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        特深鉆探鉆柱組合優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

        2019-05-17 05:50:58孫建華
        鉆探工程 2019年4期
        關(guān)鍵詞:孔深鉆柱屈服

        尹 浩,梁 健,孫建華

        (中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北 廊坊 065000)

        0 引言

        鉆桿柱作為地球深部探測(cè)、深地與深水鉆探技術(shù)的核心與關(guān)鍵,其用以遞送扭矩和鉆壓、輸送沖洗液和提取巖心、更換鉆頭及處理事故,鉆柱結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)的合理性與可靠性是確保工程優(yōu)質(zhì)、高效、安全實(shí)施的重要條件,直接關(guān)系著鉆探工程的成敗,是鉆探工程的重要研究?jī)?nèi)容之一。由于鉆柱材料強(qiáng)度的限制和重力的存在,單一規(guī)格常規(guī)鋼制鉆柱許用深度有限,難以滿足大陸萬(wàn)米特深孔科學(xué)鉆探及大洋深水深孔鉆探工程的設(shè)計(jì)要求[1-5]。

        為使鉆柱具有更大的許下深度,在滿足孔身結(jié)構(gòu)和鉆機(jī)提升能力的前提下,可采取復(fù)合鉆柱的設(shè)計(jì)方法,即減輕下部鉆柱重力或提高上部鉆柱強(qiáng)度[6]。在前蘇聯(lián)科拉科學(xué)超深井與聯(lián)邦德國(guó)大陸深鉆的實(shí)施中,均對(duì)復(fù)合鉆柱進(jìn)行了研究與應(yīng)用,完井深度分別達(dá)到了12262 m與9101 m[7]。特深孔復(fù)合鉆柱一般是由不同外徑(上粗下細(xì))、同種外徑不同壁厚(上厚下薄)、同種壁厚不同鋼級(jí)(上高下低)或不同材質(zhì)(上鋼下鋁或其他輕合金)的鉆桿組成。與單一規(guī)格鉆桿組合的鉆柱來(lái)講,復(fù)合鉆柱減輕了鉆柱重力、滿足了強(qiáng)度要求、提高了鉆進(jìn)效率,在相同鉆機(jī)負(fù)荷能力下可鉆達(dá)更深地層[8]。鉆柱的運(yùn)動(dòng)形式和受力十分復(fù)雜,主要包括:自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)(渦動(dòng))、縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、橫向振動(dòng)等,并且隨著鉆進(jìn)方法、鉆進(jìn)工序的不同而異。雖然在不同的工作狀態(tài)下,鉆柱受力情況有所差異,但其中經(jīng)常作用且數(shù)值較大的力為拉力,尤其在以科學(xué)鉆探為目的的特深垂直孔鉆探中[9-11]。綜上,本文在組合鉆柱設(shè)計(jì)中,以拉伸計(jì)算為主[12],通過(guò)考慮一定的設(shè)計(jì)安全系數(shù)和拉伸余量來(lái)滿足起下鉆時(shí)的動(dòng)載荷以及其他復(fù)雜情況對(duì)鉆柱強(qiáng)度的需求,開(kāi)展了鉆柱組合優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究,并開(kāi)發(fā)了鉆柱組合設(shè)計(jì)與安全系數(shù)計(jì)算軟件,可實(shí)現(xiàn)不同孔深設(shè)計(jì)和鉆桿結(jié)構(gòu)要求下的鉆柱組合設(shè)計(jì)與安全系數(shù)計(jì)算,可提高科研人員的工作效率和準(zhǔn)確度。

        1 復(fù)合鉆柱組合設(shè)計(jì)理論

        由于鉆柱材料使用強(qiáng)度的限制和重力的存在,致使鉆柱在鉆達(dá)一定深度后,僅自重的作用即可使鉆柱拉斷失效,因此鉆柱的使用存在極限深度。為了增加鉆柱的使用深度,需要進(jìn)行合理的鉆柱組合設(shè)計(jì),以保證鉆柱整體的可靠性與安全性。

        由于越靠近孔口的鉆柱承受自身浮重(浮力與重力的合力)越大,加之鉆柱中和點(diǎn)需作用在鉆鋌上,故從鉆鋌往上逐級(jí)增徑設(shè)計(jì)鉆柱規(guī)格[13]。同時(shí),鉆柱設(shè)計(jì)過(guò)程中,既要考慮一定的設(shè)計(jì)安全系數(shù),又要滿足一定的拉力余量。其中,設(shè)計(jì)安全系數(shù)用于確定屈服極限抗拉載荷較大的鉆柱設(shè)計(jì),拉力余量用于確定屈服極限抗拉載荷較小的鉆柱設(shè)計(jì)。最后,根據(jù)設(shè)計(jì)安全系數(shù)與拉力余量確定的最大許用靜拉載荷計(jì)算各級(jí)鉆柱的最大使用長(zhǎng)度等參數(shù)。

