CN115879295A - 深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法及装置，该方法包括：根据趟钻井段工程参数确定钻柱的应力参数；根据所述应力参数建立所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型；根据所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型预测所述钻柱疲劳强度。本发明实现了深井全井段钻柱累积疲劳强度预测与疲劳断裂风险预警，指导现场作业人员优化工艺措施及施工参数，及时起钻、倒换钻柱，保障深井、超深井钻井过程中钻柱安全，为避免深井浅层大狗腿井段因钻柱疲劳导致的频繁断钻柱事故，提供了一种时效性强、易于推广应用的低成本手段，提高深井、超深井钻井科学化、智能化水平，为未来数字化、自动化钻井提供支撑。

Description

深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法及装置

技术领域

本发明涉及石油天然气开发技术领域，特别是设计石油天然气勘探开发钻井风险监测与预警领域，具体涉及一种深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法及装置。

背景技术

近年来，深层油气已成为重要的能源接替领域，特别地，超深层油气资源尤其是8000m以深油气资源的高效开发是当前和未来油气勘探开发的重点和热点。

随着深井、超深井钻井数量增加，大尺寸井眼、深部地层井段断钻柱、钻柱刺漏问题不断增多，其中深井浅层大狗腿井段频繁断钻柱是深井钻柱主要面临的问题，甚至出现处理断钻柱事故过程中引发卡钻、断钻柱、钻柱打捞失败导致填井侧钻等次生井下问题，影响钻井周期，制约深井钻井提质增效。

现有技术中，针对钻井过程中井筒钻柱疲劳失效预测及评价，现有方法主要分为钻柱无损检测与钻柱疲劳寿命预测两种。钻柱无损检测主要依靠超声波、电磁波以及金属磁记忆等手段实现钻柱裂纹检测与识别，《基于金属磁记忆的钻柱疲劳损伤早期监测方法》中，通过研究钻柱啮合螺纹部位疲劳应力特征与磁记忆信号切向分量梯度值之间关系，提出利用金属磁记忆检测钻柱疲劳损伤思路，并开展相关室内试验研究。该类方法能够有效检测出钻柱中已经存在的疲劳裂纹，但无法评估待钻井段钻柱是否存在疲劳断裂风险，且该类方法使用需要对全井钻柱开展检测，耗时长、工作量大，应用成本较高；

第二类方法基于井筒中钻柱受力特征，利用钻柱应力载荷与材料疲劳寿命之间S-N曲线关系或应力载荷与钻柱缺陷(裂纹)扩展模型，预测钻柱疲劳寿命，发明专利《一种钻杆剩余寿命的预测方法》(CN 106840873 A)中考虑钻杆疲劳寿命自身离散型，从同批次钻杆中选择服役条件最为恶劣的1～2根钻杆，通过采用同一载荷下完成大量钻柱试样方法，计算n件试样疲劳寿命对数平均值的概率密度函数，利用概率密度函数积分，获得该载荷条件下所需可靠度下的疲劳寿命，该方法有效规避了钻杆疲劳寿命自身离散型特征，但室内试验试样截取、试验工作量大，存在耗时长、使用成本高的难题。

其次，发明专利《一种钻柱疲劳失效风险的评价方法》(CN 103967428 A)考虑传统静力学模型中未考虑钻柱振动(轴向、横向涡动、粘滑)产生高频交变应力对钻柱疲劳寿命影响，基于钻柱动力学有限元模型，得到全井钻柱各节点截面屈曲应力、修正动态弯曲应力、动态轴向应力分布，进而得到全井钻柱各节点疲频系数，并以此为基础完成全井钻柱疲劳断裂失效风险评估、钻柱结构参数和钻井参数优化。该方法充分考虑井筒中钻柱动态受力特征，并以此为基础完成动态应力下钻柱疲劳失效风险评估，但考虑到复杂交变应力作用下钻柱疲劳具有时间累积效应，基于该方法长时间、大规模全井钻柱累积疲劳失效风险评估计算量巨大、耗时长、钻井现场实用性较差。同时深井浅层大狗腿井段断钻柱主要集中在深井下部地层钻进(划眼)过程中上部大狗腿井段，相比因井筒狗腿度引起的弯曲应力，因钻柱振动产生弯曲应力较小，不是导致钻柱迅速疲劳断裂的主要诱因。

