全套管钻进套管柱损坏机理与应用技术研究
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摘要
论文依托于科技部科研院所技术开发专项项目《Ф2000全回转套管钻机、钻具及工艺》（2011-2013年）。研究对象是全套管钻进施工中出现问题最多的套管柱和套管接头的损坏和早期失效，这是目前国内外难以彻底解决的薄弱环节，也是制约全套管施工技术推广普及的关键问题。论文对全套管钻进套管柱、套管接头、夹持机构等关键部分进行了深入的力学分析和研究，得出如下结论：1.建立了全回转钻进套管柱的力学模型，借鉴钢管静压桩理论成果并针对全套管钻进的特殊性进行了修正，研究总结了复杂地层结构中大直径套管柱计算摩阻力的方法。2.应用弹塑性力学的等效应力函数曲线确定了套管柱最大应变能的位置，理论上确定了套管损坏容易发生在沉管阶段套管柱上部接近1/3的位置区间。这与实际套管柱断裂的位置基本符合。3.对深圳工程中出现问题的Φ1200套管柱、套管接头、锥销螺栓连接进行了有限元分析模拟，模拟预紧力不均的实际工况时接头和锥销连接都发生了破坏，与实际损坏情况符合，验证了理论分析的正确。建议提高套管接头和锥销的材质和热处理，保证使用寿命。4.对搓管机和全回转钻机夹持机构进行了分析对比，验证了搓管机夹持机构容易造成套管体变形，全回转钻机楔形卡瓦对套管的夹持均匀，可靠性强。5.对径向夹持对Φ1500套管接头损坏的影响进行了有限元分析验证，当径向夹持力作用于套管接头附近时，接头锥销连接处都会产生严重的应力集中，当部分锥销松动时破坏现象尤为明显。6. Φ2000全回转钻机的套管钻压恒定和扭矩恒定系统、钻机底盘自动调平系统的研究，对控制和保护套管靴刀头超负荷、根据地层情况合理加载、提高套管钻进的垂直度都起到了重要的作用。
主要创新点：1.计算套管沉管阻力时对钢管静压桩理论进行了必要的修正。根据套管钻进的特殊性修正了套管柱长度的三区段划分原则、开口钢管土芯长度的折减系数、拔管的真空效应系数等，使计算结果与实际相符合。复杂地层中全回转钻进套管柱计算摩阻力的方法研究国内属首次。2.对套管柱力学分析的数据来自深圳工程地层参数和施工实际，研究了复杂地层对套管柱摩阻力的影响，计算结果和施工实际验证，为今后建立复杂地层套管柱力学评价系统奠定了基础。3.应用有限元分析验证了径向夹持和夹持位置对套管接头损坏的影响。
全套管钻进中套管柱的力学分析填补了国内大口径套管柱力学研究的空白，损坏机理的研究丰富了全套管钻进的理论，对提高全套管设备和套管钻具的研发水平具有十分重要的指导意义。
This paper is based on the Special R&D Program for Institutes by MOST—Research on Ф2000casingrotator, drilling tools and construction technology(2011-2013). Subject investigated is the damage andearly failure phenomenon of the casing and casing joint in casing drilling process, it is a weak link formanufacturers no matter domestics or abroad, and it is also the key to the question why Full casingconstruction technology unable to be spread.After deeply mechanical analysis of the key points such ascasing, casing joint and casing clamping device, the following conclusions can be drawn.
1. Establishing the mechanic model of the casing string. It has concluded the calculation method offriction resistance for large diameter casing string by referring and pertinently correcting that of thesteel-pipe pile.
2. Figuring out the position of the maximum deformation energy by fitting the function curve of theequivalent stress which is calculated by means of the plastic-elastic mechanics. This positionlocates at the1/3interval near the upper part of the casing string, it basically accords with theactual fracture position.
3. Conducting finite element simulation of the Φ1200casing string, casing joint and locking taper pinwhich had went wrong in Shenzhen construction site. The simulation of the preload inequalitycondition proves that the joint and the taper pin are destroyed, the conclusion basically accordswith the actual situation. According to the results of simulation, it suggests that improving thematerial and doing heat treatment will ensure the service life.
4. Comparing the clamping device of the casing oscillator with that of the casing rotator. It provesthat the clamping device of the casing oscillator will deform the casing; that of the casing rotator isreasonable for its uniform clamping force.
5. Conducting finite element simulation of the Φ1500casing joint under the condition of radicalclamping. It proves that the taper pins occur severely stress concentration when the radicalclamping force is near the joint. This phenomenon especially obvious when parts of the taper pinsloosen.
