆1-12-75H2井是长庆油田的一口天然气井水平井，该井井眼轨迹设计采用五段制剖面，三开从1550m处开始造斜，1740~1900m为稳斜段。在该井三开微增斜段钻进及完钻后通井过程中共发生∅127mm G105钻杆刺漏7根/次，由此耽误的生产时效共计187.5h。

通过表1的统计数据可以发现，该井钻杆刺漏点位置均位于距离钻杆母接箍1.2m 之内，刺漏位置多位于井深1500~1900m之间，刚好处于该井三开造斜及稳斜井段。通过对表2 观察发现，该井1500~1900m 之间井深1730m处狗腿度最大，为4.23°/30m。由此判断，钻具刺漏可能与造斜段狗腿度过大存在一定关系。

表1 钻杆刺漏统计

2 理论基础及计算验证

根据A.Lubinski 提出的理论，钻杆在弯曲井眼中转动时将产生周期性的弯曲应力。钻杆的每旋转一周都经受从拉伸到压缩的循环应力。如果井斜角大于某一临界值，在狗腿处旋转钻杆将会引起严重的疲劳破坏。不会引起疲劳破坏的最大狗腿度计算方法如下[1-2]：

上式按规定单位代入后，得到的是每英寸多少弧度。为化成100英尺为单位，应乘以100×12，将弧度化成角度再乘以，于是可得：

其中：

对于E级钻杆，最大弯应力：

对于S135钻杆，最大弯应力：

式中：C——狗腿最大允许曲率，(°)/30m；

E——弹性模量，钢的弹性模量为30×106psi；

D——钻杆外径，in；

L——两钻杆接头间距离的一半，对于二级钻杆，取L=180in，即30ft；

T——狗腿以下的拉伸载荷，lb；

∑b——允许的最大弯应力，psi；

I——钻杆的转动惯量，in4。

由于本井使用的为G105 钻杆，查阅资料，对于G105 钻杆暂无推荐的最大弯应力计算公式，无法准确计算最大允许狗腿度，因此分别按照E 级钻杆及S135 钻杆用修正后的古德曼曲线方程计算最大允许狗腿度[3]。

接下来以第一次刺漏点位置举例。第一次刺漏点井深3330m，刺漏位置1574m，钻井液密度1.02g/cm3，浮力系数0.87，为了简化计算，不考虑钻铤、加重钻杆等。假设刺漏位置至井底全为壁厚为9.19mm 的∅127mm钻杆，线重284.58N/m，内径5in，钻杆截面积为A=π×(52-4.2522)/4=5.435(in2)；转动惯量I=π×(54-4.2524)/64=14.634(in4)。

（1）确定井深1574m处钻杆所受的拉伸载荷：

（2）确定该点所受的拉伸应力：

（3）确定该点最大许可弯应力，对于S135钻杆：

（4）确定该点K值：

（5）确定S135 钻杆在井深1747m 处的最大允许狗腿度：

以上计算以S135钻杆为例，若对于E级钻杆，由公式（5）可计算出最大许可弯应力为：

其他计算步骤与S135 钻杆相同，可算得E 级钻杆在1574m处最大允许狗腿度为5.65°/30m。

使用上述计算方法，分别计算E 级钻杆及S135 钻杆在7个狗腿位置的最大允许狗腿度，计算结果汇总如表3所示。

3 计算结果分析

由表3中的计算结果可以看出，钢级较低的E级钻杆在钻杆刺漏位置均未超出最大允许狗腿度。虽然计算的狗腿度未超出最大允许值，但是由表2中实测井眼轨迹可以看出，该井在井深1500~1900m 的范围内，多个位置狗腿度超过3°/30m，狗腿度最大处为井深1730m，达4.23°/30m，与理论计算的最大允许狗腿度值接近。考虑到本井使用的G105钻杆成色较差，钻杆疲劳寿命降低，所以分析认为狗腿度过大仍是本井钻具刺漏的主要原因之一。

另外，在井深相同情况下，越接近井筒上部，狗腿以下钻具的悬重越大，钻杆不会引起疲劳破坏的允许狗腿度越小，即钻具所受拉伸应力越大，钻杆疲劳所需的最低弯曲应力幅越小。井口附近狗腿最危险（即浅造斜点），井越深越危险[4]。表3中第7次钻具刺漏位置没有位于斜井段，而是比较接近井口，分析原因为该钻杆已存在先期疲劳损伤，在起下钻过程中倒换钻具使得该钻杆位于上部井段，因此钻杆受到的拉伸载荷较大，所以导致了钻杆的疲劳损伤进度加快，从而导致钻具刺漏。

4 本文研究的不足之处

钻杆疲劳失效的原因既与钻杆本身的结构尺寸和材料质量有关，也与钻杆的使用情况有关。本文通过计算分析，仅研究了井斜对钻具疲劳损伤的影响，实际钻进作业过程中，钻杆疲劳损伤乃至钻杆刺漏是多种因素综合导致的，如钻进参数不合理、钻井液对钻具的腐蚀、上扣时大钳对钻具本体的破坏等均可引起钻具疲劳损坏。

其次是计算狗腿位置以下钻杆浮力载荷时，为简化计算，假设狗腿位置以下全部为钻杆，未考虑加重钻杆、钻铤及螺杆等，狗腿以下钻具实际的浮重要大于计算值。另外，鲁宾斯基提出的计算最大允许狗腿度的计算公式中，假设钻杆不与井壁接触，狗腿处的钻杆曲率与井眼曲率相同，实际上，对于钻杆来说，两端有直径较大的接头，在轴向力和重力作用下，其曲率并不等于井眼曲率[5]。在实际钻井过程中，钻杆受到的交变弯曲应力更为复杂。

5 结论与建议

（1）由以上计算分析结果可知，狗腿度过大是钻具疲劳损伤的重要原因之一。

（2）在钻进过程中，合理优选钻井参数，减轻交变应力对钻具造成的疲劳损伤。

（3）对钻具进行严格的管理，及时进行检验和分级，通过软件模拟对钻具疲劳寿命做出预测，及时更换钻具，避免损伤累积导致的钻具事故。