        1.1 最大許用靜拉載荷的確定

        鉆桿的最大許用靜拉載荷是由鉆桿截面以下鉆柱浮重產(chǎn)生的允許鉆桿承受的最大載荷。同時(shí),考慮到起下鉆時(shí)的動(dòng)載及摩阻、卡瓦擠壓、解卡拉力余量等因素,鉆柱管體任意截面上的最大許用靜拉載荷應(yīng)同時(shí)滿足以下3個(gè)條件:

        (1)

        式中:F許——鉆桿的最大許用靜拉載荷,kN;F最大許用拉伸載荷——鉆桿的最大許用拉伸力,kN;N——鉆柱設(shè)計(jì)的安全系數(shù);F屈服極限抗拉載荷——鉆桿達(dá)到屈服極限的拉伸力,kN;σs——鉆桿材料的屈服強(qiáng)度,MPa;σG——鉆桿自重作用下產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力,MPa;F拉力余量——處理卡鉆等孔內(nèi)事故預(yù)留的拉力余量,一般取200~800 kN。

        根據(jù)理論計(jì)算可知:

        (2)

        式中:D——鉆桿外徑,mm;K——卡瓦橫向負(fù)荷系數(shù);α——卡瓦錐角,取9°27′45″;φ——摩擦角,摩擦系數(shù)μ=tanφ=0.08;Ls——卡瓦長(zhǎng)度,取400 mm。

        考慮鉆桿拉伸載荷達(dá)到屈服極限時(shí)材料將產(chǎn)生輕微永久變形,取屈服極限的90%作為鉆桿最大許用拉伸力,即:

        F最大許用拉伸力=0.9F屈服極限抗拉載荷=9×10-4σsA

        (3)

        式中:σs——鉆桿屈服強(qiáng)度,MPa;A——鉆桿橫截面積,mm2。

        綜上所述,得到同時(shí)滿足以上條件的最大許用靜拉載荷,進(jìn)而確定各級(jí)鉆桿的尺寸規(guī)格、許用長(zhǎng)度、鋼級(jí)。

        1.2 鉆柱長(zhǎng)度及安全系數(shù)確定

        1.2.1 一徑到底

        一種尺寸規(guī)格和鋼級(jí)的鉆柱可滿足設(shè)計(jì)要求的情況下,鉆柱許用長(zhǎng)度La和使用長(zhǎng)度Lb分別應(yīng)滿足以下條件:

        (4)

        安全系數(shù)N為:

        (5)

        式中:L孔——設(shè)計(jì)孔深,m;La——鉆柱許用長(zhǎng)度,m;Lb——鉆柱實(shí)際使用長(zhǎng)度,m;Lc——鉆鋌或加重鉆桿長(zhǎng)度,滿足Lc=1.2F鉆壓/qc,m;q1——第一級(jí)鉆桿每米重,kN;qc——鉆鋌每米重,kN;K浮——鉆柱在孔內(nèi)泥漿中的浮力系數(shù),K浮=1-ρ泥漿/ρ鉆柱。

        1.2.2 塔式結(jié)構(gòu)

        一種尺寸規(guī)格和鋼級(jí)的鉆柱不能滿足設(shè)計(jì)要求的情況下,可選擇厚壁、大尺寸規(guī)格或更高鋼級(jí)的鉆桿,從下而上逐級(jí)進(jìn)行鉆柱許用長(zhǎng)度確定,直到滿足設(shè)計(jì)孔深要求。

        假設(shè)自下而上每級(jí)鉆柱許用長(zhǎng)度為:L1、L2、…、Li、…、Ln,最后一級(jí)的使用長(zhǎng)度為L(zhǎng)b,則存在以下關(guān)系:

        (6)

        式中:F許1、F許2、…、F許i——各級(jí)鉆桿最大許用靜拉載荷,kN;q1、q2、…、qi——各級(jí)鉆桿的質(zhì)量,kg[13-15]。

        結(jié)合式(1)~(6),可求得各級(jí)鉆桿許用長(zhǎng)度和各級(jí)鉆桿的安全系數(shù)。如有特殊要求,可通過(guò)改變各級(jí)鉆桿尺寸規(guī)格和鉆桿材料,對(duì)各級(jí)鉆桿的使用長(zhǎng)度和安全系數(shù)進(jìn)行一定范圍修改。

