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新型鈦合金和鋁合金鉆桿結構安全性分析

文檔作者：王永夏張傳濤張蓓文檔來源： 1．中海油田服務股份有限公司油田技術事業部 2．海洋石油工程股份有限公司		點擊數：	更新時間： 2021年06月21日
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2010年第39卷
第12期第31頁
石油礦
0IL FIELD
場機械
EQUIPMENT 2010，39(12)：31～33
文章編號：1001—3482(2010)12-0031-03
新型鈦合金和鋁合金鉆桿結構安全性分析
王永夏 。張傳濤 ，張蓓
(1．中海油田服務股份有限公司油田技術事業部，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，開發了新型鈦合金鉆桿和鋁合金鉆桿。由于鉆桿在鉆進中易
出現斷裂和刺穿等失效事故，為確保新型鉆桿在鉆進過程中的結構安全性，對新型鈦合金和鋁合金
鉆桿分別進行了有限元分析。計算分析表明：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；鋁合金鉆桿結構安全性較低，可通過增加壁厚來提高其結構安全性。
關鍵詞：鉆桿；鈦合金；鋁舍金；有限元；安全性
中圖分類號：TE921．2 文獻標識碼：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、老井開窗側鉆短
半徑水平井等新技術來提高原油采收率，降低油田
開發成本，延長油田開發壽命。為了實現這些技術
要求，國外開始利用新型材料鉆桿代替現有常規鉆
桿，例如鈦合金鉆桿、鋁合金鉆桿、超高強度鋼鉆桿
和復合鉆桿等新型鉆桿口 ]。
在短半徑水平井的鉆井作業中，有些短半徑水
平井的井眼曲率半徑<18 m，這會使鉆桿產生很大
的交變應力。實踐表明：即使低于屈服極限，這種交
變應力也會引起構件的突然斷裂，且斷裂前無明顯
的塑性變形；鉆進時鉆桿易與套管及巖屑產生摩擦
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構安全性分析
進行了軸向載荷250 kN 時，扭矩在10 000
50 000 N·m時鈦合金鉆桿有限元分析。如圖2所
示，扭矩與峰值應力成線性增加，扭矩為10 000
N·m，時峰值應力為118．6 MPa；扭矩為50 000
N·m時峰值應力為470．6 MPa。而在現場調研中
發現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其結構安全性滿足使
用要求。圖3為鈦合金鉆桿某一個局部有限元分析
應力云圖。
圖3 鈦合金鉆桿局部應力云圖
3．2 鋁合金鉆桿
為量化研究鋁合金鉆桿結構安全性，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 時不同軸向載荷及軸向載荷為
250 kN時不同扭矩下的鋁合金鉆桿結構安全性。
圖4為軸向載荷為lOO～500 kN時鋁合金鉆
桿所對應的峰值應力曲線，可以看出，隨著軸向載
荷的增大，應力峰值也依次增大；軸向載荷為
500 kN時，峰值應力為233．4 MPa；軸向載荷為
250 kN、扭矩為10 000～ 50 000 N ·m時，扭矩與
峰值應力成線性增加。扭矩為50 000 N ·m時，峰
值應力為457．1 MPa。鋁合金鉆桿屈服強度約為
15O MPa。為解決上述不足，可加厚鋁合金鉆桿的
壁厚，但會造成水力性能不良。圖5為鋁合金鉆
桿局部應力云圖。
寶
趔
磐
圖4 鋁合金鉆桿軸向載荷／扭矩對峰值應力的影響
圖5 鋁合金鉆桿應力石圖
4 結論
1) 扭矩為20 000 N ·m、軸向載荷為500
kN、峰值應力為237．2 MPa時，鈦合金鉆桿的靜安
全系數在3．3以上。可以看出，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)屈服強度較小，結構安
全性較低，可在高腐蝕性、質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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