高建龍， 馬銀龍,2， 王丹丹， 計勝利

(1.吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130026; 2.國土資源部復雜條件鉆采技術重點實驗室，吉林 長春 130026; 3.中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100029)

基于Ansys Workbench通地1井的繩索取心鉆桿接頭疲勞分析

高建龍1， 馬銀龍1,2， 王丹丹3， 計勝利1

(1.吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130026; 2.國土資源部復雜條件鉆采技術重點實驗室，吉林 長春 130026; 3.中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100029)

通過分析通化盆地地質調查井工程鉆探施工工況、鉆桿折斷事故及折斷部位，基于鉆桿和鉆進工藝參數對井內鉆桿接頭螺紋受力進行理論計算，采用SolidWorks對鉆桿接頭螺紋連接處進行建模，然后將模型導入Ansys Workbench中進行應力和疲勞仿真分析，預測鉆桿接頭的疲勞壽命。通過分析仿真結果，再結合地質巖心編錄和測井資料，探討涌水伴隨大量氣體鉆探施工的鉆桿折斷原因，優(yōu)化鉆進工藝參數，從而減少孔內鉆桿折斷事故的發(fā)生。

鉆桿接頭；鉆桿折斷；通地1井；仿真分析；疲勞分析

通化盆地地質調查井工程(簡稱“通地1井”)屬于中國地質調查局油氣資源調查中心實施的吉林東部地區(qū)油氣基礎地質調查項目，主要鉆探目的為建立三棵榆樹凹陷地層層序、揭示白堊統(tǒng)的巖性組合特征和查明主要泥巖層位與發(fā)育及泥巖層段有機地球化學特征。鉆探施工過程中，一方面所鉆遇地層巖性變化大、軟硬互層多和層間接觸角變化大，導致鉆孔彎曲度較大；另一方面所鉆地層涌水嚴重且伴隨有大量甲烷氣體，含氣涌水顯著降低了鉆探泥漿的攜粉、護壁及潤滑性能，且破壞了孔內的壓力平衡，導致104～670 m井段產生了6次鉆桿折斷事故。經觀察折斷鉆桿情況，折斷位置均發(fā)生在鉆桿的螺紋連接處(見圖1)。

鉆進過程中鉆桿不僅承受著復雜交變的拉、壓、彎曲、扭轉、振動載荷作用，還要受到腐蝕、磨損等多種不利因素的影響，極易失效折斷[1-4]。鉆桿折斷的主要原因有鉆桿本身質量問題、鉆孔結構不合理、超徑、彎曲應力的增加引起的疲勞破壞等，并且鉆桿折斷事故中90%以上發(fā)生在螺紋連接部位[2]。鉆桿螺紋連接部位分為鉆桿體螺紋與接頭螺紋及接頭和接頭螺紋，因為鉆桿體螺紋和接頭螺紋通過環(huán)氧樹脂粘接增大了接觸面積和連接強度，因此接頭和接頭螺紋連接處成了折斷概率最大的薄弱環(huán)節(jié)[2,5]。在復合交變應力作用下螺紋牙底部容易萌生疲勞裂紋，疲勞裂紋在循環(huán)應力和腐蝕作用下擴展，直至斷裂[5-7]。因此，開展鉆桿接頭螺紋連接部位疲勞分析研究，對優(yōu)化鉆進工藝參數、預防孔內事故及保障鉆孔施工質量和工期具有實際應用價值。

圖1 鉆桿折斷實物

國內外學者基于斷裂力學、損傷力學理論和仿生耐磨理論，對鉆桿疲勞性能和失效原因進行了分析研究[7-13]。鉆桿疲勞壽命的有限元分析工具包括Ansys fe-safe[14-15]、SolidWorks Simulation、Ansys Workbench[5]等。有限元疲勞分析的流程為：先計算鉆桿所受靜應力，然后借助S-N曲線對疲勞壽命進行分析計算。本文將結合通地1井鉆桿接頭折斷工況，選取相應載荷、邊界條件，分析受力情況，利用SolidWorks對所使用的鉆桿接頭建立有限元模型，采用Ansys Workbench軟件對鉆桿接頭部位進行了三維應力和疲勞分析。