综上所述，现有技术中，针对深井浅层大狗腿井段频繁断钻柱问题，缺乏时效性强、易于推广应用的低成本方法或手段。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明所提出的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法及装置，实现了深井全井段钻柱累积疲劳强度预测与疲劳断裂风险预警，指导现场作业人员优化工艺措施及施工参数，及时起钻、倒换钻柱，保障深井、超深井钻井过程中钻柱安全，为避免深井浅层大狗腿井段因钻柱疲劳导致的频繁断钻柱事故，提供了一种时效性强、易于推广应用的低成本手段，提高深井、超深井钻井科学化、智能化水平，为未来数字化、自动化钻井提供支撑。

第一方面，本发明提供一种深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法，包括：

根据趟钻井段工程参数确定钻柱的应力参数；

根据所述应力参数建立所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型；

根据所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型预测所述钻柱疲劳强度。

一实施例中，所述工程参数包括钻进工程参数以及井筒工程参数；

所述钻进工程参数包括：钻压、转速、扭矩、立压、钩载、钻时以及钻井液密度；

所述井筒工程参数包括：井身结构、井斜方位以及钻柱组合。

一实施例中，所述应力参数包括：弯曲应力、轴向应力、剪切应力、周向应力以及切向应力应力数值。

一实施例中，所述根据所述应力参数建立所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型，包括：

基于钻柱裂纹扩展评估方法，根据钻柱界面最大应力差、最小应力差、F裂纹几何形状因子、截面应力比、钻柱材料断裂韧性指数、初始裂纹尺寸、临界裂纹尺寸以及材料常数建立所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型。

一实施例中，所述根据所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型预测所述钻柱疲劳强度，包括：

根据所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型计算截面在每个计算节点达到疲劳断裂对应循环周次；

根据所述钻柱实际旋转周数确定每个计算节点的钻柱相对疲劳系数，

根据每个计算节点的钻柱相对疲劳系数计算截面井段钻进累积疲劳系数；

根据多个截面井段钻进累积疲劳系数确定已钻井段的累积疲劳系数，以预测所述钻柱疲劳强度。

一实施例中，深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法还包括：

当所述已钻井段的累积疲劳系数超过预设阈值时，降低转速、提高机械钻速以及更换钻柱组合，直至所述已钻井段的累积疲劳系数小于预设阈值。

第二方面，本发明提供一种深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测装置，该装置包括：

应力参数确定模块，用于根据趟钻井段工程参数确定钻柱的应力参数；

计算模型建立模块，用于根据所述应力参数建立所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型；

疲劳强度预测模块，用于根据所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型预测所述钻柱疲劳强度。

一实施例中，所述工程参数包括钻进工程参数以及井筒工程参数；

所述钻进工程参数包括：钻压、转速、扭矩、立压、钩载、钻时以及钻井液密度；

所述井筒工程参数包括：井身结构、井斜方位以及钻柱组合。

一实施例中，所述应力参数包括：弯曲应力、轴向应力、剪切应力、周向应力以及切向应力应力数值。

一实施例中，所述计算模型建立模块包括：

计算模型建立单元，用于基于钻柱裂纹扩展评估方法，根据钻柱界面最大应力差、最小应力差、F裂纹几何形状因子、截面应力比、钻柱材料断裂韧性指数、初始裂纹尺寸、临界裂纹尺寸以及材料常数建立所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型。

一实施例中，所述疲劳强度预测模块包括：

循环周次计算单元，用于根据所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型计算截面在每个计算节点达到疲劳断裂对应循环周次；

相对疲劳系数确定单元，用于根据所述钻柱实际旋转周数确定每个计算节点的钻柱相对疲劳系数，

累积疲劳系数计算单元，用于根据每个计算节点的钻柱相对疲劳系数计算截面井段钻进累积疲劳系数；

疲劳强度预测单元，用于根据多个截面井段钻进累积疲劳系数确定已钻井段的累积疲劳系数，以预测所述钻柱疲劳强度。

一实施例中，深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测装置还包括：

更换钻井方式模块，用于当所述已钻井段的累积疲劳系数超过预设阈值时，降低转速、提高机械钻速以及更换钻柱组合，直至所述已钻井段的累积疲劳系数小于预设阈值。

第三方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法的步骤。

第四方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的确定机程序，处理器执行程序时实现深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法的步骤。

