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套管钻井完钻后剩余强度和剩余寿命预测研究? 宋生印 杨 龙 林 凯 中国石油天然气集团公司管材研究所 [摘要] 在实验室分别针对钻井套管进行大量的磨损试验，以及比例尺寸试样疲劳的基础上，借助计算机仿真技术和有限元分析技术对套管柱的疲劳强度、疲劳寿命、剩余抗挤强度等问题进行研究，归纳总结出了一套比较完善的剩余强度、剩余寿命预测方法，为套管钻井中套管柱的设计、计算奠定了的理论基础。 [关键词] 套管钻井 磨损 临界尺寸 剩余强度 疲劳寿命 前言 尽管套管钻井技术的出现打破了钻井需要钻杆这一传统的技术思想，将井下破岩钻进和下套管作业同步，具有钻井与完井一体化的技术特征，使得钻井工艺及其装备出现了革命性的变化[1][2][3][4][5]。但显然，将传统的套管柱用作钻柱，本身具有极大的挑战性。因为不论是与固井中的套管相比，还是与钻井中传统的钻杆相比，用于钻井工程的套管柱都面临着更为苛刻的工作状况。 与钻井中传统的钻杆相比，套管钻井套管柱在结构上具有外径大、壁厚薄等特点，并且不能使用钻铤，钻压全由套管柱本身的重量来施加，从而井眼中的套管柱很容易发生屈曲，使得钻井过程中套管柱不可避免的会与井壁等其它结构不断接触，发生摩擦、磨损等现象导致套管外表面出现磨损缺陷，从而降低了套管的剩余强度。而套管钻井中的套管柱不仅仅要保证钻井作业的正常进行，还必须确保套管在钻井完成后具有足够的剩余强度以便能够完成后续的固井、完井以及生产作业。因此，对外表面含缺陷套管的剩余强度预测成为广大钻井技术工作者关注的焦点问题，也已经成为套管钻井技术得以普及的一个前提。 套管钻井中，套管的受力比固井套管要复杂得多，工作环境更加恶劣，套管不仅要承受轴向力、外挤力、内压力，还要承受扭矩，弯曲和冲击振动（纵向、横向和扭转振动）等载荷的作用。套管开始在套管钻井中服役时，疲劳破坏在循环载荷的作用下持续且不可恢复地作用于套管柱，导致套管疲劳裂纹的产生，即使套管在钻井过程中没有发生疲劳破坏或者屈曲失稳等严重的失效形式，但不可避免地降低了钻井套管的剩余强度和剩余寿命。因此，如何有效提高套管柱的抗疲劳失效能力和剩余强度，减少套管在钻井过程乃至后续的作业过程中失效事故的发生，对套管钻井中的套管柱进行疲劳分析，全面掌握套管钻井中套管柱的疲劳强度以及疲劳强度与寿命之间的关系，准确预测套管的剩余寿命则是有效提高套管柱的抗疲劳失效能力和剩余强度的基础性工作。 从国内外文献调研情况发现，目前还没有一套用来评价套管钻井完钻后套管柱的剩余强度、剩余寿命的完善的技术方法，我们在实验室分别针对钻井用J55钢级套管、N80钢级套管和P110钢级套管进行大量的磨损试验[6]，以及比例尺寸小试样疲劳的基础上，借助计算机仿真技术和有限元分析技术对套管柱的疲劳强度、疲劳寿命、剩余抗挤强度等问题进行研究，归纳总结出了一套比较完善的剩余强度、剩余寿命预测方法，为套管钻井中套管柱的设计、计算提供一定的理论基础。 磨损试验研究 2.1 套管钻井套管柱侧向力 为了进行磨损试验，首先必须要确定套管钻井时套管柱与地层岩石的接触压力，中国石油大学高德利等[6]人在研究套管钻井套管柱屈曲和弯曲行为时，用能量法推导出了直井中套管柱屈曲后，套管柱与井壁之间接触力的计算公式： （1） 其中 h—单位长度套管柱侧向力，N/m；r—井眼半径，m；EI—抗弯刚度，N?m；T—扭矩，N?m；F—钻压，N。 根据已经开展陆上套管钻井先导性试验时现场的作业参数，用公式（1）分别对三种套管钻井用套管（5?×7.72mmP110钢级套管、7?×6.91mmJ55钢级套管和13 3/8?×9.65mmJ55钢级套管）进行计算，求得接触力的范围为2.5~6.5kg/cm2。为了研究相对苛刻条件下套管柱与岩石之间的滑动磨损情况，在试验室试验时选择接触力的范围为2~8kg/cm2。 2.2 钻井套管与地层岩石磨损的试验研究 为了从最坏的角度评价套管钻井完钻后套管柱的剩余强度，我们选用研磨性比较强的砂岩对套管钢样进行磨损的试验，并且为了使试验结果更真是、可靠，并与钻井过程中所钻遇的砂岩具有相同或类似的性能，我们专门到煤矿井下采集埋深288m的二叠系石千峰组紫红色砂岩进行。试验用试样按照国家标准GB12444.1-90[7]“金属磨损试验方法—MM型磨损试验”进行加工。砂岩通过特殊的石材加工，使其成为如图1所示的圆环形状；将套管展平后加工成如图1所示的形状。 砂岩试样套管钢样 砂岩试样 套管钢样 图 SEQ 图表 \* ARABIC 1 加工好的试样 通过一系列的试验，获得了大量的试验数据，分别如图2、图3所示。图2是以自来水作为接触介质，分别在三种接触压力（2kg/cm2、4kg/cm2、8kg/cm2）条件下用砂岩试样磨损套