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考虑动载荷的钻杆接头剩余寿命分析

固体力学学报 2025年

作者：刘泰辰李斌于富盛苏明西南石油大学机电工程学院中国石油西南油气田分公司安全环保与技术监督研究院

由于深井、超深井的钻井环境及钻具组合较为复杂，导致井下振动载荷加剧，会引发钻杆接头疲劳裂纹扩展失效，钻杆提前报废。针对上述问题本文开展如下研究：建立钻杆接头动力学计算模型，分析钻杆接头在井下所受的轴向力、扭矩及弯矩；... 详细信息

由于深井、超深井的钻井环境及钻具组合较为复杂，导致井下振动载荷加剧，会引发钻杆接头疲劳裂纹扩展失效，钻杆提前报废。针对上述问题本文开展如下研究：建立钻杆接头动力学计算模型，分析钻杆接头在井下所受的轴向力、扭矩及弯矩；建立钻杆接头有限元分析模型，判断钻杆接头受力是否满足材料强度要求；建立钻杆接头裂纹扩展模型，分析接头的剩余寿命。得出结论：通过与室内实验对比，证明建立的动力学计算模型有效，计算出在目标环境下，钻杆接头所受载荷值分别为13.11kN轴向力、35■扭矩（含上扣扭矩）及0.75■ 弯矩；通过复合载荷分析，内外螺纹接头所承受的最大Mises应力为551.2MPa、323.2MPa，符合材料强度要求；钻杆接头螺纹萌生的裂纹以张开型裂纹为主，其深度对于裂纹扩展的影响要大于其长度；当前工况下，裂纹的最小扩展尺寸为3mm×2mm ，该尺寸下的剩余寿命为126820次。

关键词：钻杆接头动力学计算有限元分析裂纹扩展分析

储气库生产管柱监测评价融合方法提升油气井注采安全

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石油钻采工艺 2025年

作者：张健楠张伟雷颖张健敬佳佳中国石油英东油田分公司井下作业公司西南石油大学机电工程学院

（目的意义）为确保储气库油气井长期稳定生产，井筒完整性检测与评价技术的创新至关重要。（方法过程）为此，创新性地提出井筒完整性监测评价融合方法，该方法集成了气体动力测井仪、电磁探伤检测仪、伽马-中子探伤仪以及能谱中子伽... 详细信息

（目的意义）为确保储气库油气井长期稳定生产，井筒完整性检测与评价技术的创新至关重要。（方法过程）为此，创新性地提出井筒完整性监测评价融合方法，该方法集成了气体动力测井仪、电磁探伤检测仪、伽马-中子探伤仪以及能谱中子伽马测井仪等多元检测技术，并配套了基于检测数据的生产套管剩余强度与剩余寿命的综合评价方法。该方法不仅能准确定位并识别井筒失效位置及类型，同时能够评价生产套管的使用条件并预测其剩余寿命。（结果现象）在冀东储气库的恶劣环境下，该方法已成功应用于多井次检测，不仅成功确定泄露点、油套管腐蚀状况及管外气体聚集区等情况，并且基于检测数据对生产套管剩余强度和剩余寿命进行评价，明确了生产套管安全生产操作条件以及预测其剩余寿命。成功实现了对井筒完整性更为全面、深入的检测与评价，有效弥补单一检测技术的局限性。（结论建议）通过研究和现场试验结果表明，该技术为储气库注采生产提供指导依据，也为油藏建库提供技术支撑。

关键词：储气库井筒完整性环空带压检测套管漏失强度寿命

15CrNiMo牙爪用钢渗碳热处理的组织和性能的研究

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机械工程师 2025年第1期 142-144,148页

作者：纪文胜曹哲伍艳秋黄本生钟林王国荣鞍钢集团矿业公司辅助材料厂辽宁鞍山114031 西南石油大学新能源与材料学院成都610500 西南石油大学机电工程学院成都610500