第五方面，本发明提供一种确定机可读存储介质，其上存储有确定机程序，该确定机程序被处理器执行时实现深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法的步骤。

从上述描述可知，本发明实施例提供的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法及装置，首先根据趟钻井段工程参数确定钻柱的应力参数；接着，根据应力参数建立钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型；最后根据钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型预测钻柱疲劳强度。

本发明可用于深井中钻柱累积疲劳强度预测与疲劳断裂风险预警，指导现场作业人员优化工艺措施及施工参数，及时起钻、倒换钻柱，保障深井、超深井钻井过程中钻柱安全，可以避免深井浅层大狗腿井段因钻柱疲劳导致的频繁断钻柱事故；具有时效性强、易于推广应用的低成本数字化方法，提高深井、超深井钻井科学化、智能化水平等技术效果，可以为未来数字化、自动化钻井提供支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例中的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法的流程示意图一；

图2为本发明的实施例中步骤200的流程示意图；

图3为本发明的实施例中步骤300的流程示意图；

图4为本发明的实施例中的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法的流程示意图二；

图5为本发明的具体应用实例中井段钻进钻柱累积疲劳系数计算步骤与流程图；

图6为本发明的具体应用实例中待钻井段全井钻柱疲劳断裂风险评估及预警流程图；

图7为本发明的具体应用实例中CT1井五开井身结构设计图；

图8为本发明的具体应用实例中CT1井两次断钻柱断点位置示意图；

图9为本发明的具体应用实例中CT1井一至三开井段钻柱累积疲劳指数示意图；

图10为本发明的具体应用实例中CT1井四至五开井段钻柱累积疲劳指数示意图；

图11为本发明的具体应用实例中CT1井不同转速、机械钻速下五开井段完钻全井累积疲劳系数分布示意图；

图12为本发明的具体应用实例中CT1井五开井段实钻机械钻速、转速分布示意图；

图13为本发明的实施例中的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测装置的组成示意图一；

图14为本发明的实施例中计算模型建立模块20的组成示意图；

图15为本发明的实施例中疲劳强度预测模块30的组成示意图；

图16为本发明的实施例中的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测装置的组成示意图二；

图17为本发明的实施例中的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或确定机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有确定机可用程序代码的确定机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的确定机程序产品的形式。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明的实施例提供一种深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法的具体实施方式，参见图1，该方法具体包括如下内容：

步骤100：根据趟钻井段工程参数确定钻柱的应力参数；

具体地，依据趟钻井段钻进工程参数(钻压、转速、扭矩、立压、钩载、钻时、钻井液密度等)，井筒工程参数(井身结构、井斜方位、钻柱组合等)，获得钻柱某一个截面弯曲应力、轴向应力、剪切应力、周向应力、切向应力等应力数值；

步骤200：根据所述应力参数建立所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型；

根据钻柱裂纹扩展评估方法，建立基于初始缺陷的钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型，得到该截面在某一计算节点下达到疲劳断裂对应循环周次，计算方法如下：

上式中：N为选取截面计算节点达到疲劳断裂对应循环周次，无量纲；Δσ计算截面最大、最小应力差，MPa；F裂纹几何形状因子，无量纲；R_x截面应力比，无量纲；K_IC钻柱材料断裂韧性指数，MPa·m^1/2；a₀、a_c初始及临界裂纹尺寸，m；c、m材料常数，无量纲。

步骤300：根据所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型预测所述钻柱疲劳强度。

具体地，依据步骤300中的钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型，计算井筒中已钻井段每趟钻钻柱累积疲劳系数，以预测钻柱疲劳强度。

从上述描述可知，本发明实施例提供的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法，首先根据趟钻井段工程参数确定钻柱的应力参数；接着，根据应力参数建立钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型；最后根据钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型预测钻柱疲劳强度。

本发明针对现有钻柱疲劳失效预测及评价方法耗时长、使用成本高、时效性低、针对性不足等问题，提出了一种基于钻柱初始缺陷扩展模型的钻柱累积疲劳强度计算方法，该方法包含基于钻柱初始缺陷扩展模型的钻柱累积疲劳强度计算方法，以及基于钻柱累积疲劳强度计算方法的钻前、随钻井筒钻柱疲劳断裂风险校核流程，实现深井全井段钻柱累积疲劳强度预测与疲劳断裂风险预警，指导现场作业人员优化工艺措施及施工参数，及时起钻、倒换钻柱，保障深井、超深井钻井过程中钻柱安全，为避免深井浅层大狗腿井段因钻柱疲劳导致的频繁断钻柱事故，提供了一种时效性强、易于推广应用的低成本数字化手段。