1 通地1井概況

1.1 施工情況

通地1井的設計井深1500 m，鉆孔彎曲要求不超過5°，前400 m深孔段測斜數據見表1。于2015年8月22日開始施工，2015年10月12日鉆進至井深670 m。當鉆進井深104 m時，出現了涌水現象，開始有較少的甲烷氣體逸出，隨著鉆進過程涌水量和甲烷氣體量越來越大，在104～670 m井段發(fā)生了6次斷鉆事故(見圖1)，至2016年4月20日氣測異常峰值達到12.4852%～26.7495%(見圖2)，為了施工安全終止鉆進。處理過程消耗了大量的人力和物力，報廢?71 mm鉆桿126 m，報廢鉆探工作量641 m。

表1 通地1井前400 m深孔段測斜數據

圖2 通地1井涌水含氣

1.2 地層情況

通地1井先后鉆遇通化盆地第四系(Q)，白堊系下統(tǒng)黑崴子組(K1hw)、亨通山組(K1h)和下樺皮甸子組(K1x)等地層。第四系(Q)：0～10 m，由土黃色腐殖土、土黃色沙泥、土黃色灰色沙土和礫石等組成，第四系取心未成巖，成松散團塊。黑崴子組(K1hw)：10～55.16 m，主要巖性為紫紅色泥巖、紫紅色砂礫巖、灰綠色細砂巖。亨通山組(K1h)：55.16～597.93 m，主要巖性黑色泥巖、灰綠色的粉砂巖、灰色凝灰?guī)r、粉砂質泥巖與粉、細砂巖呈不等厚互層,多處見炭質泥巖，污手。下樺皮甸子組(K1x)：597.93～670.62 m，主要巖性為深灰色泥質粉砂巖、青灰色粉砂巖、黑色泥巖、雜色砂礫巖?？紫读芽p中多處見油斑、油跡。

1.3 井身結構

開孔鉆頭直徑為114 mm，鉆至14.78 m，0～14.78 m下入108 mm×5 mm套管；一開鉆頭直徑為93 mm，鉆至91.86 m，0～91.86 m下入89 mm×5 mm套管；二開鉆頭直徑為80 mm，鉆至670.62 m，91.86～670.62 m為裸眼。

1.4 鉆具配置

開孔為?114 mm金剛石鉆頭+?89 mm繩索取心鉆桿+?73 mm六方主動鉆桿；一開為S95繩索取心鉆具，?93 mm金剛石鉆頭+?89 mm繩索取心鉆桿+?73 mm六方主動鉆桿；二開為S75繩索取心鉆具，?80 mm金剛石鉆頭+?75 mm繩索取心鉆具+?71 mm×5 mm全新繩索取心鉆桿+?73 mm六方主動鉆桿。

1.5 鉆井液

各組地層所使用的鉆井液均為水基泥漿，具體鉆井液性能參數如表2所示。

表2 鉆井液性能參數

2 模型建立和疲勞分析

2.1 建立鉆桿接頭模型

參考通地1井施工現場使用鉆桿規(guī)格和《地質巖心鉆探鉆具》(GB/T 16950—2014)[16]規(guī)范標準，本文選用通用I型R-NCS、R-HCS繩索取心鉆桿螺紋參數作為模型參數，其中內螺紋錐度1∶28.65、外螺紋錐度1∶27.28，其他主要參數如表3所示。

表3 鉆桿模型的主要參數

在SolidWorks中只對公、母螺紋段及附近的鉆桿接頭進行了建模。模型裝配后，導入Workbench中。其中，鉆桿接頭R-NCS模型裝配體的半剖視圖及主要尺寸見圖3、三維模型見圖4。裝配體模型導入Workbench后，零件之間需要設置接觸，公接頭螺紋曲線A、環(huán)狀面B分別與母接頭的螺紋曲面A、環(huán)狀面B設置摩擦接觸，其摩擦力系數為0.2。