        2 設(shè)計(jì)理論程序化

        根據(jù)上述超深孔用鉆柱結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)理論,結(jié)合面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言,通過(guò)控件布局、變量設(shè)置、回調(diào)函數(shù)編寫(xiě),其中使用數(shù)組結(jié)構(gòu)表示多級(jí)鉆柱組合的各級(jí)參數(shù),實(shí)現(xiàn)極限鉆柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件和鉆柱結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)。本文中鉆柱安全系數(shù)是假定鉆桿接頭、螺紋尺寸與鉆桿體等強(qiáng)度設(shè)計(jì)前提下得到的;如考慮鉆桿整體外平度、鉆桿鐓粗限制、泥漿環(huán)空壓耗等因素而需要對(duì)鉆桿接頭尺寸有所限制,需另外確定鉆桿接頭處的安全系數(shù)。

        2.1 極限鉆柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件

        2.1.1 輸入?yún)?shù)確定

        計(jì)算過(guò)程中涉及到的輸入?yún)?shù)包括設(shè)計(jì)孔深、泥漿密度、鉆鋌材料密度、鉆壓、工作安全系數(shù)、拉力余量、接頭加重系數(shù)、鉆桿外徑、鉆桿壁厚、鉆桿屈服強(qiáng)度、鉆桿材料密度、鉆鋌外徑、鉆鋌內(nèi)徑、卡瓦長(zhǎng)度。本設(shè)計(jì)通過(guò)10個(gè)元素?cái)?shù)組設(shè)置,最多支持十級(jí)鉆桿塔式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

        2.1.2 輸出參數(shù)確定

        計(jì)算過(guò)程中涉及到的輸出參數(shù)包括每級(jí)鉆桿橫截面積、承載極限、最大允許靜拉負(fù)荷、鉆桿長(zhǎng)度、鉆桿重力、安全系數(shù)、鉆鋌長(zhǎng)度、鉆鋌重力。

        2.1.3 界面實(shí)現(xiàn)

        設(shè)計(jì)軟件界面包括輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)、鉆柱結(jié)構(gòu)圖繪制3部分(如圖1所示)。

        圖1極限鉆柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件用戶界面
        Fig.1Software user interface for the ultimate drill string structure design

        2.2 鉆柱結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計(jì)算軟件

        2.2.1 輸入?yún)?shù)確定

        計(jì)算過(guò)程中涉及到的輸入?yún)?shù)包括設(shè)計(jì)孔深、泥漿密度、鋼密度、鉆壓、最低安全系數(shù)、拉力余量、鉆桿級(jí)數(shù)或開(kāi)數(shù)、卡瓦長(zhǎng)度、加重鉆桿接頭加重系數(shù)、加重鉆桿外徑、加重鉆桿內(nèi)徑、接頭加重系數(shù)、鉆桿外徑、鉆桿內(nèi)徑、鉆桿屈服強(qiáng)度、鉆桿密度、每級(jí)鉆桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。本設(shè)計(jì)通過(guò)10個(gè)元素?cái)?shù)組設(shè)置,最多支持10級(jí)(塔式結(jié)構(gòu))或10開(kāi)(一徑到底)鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

        2.2.2 輸出參數(shù)確定

        計(jì)算過(guò)程中涉及到的輸出參數(shù)包括每級(jí)鉆桿橫截面積、屈服承載極限、鉆桿浮重、鉆桿重力、鉆桿長(zhǎng)度、加重鉆桿長(zhǎng)度、安全系數(shù)。

        2.2.3 界面實(shí)現(xiàn)

        設(shè)計(jì)軟件界面包括輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)、鉆柱結(jié)構(gòu)圖繪制3部分,如圖2所示。

        圖2鉆柱結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計(jì)算軟件用戶界面
        Fig.2Software user interface for the drill string structural safe factor design

        上述2個(gè)軟件也可用于計(jì)算懸掛套管極限長(zhǎng)度及給定長(zhǎng)度套管的使用安全系數(shù)。

        3 算例

        3.1 10000 m繩索取心極限鉆柱組合設(shè)計(jì)