一实施例中，所述工程参数包括钻进工程参数以及井筒工程参数；

所述钻进工程参数包括：钻压、转速、扭矩、立压以及钻井液密度；

所述井筒工程参数包括：井身结构、井斜方位以及钻柱组合。

一实施例中，所述应力参数包括：弯曲应力、轴向应力、剪切应力、周向应力以及切向应力。

一实施例中，参见图2，步骤200包括：

步骤201：基于钻柱裂纹扩展评估方法，根据钻柱界面最大应力差、最小应力差、F裂纹几何形状因子、截面应力比、钻柱材料断裂韧性指数、初始裂纹尺寸、临界裂纹尺寸以及材料常数建立所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型。

一实施例中，参见图3，步骤300包括：

步骤301：根据所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型计算截面在每个计算节点达到疲劳断裂对应循环周次；

截面在每个计算节点对应工程参数下达到疲劳断裂对应循环周次

步骤302：根据所述钻柱实际旋转周数确定每个计算节点的钻柱相对疲劳系数；

步骤303：根据每个计算节点的钻柱相对疲劳系数计算截面井段钻进累积疲劳系数；

在步骤302以及步骤303中，依据钻柱实际旋转周数得到每个计算节点钻柱相对疲劳系数，将截面在井段中每个计算节点相对疲劳系数累加，得到计算截面井段钻进累积疲劳系数；

计算节点相对疲劳系数：

上式中：n_i为截面在计算节点相对疲劳系数，无量纲；RPM为计算节点钻柱转速，r/min；ROP计算节点机械钻速，m/h；Δl_i为计算节点进尺长度，m；

步骤304：根据多个截面井段钻进累积疲劳系数确定已钻井段的累积疲劳系数，以预测所述钻柱疲劳强度。

将井段钻柱按照需求拆分成k个计算截面，并依据公式(3)计算已钻井段全井钻柱各个计算截面累积疲劳系数分布。

截面钻进井段区间μ个计算节点累积疲劳系数：

一实施例中，参见图4，深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法还包括：

步骤400：当所述已钻井段的累积疲劳系数超过预设阈值时，降低转速、提高机械钻速以及更换钻柱组合，直至所述已钻井段的累积疲劳系数小于预设阈值。

具体地，依据待钻井段钻至目标井深全井钻柱累积疲劳系数分布情况，确定全井钻柱最大累积疲劳系数数值与位置，对比最大累积疲劳系数是否达到指定阀值；

若超过指定阀值，计算更新改变钻井参数(降低转速、提高机械钻速)、(倒换)更换钻柱组合等工艺措施后全井钻柱最大累积疲劳系数数值，直至小于指定阀值，若改变钻井参数(降低转速、提高机械钻速)、倒换钻柱等工艺措施后全井钻柱最大累积疲劳系数数值仍大于阀值，待钻井段钻进过程中全井采用新钻柱钻进；

依据优化后钻井参数及工艺措施钻进，待钻井段实钻过程中对比实际机械钻速是否达到设定机械钻速，若达到则继续钻进，若未达到，计算更新全井钻柱实际累积疲劳系数分布情况，确定全井钻柱最大累积疲劳系数是否达到指定阈值，在达到阀值A前起钻甩掉井筒中累积疲劳系数大于指定阀值的钻柱。

本发明利针对现有钻柱疲劳失效预测及评价方法耗时长、使用成本高、时效性低、针对性不足等问题，提出了一种深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法，该方法包括：根据趟钻井段工程参数确定钻柱的应力参数；根据所述应力参数建立所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型；根据所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型预测所述钻柱疲劳强度。本发明实现深井全井段钻柱累积疲劳强度预测与疲劳断裂风险预警，指导现场作业人员优化工艺措施及施工参数，及时起钻、倒换钻柱，保障深井、超深井钻井过程中钻柱安全，为避免深井浅层大狗腿井段因钻柱疲劳导致的频繁断钻柱事故，提供了一种时效性强、易于推广应用的低成本手段，提高深井、超深井钻井科学化、智能化水平，为未来数字化、自动化钻井提供支撑。