在Workbench中，定義模型材料為45MnMoB，其性能參數為：彈性模量2.05×1011N/m2，泊松比0.29，密度0.78×103kg/m3，屈服強度650 MPa，抗剪模量8.0×1010N/m2，抗拉強度800 MPa。

圖3 鉆桿R-NCS接頭模型裝配體的半剖示意

圖4 鉆桿R-NCS公、母接頭螺紋三維模型

2.2 施加載荷與邊界條件

地質巖心鉆桿在鉆進過程中受到的力有軸向力、離心力、扭矩、彎曲力矩、動載、鉆桿與孔壁的摩擦力等。為了簡化模型不考慮離心力、動載、鉆桿和孔壁的摩擦及溫度影響，只考慮軸向力、扭矩和彎曲力作用。

(1)軸向力：主要受鉆具自身重力、鉆機的給進壓力、孔內泥漿對鉆具的浮力、鉆桿內外泥漿循環(huán)的阻力和振動產生的軸向力等影響。

通地1井在距離孔口240.50～306.58 m深處發(fā)生了3次鉆桿折斷，因此本模型取300 m深處鉆桿軸向力作為有限元模型的軸向載荷。由于泥漿密度為ρ1=1.05 g/cm3，鉆桿接頭所用鋼材密度ρ2=7.8×103kg/m3，鉆壓F′=5000 N，鉆桿計算長度h=300 m，不計孔內泥漿循環(huán)對鉆桿內外壁產生的阻力。最終施加300 m深處，鉆桿接頭的軸向力F″如下所示。

R-HCS上的軸向力：

F″=F′+(π/4)h(D02-d02)(ρ2-ρ1)=7871 N

R-NCS上的軸向力：

F″=F′+(π/4)h(D02-d02)(ρ2-ρ1)=6981 N

(2)扭矩：采用的XY-6B型鉆機的柴油機功率為84 kW，在300 m鉆桿折斷時所用轉速為253 r/min，發(fā)動機功率P(W)、扭矩T(N·m)、轉速n(r/min)之間關系為：P=(π/30)nT，則已知功率、轉速時，可得扭矩T=30P/(πn)。

據此可知鉆機理論上能傳遞出的最大扭矩為T=30×84000÷(3.14×25)=3172 N·m。在正常鉆進過程中，鉆桿在回轉過程中的扭矩為孔壁的摩擦阻力、鉆井液的粘滯阻力、鉆頭磨削巖石阻力之和，再加上鉆機實際傳遞給主動鉆桿的扭矩低于理論值。此外，參考寶長年公司繩索取心鉆桿在鉆深能力為2000 m時，規(guī)格為NQ鉆桿的額定扭矩為1200 N·m和最小上扣扭矩為600 N·m[17]。所以本文鉆桿接頭的扭矩也應在600和1200 N·m之間選取，且300 m恰好為設計終孔深度的1/5，因此本文選取鉆機最大理論扭矩的1/5的635 N·m作為施加載荷。

(3)彎曲力：鉆桿在彎曲孔段會受到鉆孔的約束作用，鉆桿軸線被迫與鉆孔軌跡軸線一致。鉆孔彎曲的程度越大，則對單根鉆桿產生的彎曲力F也就越大。鉆孔對鉆桿產生的約束如同軸和孔之間的約束力，不同之處在于鉆孔可能是具有一定曲率的。在鉆桿接頭徑向，彎曲力F的施加方式為正弦分布或拋物線分布的軸承載荷，如圖5和圖6所示。

圖5 載荷正弦分布

圖6 載荷拋物線分布

在鉆桿軸向彎曲力大小F與鉆孔軌跡的角度變化有關。設當進尺為百米時，鉆孔頂角的變化為α。鉆孔軌跡按照曲率半徑法生成。鉆桿的軌跡與鉆孔一致，則每根鉆桿的角度變化為3α/100，且認為每根鉆桿的彎曲的角度是由于相應深度的孔壁約束造成的。其中α按弧度制計算。將每根鉆桿視為懸臂梁，鉆桿一端固定，桿體受到均布載荷作用，另一端會產生轉角θB=ql3/(6EI)(θB按弧度制計算，L=3 m)。百米轉角α的值若給定，由鉆桿接頭的彈性模量E、鉆桿慣性矩I，則可求出單根上的彎曲力F：

