[发明专利]一种钻柱疲劳失效风险的评价方法

权利要求书

1.一种钻柱疲劳失效风险的评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.获取或测量目标井的井身结构，钻具组合结构和实际井眼轨迹参数；

b.建立钻柱动力学有限元模型；

c.按照钻进时的实际工况，给定转速、钻压等钻井参数，计算求解全井钻柱各节点截面在一定钻进时间内的屈曲应力、动态弯曲应力和动态轴向力；计算由于钻柱接箍的存在导致的过渡带局部弯曲应力放大系数，对动态弯曲应力进行修正；

d.根据钻柱动态疲劳系数模型求解钻柱动态疲劳系数；根据动态弯曲应力的变化得到弯曲应力变化频率，根据钻柱动态疲劳系数并考虑钻柱振动频率对疲劳的影响建立全井钻柱疲频系数计算模型，根据此模型求解全井钻柱各节点截面的疲频系数；

e.根据求得的疲频系数给出其与井深关系图，从而对钻柱是否具有较高的产生疲劳失效的风险进行评价，并确定出钻柱疲劳失效风险较高的位置。

2.根据权利要求1所述的钻柱疲劳失效风险的评价方法，其特征在于，所述步骤a中获取或测量目标井的井身结构，钻具组合结构和实际井眼轨迹参数的具体步骤如下：

a1.根据实际钻井情况获取井身结构参数；

a2.利用测量工具测量钻具组合结构，或从井队获取已测量好的钻具组合结构参数；

a3.利用随钻测量装置，即MWD或LWD、或单点、多点测量仪跟踪测量实际井眼轨迹参数，包括测深（m），井斜角(°)，方位角（°）。

3.根据权利要求1所述的钻柱疲劳失效风险的评价方法，其特征在于，所述步骤b中建立钻柱动力学有限元模型具体步骤如下：

b1.针对目标井，根据井眼轨迹、井身结构和钻具组合结构参数划分网格；

b2.根据所划分单元的几何参数求解单元刚度矩阵、单元阻尼矩阵、单元质量矩阵以及单元节点外力矢量；

b3.经过局部坐标与整体坐标转换矩阵整合整体刚度矩阵、整体阻尼矩阵、整体质量矩阵以及整体节点外力矢量；

b4.根据Hamilton原理，由上述矩阵向量得到钻柱动力学一般方程，建立钻柱动力学有限元模型:

式中： 为广义加速度，单位；为广义速度，单位；为广义位移，单位；为外力矢量，单位；[M]、[C]、[K]分别为质量矩阵，阻尼矩阵及刚度矩阵。

4.根据权利要求1所述的钻柱疲劳失效风险的评价方法，其特征在于，所述步骤c中求解全井钻柱各节点截面屈曲应力、动态弯曲应力和动态轴向力以及修正动态弯曲应力的具体步骤如下：

c1.先根据钻进时实际的工况，给定钻压、转速等钻井参数加入步骤b中的钻柱动力学有限元模型，模拟实际钻进的过程；

c2.利用Newmark方法和节点迭代法求解钻柱动力学模型，得到全井钻柱各节点位移；

c3.由节点位移通过几何关系得到单元应变，再由单元应变通过本构关系求解节点屈曲应力，如发生屈曲、动态弯曲应力和动态轴向力；

c4.根据钻柱受拉、受压以及与井壁接触的情况计算过渡带位置截面弯曲应力放大系数并对动态弯曲应力进行修正：

式中，为考虑局部弯曲效应放大作用后的弯曲应力，单位MPa，为管柱材料的弹性模量，单位MPa，为井眼曲率，单位1/m，为钻柱的外径，单位m，为弯曲应力放大系数，其主要考虑在弯曲井眼中，因接箍存在而造成的钻杆加厚过渡带位置的局部弯曲应力放大作用。

5.根据权利要求1所述的钻柱疲劳失效风险的评价方法，其特征在于，所述步骤d中的求解全井钻柱各节点截面疲频系数的具体步骤如下：

d1.根据步骤c中求解得到的屈曲应力、修正后的动态弯曲应力以及动态轴向力，求解各节点截面的动态疲劳系数：

式中，为动态疲劳系数，为屈曲应力，单位MPa，只有当屈曲发生时，才会产生因屈曲而造成的弯曲应力；为动态疲劳极限，其将因为动态轴向力的波动而体现为一个动态变量；为考虑局部弯曲效应放大作用后的动态弯曲应力，单位MPa；

d2. 根据各节点弯曲应力的波动情况，得到弯曲应力变化频率；

d3. 由动态疲劳系数、弯曲应力变化频率以及钻柱自转频率求解疲频系数为：

式中，f为弯曲应力变化频率，单位Hz；为钻柱自转频率，单位Hz。