[發明專利]深井淺層大狗腿井段鉆柱疲勞斷裂預測方法及裝置

在審

• 申請號: 202211528607.8
• 申請日: 2022-11-30
• 公開（公告）號: CN115879295A
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 張佳偉;王慶;黃洪春;紀國棟;劉偉;鄒靈戰;卓魯斌;郝晨;于金平;張宏源;李洪;常龍
• 申請（專利權）人: 中國石油天然氣集團有限公司;中國石油集團工程技術研究院有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/04;G06F119/14
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 趙秀峰

本發明提供了一種深井淺層大狗腿井段鉆柱疲勞斷裂預測方法及裝置，該方法包括：根據趟鉆井段工程參數確定鉆柱的應力參數；根據所述應力參數建立所述鉆柱疲勞裂紋拓展速率計算模型；根據所述鉆柱疲勞裂紋拓展速率計算模型預測所述鉆柱疲勞強度。本發明實現了深井全井段鉆柱累積疲勞強度預測與疲勞斷裂風險預警，指導現場作業人員優化工藝措施及施工參數，及時起鉆、倒換鉆柱，保障深井、超深井鉆井過程中鉆柱安全，為避免深井淺層大狗腿井段因鉆柱疲勞導致的頻繁斷鉆柱事故，提供了一種時效性強、易于推廣應用的低成本手段，提高深井、超深井鉆井科學化、智能化水平，為未來數字化、自動化鉆井提供支撐。

技術領域

本發明涉及石油天然氣開發技術領域，特別是設計石油天然氣勘探開發鉆井風險監測與預警領域，具體涉及一種深井淺層大狗腿井段鉆柱疲勞斷裂預測方法及裝置。

背景技術

近年來，深層油氣已成為重要的能源接替領域，特別地，超深層油氣資源尤其是8000m以深油氣資源的高效開發是當前和未來油氣勘探開發的重點和熱點。

隨著深井、超深井鉆井數量增加，大尺寸井眼、深部地層井段斷鉆柱、鉆柱刺漏問題不斷增多，其中深井淺層大狗腿井段頻繁斷鉆柱是深井鉆柱主要面臨的問題，甚至出現處理斷鉆柱事故過程中引發卡鉆、斷鉆柱、鉆柱打撈失敗導致填井側鉆等次生井下問題，影響鉆井周期，制約深井鉆井提質增效。

現有技術中，針對鉆井過程中井筒鉆柱疲勞失效預測及評價，現有方法主要分為鉆柱無損檢測與鉆柱疲勞壽命預測兩種。鉆柱無損檢測主要依靠超聲波、電磁波以及金屬磁記憶等手段實現鉆柱裂紋檢測與識別，《基于金屬磁記憶的鉆柱疲勞損傷早期監測方法》中，通過研究鉆柱嚙合螺紋部位疲勞應力特征與磁記憶信號切向分量梯度值之間關系，提出利用金屬磁記憶檢測鉆柱疲勞損傷思路，并開展相關室內試驗研究。該類方法能夠有效檢測出鉆柱中已經存在的疲勞裂紋，但無法評估待鉆井段鉆柱是否存在疲勞斷裂風險，且該類方法使用需要對全井鉆柱開展檢測，耗時長、工作量大，應用成本較高；

第二類方法基于井筒中鉆柱受力特征，利用鉆柱應力載荷與材料疲勞壽命之間S-N曲線關系或應力載荷與鉆柱缺陷(裂紋)擴展模型，預測鉆柱疲勞壽命，發明專利《一種鉆桿剩余壽命的預測方法》(CN 106840873 A)中考慮鉆桿疲勞壽命自身離散型，從同批次鉆桿中選擇服役條件最為惡劣的1～2根鉆桿，通過采用同一載荷下完成大量鉆柱試樣方法，計算n件試樣疲勞壽命對數平均值的概率密度函數，利用概率密度函數積分，獲得該載荷條件下所需可靠度下的疲勞壽命，該方法有效規避了鉆桿疲勞壽命自身離散型特征，但室內試驗試樣截取、試驗工作量大，存在耗時長、使用成本高的難題。

其次，發明專利《一種鉆柱疲勞失效風險的評價方法》(CN 103967428 A)考慮傳統靜力學模型中未考慮鉆柱振動(軸向、橫向渦動、粘滑)產生高頻交變應力對鉆柱疲勞壽命影響，基于鉆柱動力學有限元模型，得到全井鉆柱各節點截面屈曲應力、修正動態彎曲應力、動態軸向應力分布，進而得到全井鉆柱各節點疲頻系數，并以此為基礎完成全井鉆柱疲勞斷裂失效風險評估、鉆柱結構參數和鉆井參數優化。該方法充分考慮井筒中鉆柱動態受力特征，并以此為基礎完成動態應力下鉆柱疲勞失效風險評估，但考慮到復雜交變應力作用下鉆柱疲勞具有時間累積效應，基于該方法長時間、大規模全井鉆柱累積疲勞失效風險評估計算量巨大、耗時長、鉆井現場實用性較差。同時深井淺層大狗腿井段斷鉆柱主要集中在深井下部地層鉆進(劃眼)過程中上部大狗腿井段，相比因井筒狗腿度引起的彎曲應力，因鉆柱振動產生彎曲應力較小，不是導致鉆柱迅速疲勞斷裂的主要誘因。

綜上所述，現有技術中，針對深井淺層大狗腿井段頻繁斷鉆柱問題，缺乏時效性強、易于推廣應用的低成本方法或手段。

發明內容