F=(2EI/3)θB

鉆桿接頭模型的長度為50 mm，單根鉆桿長度3000 mm，根據力的平移定理，則施加在模型上的等效的彎曲力F′=60F。表4列出了鉆孔百米角度變化時，施加在模型上的彎曲力。其中，F1、F1′分別為施加在鉆桿R-NCS單根與模型的彎曲力，F2、F2′分別為施加在鉆桿R-NCS單根與模型的彎曲力。

表4 鉆孔每百米度數改變時各參數取值

彎曲力與約束的設置：在母接頭的鉆桿體外表面設置固定約束，公接頭的鉆桿體施加等效軸承載荷F1′、F2′。

在載荷與邊界條件確定后，對鉆桿模型進行有限元網格劃分。其中，模型R-NCS的網格劃分見圖7。

圖7 模型R-NCS網格劃分

2.3 疲勞分析

利用Workbench做疲勞分析的流程：首先是通過靜力計算，得出應力變化的范圍；然后根據已知的應力范圍，基于應力—疲勞破壞理論進行疲勞分析。

2.3.1 靜應力分析

疲勞壽命分析是以靜力分析為基礎，因此在進行疲勞分析之前，首先應對鉆桿接頭在實際工況中的強度進行分析計算，然后以此計算結果為依據，進行疲勞壽命分析。鉆桿接頭應力變化范圍分析：鉆桿回轉時，鉆桿所受軸向力、扭矩不變，而鉆桿受到的軸承力部位卻周期性變動，使得鉆桿在同一位置的應力發(fā)生周期性改變。對于模型而言，可改變軸承力的施加方向，來表示鉆桿的回轉過程。經計算，軸承力施加方向改變90°時，鉆桿同一位置應力變化范圍最大。

因此，同一模型應設置軸承力方向垂直的兩個載荷環(huán)境，才能確定出鉆桿同一位置的應力范圍。百米角度為2°時，模型的兩個載荷環(huán)境設置見圖8、圖9。

圖8 R-NCS的兩個載荷環(huán)境

圖9 R-HCS的兩個載荷環(huán)境

在圖8、圖9中，模型的軸線與X軸方向平行，左側為加載環(huán)境Y，軸承力均沿Y軸施加；右側為加載環(huán)境Z，軸承力均沿Z軸施加。

模型在不同載荷環(huán)境下，應力的分布狀況見圖10、圖11。其中，a、b應力云圖對應加載環(huán)境Y，c、d應力云圖對應加載環(huán)境Z，并且在圖中標出了模型在不同加載環(huán)境下最大應力的值和所處位置。

圖10 模型R-NCS不同載荷環(huán)境下螺紋端應力

圖11 模型R-HCS不同載荷環(huán)境下螺紋端應力

通過應力云圖可知：(1)同一模型，當加載環(huán)境不同時，最大應力的位置和值均發(fā)生了變化。(2)相同加載環(huán)境下，模型R-NCS、R-HCS公螺紋端的受力均比母螺紋端小。(3)相同加載環(huán)境下，模型R-NCS公、母螺紋端的最大應力值均低于模型R-HCS。

2.3.2S-N曲線

材料的疲勞性能用作用的應力范圍S與到破壞時的壽命N之間的關系來表示，即S-N曲線。模型所選材料為45MnMoB，根據其性能參數，從該材料彈性模量派生出的基于ASME碳鋼的S-N曲線見圖12。曲線上部代表產生疲勞破壞的區(qū)域，曲線下部為不產生疲勞破壞的安全區(qū)域。