为进一步地说明本方案，本发明还以某地区的探井CT1为例，提供深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法的具体应用实例，参见图5以及图6，该具体应用实例具体包括如下内容。

见图7，CT1井采用五开井身结构其中四开Ф241.3mm井段钻进过程中上部井段钻柱出现两次断钻柱事故，其中两次断钻柱井深分别为4751.28m、5155.05m，两次断钻柱断点所在井深分别为1715.81m、1715m，对比发现两次钻柱断裂井深位置均为该井浅层大狗腿位置，见图8。发生两次断钻柱事故后开展打捞钻柱，处理完事故复杂后继续钻进，钻至井深5155.5m四开井段完钻。考虑到五开井段5155.5m-5850m钻进过程中上部1600-1620m、1720-1740m井段存在浅层大狗腿，与四开井段相比，五开井段钻进钻柱轴向应力更大，钻进过程中浅层大狗腿井段钻柱存在再次疲劳断裂风险，依据创新成果技术路线与计算方法，对五开待钻井段开展钻前全井钻柱疲劳断裂风险分析及预警。

S1：计算趟钻钻柱累积疲劳系数；

具体地，步骤S1又包括：

S11:依据趟钻井段钻进工程参数(钻压、转速、扭矩、立压、钩载、钻时、钻井液密度等)，井筒工程参数(井身结构、井斜方位、钻柱组合等)，获得钻柱某一个截面弯曲应力、轴向应力、剪切应力、周向应力、切向应力等应力数值；

S12：基于应力结果得到截面等效合成应力，获得计算截面平均应力及应力幅值。

S13：建立钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型。

依据钻柱裂纹扩展评估方法，建立基于初始缺陷的钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型，具体参见公式(1)。

S14：计算截面井段钻进累积疲劳系数。

获得截面在井段每个计算节点对应工程参数，重复步骤S11、S12、S13，得到截面在每个计算节点对应工程参数下达到疲劳断裂对应循环周次，依据钻柱实际旋转周数得到每个计算节点钻柱相对疲劳系数，将截面在井段中每个计算节点相对疲劳系数累加，得到计算截面井段钻进累积疲劳系数。

S2:不同工艺措施及钻井参数下待钻井段全井钻柱疲劳断裂风险评估及预警.

具体地，步骤S2又包括：

S21:按照步骤S1中钻柱累积疲劳系数计算方法，计算井筒中已钻井段每趟钻钻柱累积疲劳系数，将每趟钻中钻柱累积疲劳系数叠加，得到当前井深下已钻井段全井钻柱累积疲劳系数分布；

S22:按照步骤S1中钻柱累积疲劳系数计算方法，计算按照当前工艺措施(钻柱组合、钻井液密度等)、钻井参数(钻压、转速、机械钻速)下待钻井段钻至目的井深时全井钻柱累积疲劳系数分布，结合上部已钻井段钻柱累积疲劳系数分布情况，累加得到当前工艺措施、钻进参数下待钻井段钻至目的井深全井钻柱累积疲劳系数分布；

S23:依据待钻井段钻至目标井深全井钻柱累积疲劳系数分布情况，确定全井钻柱最大累积疲劳系数数值与位置，对比最大累积疲劳系数是否达到指定阀值A；

S24:若超过指定阀值A，计算更新改变钻井参数(降低转速、提高机械钻速)、(倒换)更换钻柱组合等工艺措施后全井钻柱最大累积疲劳系数数值，直至小于指定阀值A，若改变钻井参数(降低转速、提高机械钻速)、倒换钻柱等工艺措施后全井钻柱最大累积疲劳系数数值仍大于阀值A，待钻井段钻进过程中全井采用新钻柱钻进；

S25:依据优化后钻井参数及工艺措施钻进，待钻井段实钻过程中对比实际机械钻速是否达到设定机械钻速，若达到则继续钻进，若未达到，计算更新全井钻柱实际累积疲劳系数分布情况，确定全井钻柱最大累积疲劳系数是否达到指定阈值A，在达到阀值A前起钻甩掉井筒中累积疲劳系数大于B钻柱，重复步骤S21至S24。