        3.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

        10000 m繩索取心鉆柱極限孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)參數(shù)包括:設(shè)計(jì)孔深10000 m、泥漿密度1.05~1.2 t/m3、鉆鋌材料密度7.85 t/m3、鉆壓100 kN、工作安全系數(shù)2.0、拉力余量800 kN、接頭加重系數(shù)1.05、卡瓦長(zhǎng)度400 mm、鉆鋌外徑190.5 mm、鉆鋌內(nèi)徑108.66 mm、鉆桿材料(S135或V150)與鉆柱參數(shù)(見(jiàn)表1)。其中,鉆桿參數(shù)中的數(shù)值均可在一定范圍內(nèi)調(diào)整,從而獲得不同的鉆柱設(shè)計(jì)方案。

        3.1.2 軟件計(jì)算

        表1 10000 m鉆柱設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of the drill string for 10000m hole

        將設(shè)計(jì)參數(shù)逐級(jí)輸入到設(shè)計(jì)軟件,如當(dāng)前級(jí)數(shù)或鉆桿規(guī)格不能滿足設(shè)計(jì)孔深,系統(tǒng)將提示“當(dāng)前級(jí)數(shù)或鉆桿規(guī)格不能滿足設(shè)計(jì)孔深,請(qǐng)?jiān)黾鱼@柱級(jí)數(shù)或調(diào)整鉆桿規(guī)格”,直到得到滿足設(shè)計(jì)孔深的方案。計(jì)算得到的鉆柱相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3和表2所示。

        3.2 5000 m繩索取心鉆柱安全系數(shù)計(jì)算

        3.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

        圖3 10000 m孔深極限鉆柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)界面Fig.3 Ultimate drill string structural design interface for 10000m hole

        5000 m繩索取心鉆柱安全系數(shù)計(jì)算的設(shè)計(jì)參數(shù)包括:設(shè)計(jì)孔深5000 m、終孔孔徑96 mm、泥漿密度1.1 t/m3、鉆壓50 kN、工作安全系數(shù)2.0、拉力余量500 kN、卡瓦長(zhǎng)度400 mm、加重鋼鉆桿與鉆桿參數(shù)(見(jiàn)表3,參考GB/T 16950-2014)[16]。其中鉆桿參數(shù)中的數(shù)值(包括尺寸規(guī)格和材料)均可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行合理調(diào)整,從而獲得不同的鉆柱設(shè)計(jì)方案。

        3.2.2 軟件計(jì)算

        將設(shè)計(jì)參數(shù)逐一輸入到設(shè)計(jì)軟件中的文本框中(如圖4所示),計(jì)算得到的鉆柱結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表4。

        表3 5000 m鉆桿設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Design parameters of the drill string for 5000m hole

        表4 5000 m鉆柱結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 4 Structural parameters of the drill string for 10000m hole

        圖4 5000 m繩索取心鉆柱安全系數(shù)計(jì)算界面Fig.4 Drill string structural design interface for 5000m wire-line coring hole

        4 結(jié)論

        本文通過(guò)對(duì)鉆柱組合設(shè)計(jì)理論的研究,對(duì)特深鉆探鉆柱組合的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了程序化編程,實(shí)現(xiàn)用于極限孔身結(jié)構(gòu)與給定孔身結(jié)構(gòu)兩種情況下鉆柱組合的設(shè)計(jì),并得出如下結(jié)論:

        (1)通過(guò)鉆柱組合設(shè)計(jì)的程序化設(shè)計(jì),大大提高了設(shè)計(jì)效率,可以通過(guò)選用不同尺寸規(guī)格和材料的鉆桿組合,實(shí)時(shí)得到不同的鉆柱組合設(shè)計(jì)方案。

        (2)通過(guò)軟件計(jì)算,給出了10000 m繩索取心極限孔身鉆柱組合方案與5000 m繩索取心鉆柱方案;通過(guò)軟件,可進(jìn)一步研究各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)鉆柱組合與安全系數(shù)的關(guān)系,對(duì)于特深鉆探研究具有一定的參考意義。

        (3)本文鉆柱安全系數(shù)是假定鉆桿接頭與螺紋尺寸根據(jù)與鉆桿體等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的前提下得到的,得到的鉆柱組合方案存在一定的局限性,下一步將考慮鉆桿外平度、鉆桿鐓粗限制、泥漿環(huán)空壓耗等因素對(duì)鉆桿接頭尺寸的限制,進(jìn)而優(yōu)化桿體尺寸、設(shè)計(jì)接頭結(jié)構(gòu)和匹配環(huán)空間隙。

        (4)隨著向地球更深部進(jìn)軍,對(duì)鉆柱提出了新的要求,高強(qiáng)重比、高耐溫性、高韌性是鉆柱未來(lái)的發(fā)展方向。

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