为了使三牙轮钻头的性能能够满足油田、矿山钻井工程中的严格要求,研究了三牙轮钻头牙爪用钢15CrNiMo经渗碳热处理后的组织、碳含量和硬度等参数。研究结果表明:经过表面渗碳处理后,15CrNiMo的表层组织主要为针状马氏体+残余奥氏体,过... 详细信息

为了使三牙轮钻头的性能能够满足油田、矿山钻井工程中的严格要求,研究了三牙轮钻头牙爪用钢15CrNiMo经渗碳热处理后的组织、碳含量和硬度等参数。研究结果表明:经过表面渗碳处理后,15CrNiMo的表层组织主要为针状马氏体+残余奥氏体,过渡层组织主要为少量针状马氏体和板条马氏体,心部主要为板条马氏体+少量铁素体;从表层到心部,碳含量由0.663%逐渐下降到0.18%;从15CrNiMo渗碳钢的表面到心部,显微硬度呈先增加后减小的趋势,表面硬度约为60HRC,最大硬度在距表面0.5mm处取得,约为60.94HRC,心部硬度最小约为26HRC。

关键词：渗碳热处理组织硬度碳含量

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定向穿越管道的挤毁失效及其防护装置的设计

天然气工业 2015年第11期35卷 91-96页

作者：张杰梁政韩传军西南石油大学机电工程学院

定向穿越敷管技术由于其特殊优势,被越来越多地应用于油气管道敷设,但复杂的地质条件又极易导致穿越管道挤毁失效,对油气输送安全造成严重威胁。为此,针对复杂地层中穿越管道的挤毁失效行为,分析了其失效原因,主要是由孔壁失稳、地层沉... 详细信息

定向穿越敷管技术由于其特殊优势,被越来越多地应用于油气管道敷设,但复杂的地质条件又极易导致穿越管道挤毁失效,对油气输送安全造成严重威胁。为此,针对复杂地层中穿越管道的挤毁失效行为,分析了其失效原因,主要是由孔壁失稳、地层沉降和地下水渗流等所导致的。进而基于管材非线性及管土耦合作用,建立了无缺陷和凹陷穿越管道的挤毁数值计算模型,并对其挤毁行为进行了研究。结果表明:①无缺陷管道与凹陷管道的挤毁失效模式不同,完整穿越管道的挤毁过程可分为6个阶段,管道横截面经历了椭圆形、"新月"形、"葫芦"形及"8"字形变化过程;②而凹陷管道的挤毁过程可分为5个阶段,管道横截面经历了"心"形、"新月"形、"葫芦"形及"8"字形变化过程;③围土压力越大,管道的挤毁失效后果越严重。最后,设计了一种结构简单、易于操作且具有自主知识产权的定向穿越管道用防护装置,可以有效降低管道发生凹陷、挤毁等失效的概率,延长管道使用寿命,可用于穿越危险地层的油气管道防护。

关键词：长输油气管道穿越管道挤毁失效数值模拟等效塑性应变防护装置管道使用寿命

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水平井钻柱动态摩阻扭矩计算与分析

天然气工业 2018年第8期38卷 75-82页

作者：祝效华李柯安家伟西南石油大学机电工程学院

国内近年的页岩气开采水平井井型主要有常规水平井、大斜度井和勺型水平井,为便于施工决策,有必要对上述3种井型的摩阻扭矩特性、钻压传递效率、重点关注井段或环节、极限延伸钻进长度等进行研究。为此,以上述3种水平井井型为分析对象,... 详细信息