首先，依据井筒工程参数以及钻进工程参数，计算CT井的一至三开井段(井深0-4480m)全井钻柱累积疲劳系数分布，依据井史记录，三开井段完钻后进行倒换钻柱，井深2850m以下井段钻柱倒换至钻头往上，井深2850m以上钻柱倒换至井口往下，其中一至三开每趟钻钻柱累积疲劳指数分布、倒换钻柱前后一至三开钻柱累积疲劳指数分布见图9，计算分析发现一至三开全井钻柱最大累积疲劳指数未达到指定阀值A；

接着，基于计算倒换钻具后全井钻柱一至三开累积疲劳指数分布，四开井段完钻后迭代更新全井钻柱累积疲劳指数，依据创新成果技术路线将五开待钻井段转速、机械钻速调整至40r/min、4m/h，计算得到五开井段以设定钻进参数钻至设计完钻井深5850m后全井钻柱累积疲劳指数分布，计算后发现全井钻柱最大累积疲劳指数超过阀值A。依据创新成果技术路线，将四开完钻后井深1750m以上钻柱倒换至钻头往上，井深1750m以下钻柱倒转至井口往下，再次计算叠加五开井段以40r/min、4m/h钻至设计完钻井深后全井钻柱累积疲劳指数分布，发现全井钻柱最大累积疲劳指数依旧大于阀值A见图10。

1)依据计算校核结果，四开完钻后起钻全井更换新钻具，计算不同机械钻速、转速组合(80r/min、1.5m/h；60r/min、3m/h；40r/min、4m/h；50r/min、2.5m/h；70r/min、5m/h)钻至五开设计完钻井深全井钻柱累积疲劳指数分布见图11，依据分析可知，模拟分析确定五开井段转速80r/min、1.5m/h钻进，井筒钻柱最大累积疲劳指数超过临界阀值A，使用其它机械钻速、转速组合钻进，全井钻柱累积疲劳指数均小于阀值A。

2)依据计算分析结果，设定五开井段钻进转速上限60r/min、机械钻速下限3m/h，井段钻进过程中实际转速、机械钻速见图12，五开井段实钻机械钻速基本高于设定机械钻速下限，实钻转速低于设定转速上限。依据五开实钻工程参数，计算得到钻至设计完钻井深全井钻柱累积疲劳指数分布见图11，计算分析发现五开完钻全井钻柱最大累积疲劳指数0.35，小于设定临界阀值A，CT1井五开井段实现全井无钻具事故安全完钻。

从上述描述可知，本发明实施例提供的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法，首先根据趟钻井段工程参数确定钻柱的应力参数；接着，根据应力参数建立钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型；最后根据钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型预测钻柱疲劳强度。

本发明利针对现有钻柱疲劳失效预测及评价方法耗时长、使用成本高、时效性低、针对性不足等问题，提出了一种适用于深井浅层大狗腿井段预防钻柱疲劳断裂预警方法，该方法包含基于钻柱初始缺陷扩展模型的钻柱累积疲劳强度计算方法，以及基于钻柱累积疲劳强度计算方法的钻前、随钻井筒钻柱疲劳断裂风险校核流程，实现深井全井段钻柱累积疲劳强度预测与疲劳断裂风险预警，指导现场作业人员优化工艺措施及施工参数，及时起钻、倒换钻柱，保障深井、超深井钻井过程中钻柱安全，为避免深井浅层大狗腿井段因钻柱疲劳导致的频繁断钻柱事故，提供了一种时效性强、易于推广应用的低成本手段，提高深井、超深井钻井科学化、智能化水平，为未来数字化、自动化钻井提供支撑。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测装置，可以用于实现上述实施例所描述的方法，如下面的实施例。由于深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测装置解决问题的原理与深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法相似，因此深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测装置的实施可以参见深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的系统较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

本发明的实施例提供一种能够实现深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测装置的具体实施方式，参见图13，深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测装置具体包括如下内容：

应力参数确定模块10，用于根据趟钻井段工程参数确定钻柱的应力参数；

计算模型建立模块20，用于根据所述应力参数建立所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型；

疲劳强度预测模块30，用于根据所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型预测所述钻柱疲劳强度。

