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新型鈦合金和鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)安全性分析

文檔作者：王永夏張傳濤張蓓文檔來源： 1．中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部 2．海洋石油工程股份有限公司			點(diǎn) 擊數(shù)：
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2010年第39卷
第12期第31頁
石油礦
0IL FIELD
場機(jī)械
EQUIPMENT 2010，39(12)：31～33
文章編號(hào)：1001—3482(2010)12-0031-03
新型鈦合金和鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)安全性分析
王永夏 。張傳濤 ，張蓓
(1．中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部，天津300457；2．海洋石油工程股份有限公司，天津300452)
摘要：為滿足特殊工藝井的鉆井要求，開發(fā)了新型鈦合金鉆桿和鋁合金鉆桿。由于鉆桿在鉆進(jìn)中易
出現(xiàn)斷裂和刺穿等失效事故，為確保新型鉆桿在鉆進(jìn)過程中的結(jié)構(gòu)安全性，對新型鈦合金和鋁合金
鉆桿分別進(jìn)行了有限元分析。計(jì)算分析表明：鈦合金鉆桿的工作安全性較高，可用于深井、大位移
井、水平井、大斜度井鉆井施工；鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)安全性較低，可通過增加壁厚來提高其結(jié)構(gòu)安全性。
關(guān)鍵詞：鉆桿；鈦合金；鋁舍金；有限元；安全性
中圖分類號(hào)：TE921．2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
New Type of Titanium and Alum inum Alloy Drill Pipe of Finite Elem ent Analysis
W ANG Yong—xia 。ZH ANG Chuan—tao ，ZH ANG Bei
(1．Technology Optimization Department，China Oilfield Services limited，Tianjin 300457，China；
2．Offshore Oil Engineering Co．，Ltd．，Tianjin 300452，China)
Abstract：W ith the development of the modern oil industry，deep，extended reach wells，horizonta1
wells and high——angle well drilling in a conventional drill pipe have been unable to meet the re——
quirements．To meet the special process of drilling wells required to develop a new type of titani—
um alloy drill pipe，aluminum alloy drill pipe．As the drill pipe in the drilling occurs easily in Frac—
ture and piercing incidents such as failure，in order to ensure that the new type of drill pipe in the
drilling process of structural safety，this paper finite element technology to a new titanium alloy
drill pipe and drill pole for structural safety analysis．By calculating the analysis indicated that ti—
tanium drill the higher work safety，the tool can be used for deep，extended reach wells，horizontal
wells，high—angle well drilling；aluminum drill pipe structure，less secure and can be plus thick—
walled，or a reasonable installation location can improve their structural safety．
Key words：drill pipe；titanium alloys；aluminum alloy；finite element；security
隨著石油需求量的增加和科技的發(fā)展，深井、大
位移井、水平井、大斜度井鉆井施工越來越多。在石
油鉆井中，廣泛利用短半徑水平井、老井開窗側(cè)鉆短
半徑水平井等新技術(shù)來提高原油采收率，降低油田
開發(fā)成本，延長油田開發(fā)壽命。為了實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)
要求，國外開始利用新型材料鉆桿代替現(xiàn)有常規(guī)鉆
桿，例如鈦合金鉆桿、鋁合金鉆桿、超高強(qiáng)度鋼鉆桿
和復(fù)合鉆桿等新型鉆桿口 ]。
在短半徑水平井的鉆井作業(yè)中，有些短半徑水
平井的井眼曲率半徑<18 m，這會(huì)使鉆桿產(chǎn)生很大
的交變應(yīng)力。實(shí)踐表明：即使低于屈服極限，這種交
變應(yīng)力也會(huì)引起構(gòu)件的突然斷裂，且斷裂前無明顯
的塑性變形；鉆進(jìn)時(shí)鉆桿易與套管及巖屑產(chǎn)生摩擦
磨損。在石油鉆探過程中，鉆桿失效給油田帶來重
大損失 ]。鉆具損失是造成鉆井成本增加的主要
原因之一，也是影響鉆井安全高效的關(guān)鍵因素。國
外部分油田使用新型鈦合金鉆桿和鋁合金鉆桿，但
是在使用過程中多次發(fā)生斷裂、彎曲和刺穿等。為
收稿日期：2010～04—27
作者簡介：王永夏(1983一)，男，天津人，工程師，主要從事桿管柱力學(xué)及測井工作，E—mail：sunghoonw@163．com。

第39卷第12期 王永夏，等：新型鈦合金和鋁合金鉆桿的結(jié)構(gòu)安全性分析
進(jìn)行了軸向載荷250 kN 時(shí)，扭矩在10 000
50 000 N·m時(shí)鈦合金鉆桿有限元分析。如圖2所
示，扭矩與峰值應(yīng)力成線性增加，扭矩為10 000
N·m，時(shí)峰值應(yīng)力為118．6 MPa；扭矩為50 000
N·m時(shí)峰值應(yīng)力為470．6 MPa。而在現(xiàn)場調(diào)研中
發(fā)現(xiàn)鉆桿一般承受的扭矩為6 000 N ·m，基于此，
鈦合金鉆桿在工作載荷范圍內(nèi)其結(jié)構(gòu)安全性滿足使
用要求。圖3為鈦合金鉆桿某一個(gè)局部有限元分析
應(yīng)力云圖。
圖3 鈦合金鉆桿局部應(yīng)力云圖
3．2 鋁合金鉆桿
為量化研究鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)安全性，本文模擬
了o127 mm鋁合金鉆桿在不同軸向載荷和扭矩下
的峰值應(yīng)力(鉆桿在工作過程中主要受軸向載荷和
扭矩，其余的力對其作用相對較小)。分別模擬了扭
矩為20 000 N ·m 時(shí)不同軸向載荷及軸向載荷為
250 kN時(shí)不同扭矩下的鋁合金鉆桿結(jié)構(gòu)安全性。
圖4為軸向載荷為lOO～500 kN時(shí)鋁合金鉆
桿所對應(yīng)的峰值應(yīng)力曲線，可以看出，隨著軸向載
荷的增大，應(yīng)力峰值也依次增大；軸向載荷為
500 kN時(shí)，峰值應(yīng)力為233．4 MPa；軸向載荷為
250 kN、扭矩為10 000～ 50 000 N ·m時(shí)，扭矩與
峰值應(yīng)力成線性增加。扭矩為50 000 N ·m時(shí)，峰
值應(yīng)力為457．1 MPa。鋁合金鉆桿屈服強(qiáng)度約為
15O MPa。為解決上述不足，可加厚鋁合金鉆桿的
壁厚，但會(huì)造成水力性能不良。圖5為鋁合金鉆
桿局部應(yīng)力云圖。
寶
趔
磐
圖4 鋁合金鉆桿軸向載荷／扭矩對峰值應(yīng)力的影響
圖5 鋁合金鉆桿應(yīng)力石圖
4 結(jié)論
1) 扭矩為20 000 N ·m、軸向載荷為500
kN、峰值應(yīng)力為237．2 MPa時(shí)，鈦合金鉆桿的靜安
全系數(shù)在3．3以上?？梢钥闯?，鈦合金鉆桿的工作
安全性較高，可用于深井、大位移井、水平井、大斜度
井鉆井施工。
2) 鋁合金鉆桿(ADP)屈服強(qiáng)度較小，結(jié)構(gòu)安
全性較低，可在高腐蝕性、質(zhì)量輕和無磁性等某些特
殊場合下使用，可通過增加壁厚來提高其工作安
全性。
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