圖12 45MnMoB基于ASME碳鋼的S-N曲線

2.3.3 疲勞分析

在Workbench中對兩個載荷環(huán)境設置Solution Combination，得出模型在同一位置應力變化的范圍。疲勞分析求解設置：在Solution Combination條目下添加Fatigue Tool，并選擇Non-proportional加載方式、Goodman修正方式。

鉆孔百米角度2°時，模型的疲勞分析結果見圖13、圖14。

由圖13、圖14可知：(1)R-NCS沒有出現疲勞破壞，公螺紋端、母螺紋端壽命為材料的最大疲勞壽命1.0×106；(2)R-HCS公螺紋端壽命最低為7.4775×105，在螺紋附近鉆桿體上，母螺紋端壽命最低為3.4219×105，位置在內螺紋小徑處；(3)R-NCS公螺紋端、母螺紋端的最小疲勞壽命均高于R-HCS相應的螺紋端；R-HCS母螺紋端的最小疲勞壽命均低于其公螺紋端。

3 鉆孔每百米彎曲角度大小對鉆桿疲勞壽命的影響

當鉆孔每百米彎曲角度變化時，孔內鉆桿的疲勞壽命也發(fā)生改變，其模型疲勞分析的壽命最低值見表5。

圖13 模型R-NCS的疲勞壽命

圖14 模型R-HCS的疲勞壽命

通過表5中的疲勞壽命數據可知：(1)隨鉆孔每百米彎曲角度的增加，R-NCS、R-HCS的疲勞壽命會出現降低現象，表明接頭處發(fā)生了疲勞破壞。(2)當鉆孔每百米彎曲gt;3.0°時，R-NCS開始出現疲勞現象；彎曲gt;1.5°時，R-HCS開始出現疲勞現象。(3)當彎曲gt;3.5°時，模型R-HCS的疲勞壽命降到1.0×104以下，不到材料最大疲勞壽命的1/100。

表5 鉆孔每百米彎曲度數變化時模型的疲勞壽命

根據表5數據，繪制鉆孔每百米彎曲度數與模型疲勞壽命的關系曲線見圖15。

圖15 鉆孔每百米彎曲度數與模型疲勞壽命的關系

從圖15中可知出現疲勞破壞時：(1)隨著角度的增長，疲勞壽命越來越低，且下降速度由快變慢；(2)相同角度時，R-NCS比R-HCS的疲勞壽命低；(3)相同角度時，公螺紋端比母螺紋端疲勞壽命低；(4)隨著角度的增加，公、母螺紋端疲勞壽命趨于一致。

4 鉆桿接頭折斷原因分析

根據實際測斜情況(表1)，鉆桿R-NCS折斷的孔段，鉆孔每百米角度的變化不到2.0°；鉆桿R-HCS折斷的孔段，鉆孔每百米角度的變化不到1.5°。按照表5的計算結果，鉆桿接頭的疲勞壽命遠高于實際鉆具使用情況。因此，可以認為鉆孔軌跡并不是鉆桿接頭疲勞破壞的主要原因。

鉆桿R-NCS折斷時，主要原因應歸結為鉆具級配的不合理。鉆桿與孔壁的間隙應限制在鉆桿直徑的10%～15%以內，否則會導致鉆桿局部在孔內出現過度彎曲[2,7]。據此可知鉆孔直徑為93 mm，則使用鉆桿的外徑不應小于77.5 mm，但由于現場施工條件和工期要求，在進行擴孔時，采用了繩索取心鉆桿R-NCS外徑只有71 mm，由于鉆桿與孔壁之間間隙過大，鉆桿回轉離心力的作用下，使得鉆桿出現過度彎曲的情況，鉆桿實際的彎曲狀態(tài)超過了鉆孔軸線軌跡的彎曲角度。由于彎曲變形過大，加上鉆桿不停的自傳，結果就是彎曲應力交變施加，導致了鉆桿產生了疲勞破壞。