国内近年的页岩气开采水平井井型主要有常规水平井、大斜度井和勺型水平井,为便于施工决策,有必要对上述3种井型的摩阻扭矩特性、钻压传递效率、重点关注井段或环节、极限延伸钻进长度等进行研究。为此,以上述3种水平井井型为分析对象,基于全井钻柱动力学模型和全井钻柱系统动态特性仿真计算,探究了其摩阻扭矩、载荷传递和延伸钻进情况,并在四川盆地长宁地区的3口对应井型页岩气井进行了现场应用实验。研究结果表明:(1)勺型水平井造斜段后半段的接触摩擦强度很高,造斜段后段接触强度是稳斜段接触强度的1.67倍,造斜段的总接触力是大斜度水平井的1.62倍;(2)大斜度水平井稳斜段的接触摩擦强度不仅高于造斜段,而且也高于相同井深的3种井型中的任一特征段;(3)3种井型延伸钻进中钻柱的工作应力都不大,但对于勺型水平井的弯曲段,延伸钻进时还需要重点关注稳斜段钻柱的扭断问题;(4)勺型水平井的钻压传递效率低于常规水平井和大斜度井。结论认为,该研究成果初步揭示了3种页岩气水平井井型的摩阻扭矩特性和主动载荷传递机理,指出了安全评估重点关注井段,对页岩气水平井的高效安全施工具有参考价值。

关键词：页岩气常规水平井大斜度井勺型水平井接触摩擦强度扭矩钻压传递效率极限延伸钻进长度

蠕滑力饱和条件下钢轨吸振器抑制短波波磨的理论研究

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振动与冲击 2019年第14期38卷 68-73,111页

作者：钱韦吉黄志强西南石油大学机电工程学院

在一定条件下,钢轨吸振器对钢轨短波波磨具有良好的预防和抑制作用。然而,其抑制机理尚不明确。从蠕滑力饱和条件下,轮轨摩擦耦合自激振动引发钢轨短波波磨的角度,研究了钢轨吸振器抑制短波波磨的作用机理。理论分析结果显示钢轨吸振器... 详细信息

在一定条件下,钢轨吸振器对钢轨短波波磨具有良好的预防和抑制作用。然而,其抑制机理尚不明确。从蠕滑力饱和条件下,轮轨摩擦耦合自激振动引发钢轨短波波磨的角度,研究了钢轨吸振器抑制短波波磨的作用机理。理论分析结果显示钢轨吸振器的抑制频率区间与钢轨短波波磨的发生频率相重合。并且,钢轨吸振器能有效降低轮轨系统的摩擦自激振动强度,减小轮轨间法向接触力的波动幅度,进而能预防和抑制钢轨短波波磨的产生和发展。增大钢轨吸振器与轨腰之间的连接阻尼和连接刚度能增加轮轨系统的振动稳定性,有利于降低轨面发生短波波磨的可能性。

关键词：钢轨吸振器短波波磨抑制

适用于深水浅层非成岩天然气水合物固态流化开采的伞式工具

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天然气工业 2019年第3期39卷 133-139页

作者：宋震孙颖李凯莉吕忠蕾孙浩铭西南石油大学机电工程学院

为了解决已有的天然气水合物(以下简称水合物)采掘工具不适用于大规模、大范围矿层开采而影响开采效率和经济性的问题,基于水合物固态流化开采法的技术思路及工艺特点,设计研发了一种可用于破碎并收集水合物的伞式工具;依据开采工况建... 详细信息

为了解决已有的天然气水合物(以下简称水合物)采掘工具不适用于大规模、大范围矿层开采而影响开采效率和经济性的问题,基于水合物固态流化开采法的技术思路及工艺特点,设计研发了一种可用于破碎并收集水合物的伞式工具;依据开采工况建立了该伞式工具的三维结构模型,并通过仿真对其进行了稳态力学模拟分析,进而对其开采效果进行了预估。研究结果表明:①伞式工具处于工作状态时,工具整体不会发生失稳现象,最大应力处发生在刀翼与外管杆的连接处,其应力值小于该处所用材料的屈服强度,其余部位的应力值也均在所使用材料的屈服极限内;②该工具刀翼发生侧偏时,结构上有可能产生形变从而影响开采范围,但不会影响旋转破碎水合物;③在开采扭矩的动力传递中,钻杆最大等效应力值小于材料的抗扭强度,且整体并没有发生扭曲变形,仅产生了可忽略的位移量;④采用伞式工具进行水合物开采,其日采掘量可满足经济性要求,具有用于水合物商业化开采的潜力。