一实施例中，所述工程参数包括钻进工程参数以及井筒工程参数；

所述钻进工程参数包括：钻压、转速、扭矩、立压、钩载、钻时以及钻井液密度等；

所述井筒工程参数包括：井身结构、井斜方位以及钻柱组合等。

一实施例中，所述应力参数包括：弯曲应力、轴向应力、剪切应力、周向应力以及切向应力等。

一实施例中，参见图14，所述计算模型建立模块20包括：

计算模型建立单元201，基于钻柱裂纹扩展评估方法，根据钻柱界面最大应力差、最小应力差、F裂纹几何形状因子、截面应力比、钻柱材料断裂韧性指数、初始裂纹尺寸、临界裂纹尺寸以及材料常数建立所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型。

一实施例中，参见图15，所述疲劳强度预测模块30包括：

循环周次计算单元301，用于根据所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型计算截面在每个计算节点达到疲劳断裂对应循环周次；

相对疲劳系数确定单元302，用于根据所述钻柱实际旋转周数确定每个计算节点的钻柱相对疲劳系数，

累积疲劳系数计算单元303，用于根据每个计算节点的钻柱相对疲劳系数计算截面井段钻进累积疲劳系数；

疲劳强度预测单元304，用于根据多个截面井段钻进累积疲劳系数确定已钻井段的累积疲劳系数，以预测所述钻柱疲劳强度。

一实施例中，参见图16，深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测装置还包括：

更换钻井方式模块40，用于当所述已钻井段的累积疲劳系数超过预设阈值时，降低转速、提高机械钻速以及更换钻柱组合，直至所述已钻井段的累积疲劳系数小于预设阈值。

从上述描述可知，本发明实施例提供的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测装置，首先根据趟钻井段工程参数确定钻柱的应力参数；接着，根据应力参数建立钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型；最后根据钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型预测钻柱疲劳强度。

本发明利针对现有钻柱疲劳失效预测及评价方法耗时长、使用成本高、时效性低、针对性不足等问题，提出了一种适用于深井浅层大狗腿井段预防钻柱疲劳断裂预警方法，该方法包含基于钻柱初始缺陷扩展模型的钻柱累积疲劳强度计算方法，以及基于钻柱累积疲劳强度计算方法的钻前、随钻井筒钻柱疲劳断裂风险校核流程，实现深井全井段钻柱累积疲劳强度预测与疲劳断裂风险预警，指导现场作业人员优化工艺措施及施工参数，及时起钻、倒换钻柱，保障深井、超深井钻井过程中钻柱安全，为避免深井浅层大狗腿井段因钻柱疲劳导致的频繁断钻柱事故，提供了一种时效性强、易于推广应用的低成本手段，提高深井、超深井钻井科学化、智能化水平，为未来数字化、自动化钻井提供支撑。

本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法中全部步骤的一种电子设备的具体实施方式，参见图17，电子设备具体包括如下内容：

处理器(processor)1201、存储器(memory)1202、通信接口(CommunicationsInterface)1203和总线1204；

其中，处理器1201、存储器1202、通信接口1203通过总线1204完成相互间的通信；通信接口1203用于实现服务器端设备以及客户端设备等相关设备之间的信息传输；

处理器1201用于调用存储器1202中的确定机程序，处理器执行确定机程序时实现上述实施例中的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法中的全部步骤，例如，处理器执行确定机程序时实现下述步骤：

步骤100：根据趟钻井段工程参数确定钻柱的应力参数；

步骤200：根据所述应力参数建立所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型；

步骤300：根据所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型预测所述钻柱疲劳强度。

本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法中全部步骤的一种确定机可读存储介质，确定机可读存储介质上存储有确定机程序，该确定机程序被处理器执行时实现上述实施例中的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法的全部步骤，例如，处理器执行确定机程序时实现下述步骤：

步骤100：根据趟钻井段工程参数确定钻柱的应力参数；

步骤200：根据所述应力参数建立所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型；

步骤300：根据所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型预测所述钻柱疲劳强度。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于硬件+程序类实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

虽然本申请提供了如实施例或流程图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本说明书实施例时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块或子单元的组合实现等。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

本领域技术人员也知道，除了以纯确定机可读程序代码方式实现控制器以外，完5全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

0在一个典型的配置中，确定设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括确定机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/

或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是确定机可读介质的示例。

5本说明书实施例可以在由确定机执行的确定机可执行指令的一般上下文中描述，

例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式确定环境中实践本说明书实施例，在这些分布式确定环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在

分布式确定环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程确定机存储介0质中。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参

见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些5实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。

Claims (15)