鉆桿R-HCS折斷時，雖然使用了?89 mm的滿眼鉆具，但是鉆桿接頭仍然出現了疲勞破壞。從最終的測井結果中發(fā)現，整個鉆孔的直徑都在100 mm以上，且在距離孔口104～106、140～300 m孔段，出現了局部擴徑達到300 mm的現象。通地1井的氣測異常值較高，地層中的氣體侵入到鉆井液中，導致鉆井液密度降低，在承壓水層的共同作用下，多次長時間發(fā)生氣侵涌水現象(見圖16)，涌氣可以直接點燃(見圖2b)。地質巖心編錄表明在測井出現局部擴徑的井段的巖性主要以泥頁巖為主，砂巖地層井眼較規(guī)則。

5 結論

(1)通地1井鉆桿折斷是鉆具級配不合理、鉆孔局部擴徑和涌水含氣造成泥漿性能下降等綜合因素作用的結果。鉆具級配不合理、鉆孔局部擴徑導致了鉆桿產生疲勞破壞，是造成鉆桿折斷的直接因素。涌水含氣是造成鉆桿折斷的間接原因：一方面使得鉆井液密度下降，不利于孔壁穩(wěn)定，造成涌水含氣地層的局部擴徑；另一方面使得鉆井液被稀釋后冷卻、潤滑能力下降，造成了鉆桿在使用過程中局部受力過大。因此，使用合理的鉆具級配、優(yōu)化的鉆進參數和性能優(yōu)良的泥漿可有效延長鉆桿的使用時間，可以降低孔內事故的發(fā)生。

(2)基于仿真分析結果可知，相同加載條件下，模型R-NCS、R-HCS公螺紋端的受力均比母螺紋端小，R-NCS公、母螺紋端的最大應力值均低于模型R-HCS；隨著鉆孔彎曲角度增長，鉆桿接頭的疲勞壽命越來越低，且下降速度由快變慢。鉆進過程中控制好鉆孔軌跡，將有助于提高鉆桿疲勞壽命。

(3)在相同鉆進參數條件下，鉆孔軌跡相同時，使用滿眼鉆具有利于降低孔內事故發(fā)生；若能保證鉆桿彎曲軌跡相同，使用剛度較小的鉆桿，會使鉆桿接頭的應力降低，從而提高疲勞壽命。

圖16通地1井180～243 m井段氣測曲線

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FatigueAnalysisonWire-lineCoringDrillPipeJointsinTonghuaWell-1BasedonAnsysWorkbench

GAOJian-long1,2,MAYin-long1,2,WANGDan-dan3,JISheng-li1

(1.College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun Jilin 130026, China; 2.Key Laboratory of Ministry of Land and Resources on Complicated Conditions Drilling Technology, Changchun Jilin 130026, China; 3.Oil amp; Gas Survey, China Geological Survey, Beijing 100029, China)

Through the analysis on the construction conditions, the drill pipe breaking accidents and the broken parts in the geographical survey well in Tonghua Basin, and on the basis of drill pipes and drilling parameters, the thread stress of the drill pipe joint was calculated. The modeled thread connection part of drill pipes was established by means of SolidWorks, which was then introduced into Ansys Workbench for stress and fatigue simulation analysis to predict the fatigue life of the drill pipe joint. Based on the analysis on simulation results and combined with the geological core cataloging and logging data, the causes of the drill pipe breakage occurring under the conditions of gushing water with a large amount of gas are discussed and the drilling parameters are optimized to reduce the occurrence of the drill pipe breakage in the hole.

drill pipe joint; drill pipe breaking-off; Tonghua well-1; simulated analysis; fatigue analysis

2016-07-20；

2017-09-19

吉林大學“輕質耐磨仿生構型鋁合金鉆桿材料研制”(編號：451160306007)；中國地質調查局油氣地質調查項目“通化盆地地質調查井工程”(編號：12120115001701-5)

高建龍，男，漢族，1992年生，在讀碩士研究生，地質工程專業(yè)，主要進行萬米鉆機裝備的研究，2434979976@qq.com。

馬銀龍，男，漢族，1984年生，講師，博士，主要從事鉆具材料及相關鉆探工藝研究，吉林省長春市西民主大街938號，ylma@jlu.edu.cn。

P634.4+2

A

1672-7428(2017)10-0070-09