关键词：天然气水合物固态流化开采伞式工具破碎设计结构力学分析稳态经济可行性

小井眼开窗侧钻用高抗弯钻具接头性能分析与结构参数优化

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中国机械工程 2019年第24期30卷 3010-3017页

作者：况雨春陈永龙闵桃源西南石油大学机电工程学院

随着小井眼开窗侧钻技术的广泛应用,由井下弯曲段引起的钻具接头失效问题日益突出。为解决因弯曲载荷造成钻具接头变形失效的问题,根据弹塑性力学理论及中心管材料本构模型试验研究结果,建立了钻具接头螺纹连接的三维有限元模型,研究了... 详细信息

随着小井眼开窗侧钻技术的广泛应用,由井下弯曲段引起的钻具接头失效问题日益突出。为解决因弯曲载荷造成钻具接头变形失效的问题,根据弹塑性力学理论及中心管材料本构模型试验研究结果,建立了钻具接头螺纹连接的三维有限元模型,研究了弯曲载荷作用下钻具接头连接强度和密封性能,并通过胀扣试验验证了有限元分析结果的可靠性。在此基础上利用正交优化方法,对其关键结构参数进行优化,获得了钻具接头较优参数组合,对比计算了API钻具接头与高抗弯钻具接头力学性能。结果表明,优化后的连接螺纹在抗拉/压、扭矩及弯曲方面性能均优于API螺纹,能更好地满足小井眼开窗侧钻的钻井要求。

关键词：小井眼开窗侧钻钻具接头抗弯性能正交优化承载性能

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铝合金钻杆在长水平井段延伸钻进的可行性

天然气工业 2020年第1期40卷 88-96页

作者：祝效华李柯西南石油大学机电工程学院

目前国内页岩气钻井的重点研究攻关目标是垂深4 000 m以深的长水平段水平井,长水平段钻柱需要钻杆传递更大的轴向力来抵抗沿程的摩擦阻力,采用轻质铝合金钻杆是一种具有较大实施可行性的延伸钻进变革性新技术,而对于其摩阻扭矩特性、钻... 详细信息

目前国内页岩气钻井的重点研究攻关目标是垂深4 000 m以深的长水平段水平井,长水平段钻柱需要钻杆传递更大的轴向力来抵抗沿程的摩擦阻力,采用轻质铝合金钻杆是一种具有较大实施可行性的延伸钻进变革性新技术,而对于其摩阻扭矩特性、钻压传递规律、屈曲特性以及安全可靠性等问题则尚未开展系统研究。为此,基于Hamilton原理建立多尺寸铝合金钻柱动力学模型,通过HHT-α法对模型进行求解,进而对比了水平井段铝合金钻具和钢钻具的接触摩阻、钻压传递规律及其影响因素。研究结果表明:①铝合金钻杆在水平段的压力损耗明显小于钢制钻杆;②因其材质较软,小尺寸的铝合金钻杆在钻井过程中极易发生屈曲,导致钻压传递效率下降,甚至发生"钻杆自锁"现象;③较大尺寸的铝合金钻杆屈曲变形较小,其减摩减阻效果优于小尺寸铝合金钻杆,外径147 mm的铝合金钻杆的摩擦阻力仅为外径129 mm铝合金钻杆的71.9%。结论认为,小尺寸铝合金钻杆的刚度无法满足苛刻的长水平段页岩气钻井条件,而大尺寸铝合金钻杆则是解决其延伸钻进难题的重要前提条件之一。

关键词：水平井深层页岩气井铝合金钻杆摩擦阻力屈曲动力学钻压传递压力损耗