6. Research on systems of the constant bit pressure and torque and automatic chassis leveling play animportant role in avoiding casing shoes overloading and improving the verticality of the casingstring.
The main innovation points:
1. Making rectify of the friction resistance mechanic model of the steel-pipe pile for calculating thatof the casing string. It has rectify the principal of dividing parts, reduction coefficients of the soilcore in open-ended pipe and the vacuum effect in pulling casing according to the particularity ofcasing drilling. It the first time to propose the calculation method of friction resistance for largediameter casing string in complex stratums in domestic.
2. The data for analysis of the casing string was collected in Shenzhen construction site. With actualdata as the basis, the mechanic model has been verified to be suitable, it has laid the foundation ofthe system for evaluating the casing friction resistance in complex stratums.
3. The finite element simulation verified the effect that the radical clamping exerts to the casing joint.Mechanical analysis of the casing string in full casing drilling fills the gap of research on mechanic oflarge diameter casing, research on damage mechanism enrichs the theory for full casing drilling, hasthe very vital significance for R&D of casing rig and casing drilling tools.
主要创新点：1.计算套管沉管阻力时对钢管静压桩理论进行了必要的修正。根据套管钻进的特殊性修正了套管柱长度的三区段划分原则、开口钢管土芯长度的折减系数、拔管的真空效应系数等，使计算结果与实际相符合。复杂地层中全回转钻进套管柱计算摩阻力的方法研究国内属首次。2.对套管柱力学分析的数据来自深圳工程地层参数和施工实际，研究了复杂地层对套管柱摩阻力的影响，计算结果和施工实际验证，为今后建立复杂地层套管柱力学评价系统奠定了基础。3.应用有限元分析验证了径向夹持和夹持位置对套管接头损坏的影响。
全套管钻进中套管柱的力学分析填补了国内大口径套管柱力学研究的空白，损坏机理的研究丰富了全套管钻进的理论，对提高全套管设备和套管钻具的研发水平具有十分重要的指导意义。
This paper is based on the Special R&D Program for Institutes by MOST—Research on Ф2000casingrotator, drilling tools and construction technology(2011-2013). Subject investigated is the damage andearly failure phenomenon of the casing and casing joint in casing drilling process, it is a weak link formanufacturers no matter domestics or abroad, and it is also the key to the question why Full casingconstruction technology unable to be spread.After deeply mechanical analysis of the key points such ascasing, casing joint and casing clamping device, the following conclusions can be drawn.
1. Establishing the mechanic model of the casing string. It has concluded the calculation method offriction resistance for large diameter casing string by referring and pertinently correcting that of thesteel-pipe pile.
2. Figuring out the position of the maximum deformation energy by fitting the function curve of theequivalent stress which is calculated by means of the plastic-elastic mechanics. This positionlocates at the1/3interval near the upper part of the casing string, it basically accords with theactual fracture position.
3. Conducting finite element simulation of the Φ1200casing string, casing joint and locking taper pinwhich had went wrong in Shenzhen construction site. The simulation of the preload inequalitycondition proves that the joint and the taper pin are destroyed, the conclusion basically accordswith the actual situation. According to the results of simulation, it suggests that improving thematerial and doing heat treatment will ensure the service life.
4. Comparing the clamping device of the casing oscillator with that of the casing rotator. It provesthat the clamping device of the casing oscillator will deform the casing; that of the casing rotator isreasonable for its uniform clamping force.
5. Conducting finite element simulation of the Φ1500casing joint under the condition of radicalclamping. It proves that the taper pins occur severely stress concentration when the radicalclamping force is near the joint. This phenomenon especially obvious when parts of the taper pinsloosen.
6. Research on systems of the constant bit pressure and torque and automatic chassis leveling play animportant role in avoiding casing shoes overloading and improving the verticality of the casingstring.
The main innovation points:
1. Making rectify of the friction resistance mechanic model of the steel-pipe pile for calculating thatof the casing string. It has rectify the principal of dividing parts, reduction coefficients of the soilcore in open-ended pipe and the vacuum effect in pulling casing according to the particularity ofcasing drilling. It the first time to propose the calculation method of friction resistance for largediameter casing string in complex stratums in domestic.
2. The data for analysis of the casing string was collected in Shenzhen construction site. With actualdata as the basis, the mechanic model has been verified to be suitable, it has laid the foundation ofthe system for evaluating the casing friction resistance in complex stratums.
3. The finite element simulation verified the effect that the radical clamping exerts to the casing joint.Mechanical analysis of the casing string in full casing drilling fills the gap of research on mechanic oflarge diameter casing, research on damage mechanism enrichs the theory for full casing drilling, hasthe very vital significance for R&D of casing rig and casing drilling tools.
引文
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