1.一种深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法，其特征在于，包括：

根据趟钻井段工程参数确定钻柱的应力参数；

根据所述应力参数建立所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型；

根据所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型预测所述钻柱疲劳强度。

2.根据权利要求1所述的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法，其特征在于，所述工程参数包括钻进工程参数以及井筒工程参数；

所述钻进工程参数包括：钻压、转速、扭矩、立压、钩载、钻时以及钻井液密度；

所述井筒工程参数包括：井身结构、井斜方位以及钻柱组合。

3.根据权利要求1所述的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法，其特征在于，所述应力参数包括：弯曲应力、轴向应力、剪切应力、周向应力以及切向应力应力数值。

4.根据权利要求1所述的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法，其特征在于，所述根据所述应力参数建立所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型，包括：

基于钻柱裂纹扩展评估方法，根据钻柱界面最大应力差、最小应力差、F裂纹几何形状因子、截面应力比、钻柱材料断裂韧性指数、初始裂纹尺寸、临界裂纹尺寸以及材料常数建立所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型。

5.根据权利要求1所述的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法，其特征在于，所述根据所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型预测所述钻柱疲劳强度，包括：

根据所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型计算截面在每个计算节点达到疲劳断裂对应循环周次；

根据所述钻柱实际旋转周数确定每个计算节点的钻柱相对疲劳系数；

根据每个计算节点的钻柱相对疲劳系数计算截面井段钻进累积疲劳系数；

根据多个截面井段钻进累积疲劳系数确定已钻井段的累积疲劳系数，以预测所述钻柱疲劳强度。

6.根据权利要求5所述的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法，其特征在于，还包括：

当所述已钻井段的累积疲劳系数超过预设阈值时，降低转速、提高机械钻速以及更换钻柱组合，直至所述已钻井段的累积疲劳系数小于预设阈值。

7.一种深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测装置，其特征在于，包括：

应力参数确定模块，用于根据趟钻井段工程参数确定钻柱的应力参数；

计算模型建立模块，用于根据所述应力参数建立所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型；

疲劳强度预测模块，用于根据所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型预测所述钻柱疲劳强度。

8.根据权利要求7所述的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测装置，其特征在于，所述工程参数包括钻进工程参数以及井筒工程参数；

所述钻进工程参数包括：钻压、转速、扭矩、立压、钩载、钻时以及钻井液密度；

所述井筒工程参数包括：井身结构、井斜方位以及钻柱组合。

9.根据权利要求7所述的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测装置，其特征在于，所述应力参数包括：弯曲应力、轴向应力、剪切应力、周向应力以及切向应力应力数值。

10.根据权利要求7所述的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测装置，其特征在于，所述计算模型建立模块包括：

计算模型建立单元，用于基于钻柱裂纹扩展评估方法，根据钻柱界面最大应力差、最小应力差、F裂纹几何形状因子、截面应力比、钻柱材料断裂韧性指数、初始裂纹尺寸、临界裂纹尺寸以及材料常数建立所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型。

11.根据权利要求7所述的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测装置，其特征在于，所述疲劳强度预测模块包括：

循环周次计算单元，用于根据所述钻柱疲劳裂纹拓展速率计算模型计算截面在每个计算节点达到疲劳断裂对应循环周次；

相对疲劳系数确定单元，用于根据所述钻柱实际旋转周数确定每个计算节点的钻柱相对疲劳系数；

累积疲劳系数计算单元，用于根据每个计算节点的钻柱相对疲劳系数计算截面井段钻进累积疲劳系数；

疲劳强度预测单元，用于根据多个截面井段钻进累积疲劳系数确定已钻井段的累积疲劳系数，以预测所述钻柱疲劳强度。

12.根据权利要求11所述的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测装置，其特征在于，还包括：

更换钻井方式模块，用于当所述已钻井段的累积疲劳系数超过预设阈值时，降低转速、提高机械钻速以及更换钻柱组合，直至所述已钻井段的累积疲劳系数小于预设阈值。

13.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，其特征在于，该计算机程序/指令被处理器执行时实现权利要求1至6任一项所述的深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法。

14.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的确定机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至6任一项所述深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法的步骤。

15.一种确定机可读存储介质，其上存储有确定机程序，其特征在于，该确定机程序被处理器执行时实现权利要求1至6任一项所述深井浅层大狗腿井段钻柱疲劳断裂预测方法的步骤。

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