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新型钛合金和铝合金钻杆结构安全性分析

文档作者：王永夏张传涛张蓓文档来源： 1．中海油田服务股份有限公司油田技术事业部 2．海洋石油工程股份有限公司		点击数：	更新时间： 2021年06月21日
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2010年第39卷
第12期第31页
石油矿
0IL FIELD
场机械
EQUIPMENT 2010，39(12)：31～33
文章编号：1001—3482(2010)12-0031-03
新型钛合金和铝合金钻杆结构安全性分析
王永夏 。张传涛 ，张蓓
(1．中海油田服务股份有限公司油田技术事业部，天津300457；2．海洋石油工程股份有限公司，天津300452)
摘要：为满足特殊工艺井的钻井要求，开发了新型钛合金钻杆和铝合金钻杆。由于钻杆在钻进中易
出现断裂和刺穿等失效事故，为确保新型钻杆在钻进过程中的结构安全性，对新型钛合金和铝合金
钻杆分别进行了有限元分析。计算分析表明：钛合金钻杆的工作安全性较高，可用于深井、大位移
井、水平井、大斜度井钻井施工；铝合金钻杆结构安全性较低，可通过增加壁厚来提高其结构安全性。
关键词：钻杆；钛合金；铝舍金；有限元；安全性
中图分类号：TE921．2 文献标识码：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
随着石油需求量的增加和科技的发展，深井、大
位移井、水平井、大斜度井钻井施工越来越多。在石
油钻井中，广泛利用短半径水平井、老井开窗侧钻短
半径水平井等新技术来提高原油采收率，降低油田
开发成本，延长油田开发寿命。为了实现这些技术
要求，国外开始利用新型材料钻杆代替现有常规钻
杆，例如钛合金钻杆、铝合金钻杆、超高强度钢钻杆
和复合钻杆等新型钻杆口 ]。
在短半径水平井的钻井作业中，有些短半径水
平井的井眼曲率半径<18 m，这会使钻杆产生很大
的交变应力。实践表明：即使低于屈服极限，这种交
变应力也会引起构件的突然断裂，且断裂前无明显
的塑性变形；钻进时钻杆易与套管及岩屑产生摩擦
磨损。在石油钻探过程中，钻杆失效给油田带来重
大损失 ]。钻具损失是造成钻井成本增加的主要
原因之一，也是影响钻井安全高效的关键因素。国
外部分油田使用新型钛合金钻杆和铝合金钻杆，但
是在使用过程中多次发生断裂、弯曲和刺穿等。为
收稿日期：2010～04—27
作者简介：王永夏(1983一)，男，天津人，工程师，主要从事杆管柱力学及测井工作，E—mail：sunghoonw@163．com。

第39卷第12期 王永夏，等：新型钛合金和铝合金钻杆的结构安全性分析
进行了轴向载荷250 kN 时，扭矩在10 000
50 000 N·m时钛合金钻杆有限元分析。如图2所
示，扭矩与峰值应力成线性增加，扭矩为10 000
N·m，时峰值应力为118．6 MPa；扭矩为50 000
N·m时峰值应力为470．6 MPa。而在现场调研中
发现钻杆一般承受的扭矩为6 000 N ·m，基于此，
钛合金钻杆在工作载荷范围内其结构安全性满足使
用要求。图3为钛合金钻杆某一个局部有限元分析
应力云图。
图3 钛合金钻杆局部应力云图
3．2 铝合金钻杆
为量化研究铝合金钻杆结构安全性，本文模拟
了o127 mm铝合金钻杆在不同轴向载荷和扭矩下
的峰值应力(钻杆在工作过程中主要受轴向载荷和
扭矩，其余的力对其作用相对较小)。分别模拟了扭
矩为20 000 N ·m 时不同轴向载荷及轴向载荷为
250 kN时不同扭矩下的铝合金钻杆结构安全性。
图4为轴向载荷为lOO～500 kN时铝合金钻
杆所对应的峰值应力曲线，可以看出，随着轴向载
荷的增大，应力峰值也依次增大；轴向载荷为
500 kN时，峰值应力为233．4 MPa；轴向载荷为
250 kN、扭矩为10 000～ 50 000 N ·m时，扭矩与
峰值应力成线性增加。扭矩为50 000 N ·m时，峰
值应力为457．1 MPa。铝合金钻杆屈服强度约为
15O MPa。为解决上述不足，可加厚铝合金钻杆的
壁厚，但会造成水力性能不良。图5为铝合金钻
杆局部应力云图。
宝
趔
磐
图4 铝合金钻杆轴向载荷／扭矩对峰值应力的影响
图5 铝合金钻杆应力石图
4 结论
1) 扭矩为20 000 N ·m、轴向载荷为500
kN、峰值应力为237．2 MPa时，钛合金钻杆的静安
全系数在3．3以上。可以看出，钛合金钻杆的工作
安全性较高，可用于深井、大位移井、水平井、大斜度
井钻井施工。
2) 铝合金钻杆(ADP)屈服强度较小，结构安
全性较低，可在高腐蚀性、质量轻和无磁性等某些特
殊场合下使用，可通过增加壁厚来提高其工作安
全性。
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