专利名称：地面钻井套管变形破坏安全性分析方法及分析系统的制作方法
技术领域：
本发明属于地面瓦斯抽采技术领域，具体涉及对地面瓦斯抽采的地面钻井套管受 力变形破坏的安全性分析。
背景技术：
地面钻井瓦斯抽采工程中，钻井套管受到岩层层间剪切和离层拉伸等作用发生结 构变形。由于钻井套管一般为碳钢等弹脆性体材料，当套管剪应力或者拉应力达到并超越 套管的许用剪切应力或拉伸应力时，套管将在应力超限部位发生应力破坏，从而导致套管 漏水、漏气，严重时还会导致泥沙阻塞管道，造成钻井报废。地面钻井套管变形破坏的危险程度、破坏的位置等的判断在钻井变形防护工程中 有着十分重要的作用。而由于钻井套管变形破坏的影响因素多、破坏原因复杂，其评判往往 采取工程经验判断，或者采取大幅度提高套管安全性的方法，这样不但浪费了工程材料，提 高了工程成本，也使得钻井防护工程的合理性大大降低。

发明内容
有鉴于此，为了解决上述问题，本发明公开了一种可有效综合多种影响因素，对地 面钻井套管变形破坏安全性进行有效分析的方法。本发明的目的是这样实现的地面钻井套管变形破坏安全性分析方法，包括如下 步骤1)获取采场上覆各岩层最大沉降位移；2)获得待分析界面位置钻井套管的最大剪切滑移位移和最大离层拉伸位移；3)计算获得待分析界面位置钻井套管的最大剪切应力和最大拉伸应力；4)通过下列算式计算待分析界面处钻井套管的剪切破坏安全系数和/或拉伸破 坏安全系数
f _3fl-V|,m_·剪切破坏安全系数Λ—2，，1,2、.2π ‘
ΗΑΕπ (3η -3r/ + i )cos(——_y)
a式中τ lim为钻井套管能承载的极限剪应力；A为钻井套管发生的最大剪切滑移 位移；E为钻井套管弹性模量；a为剪切区域宽度的2倍；Γι为钻井套管外径和内径；t为钻 井套管的壁厚；y为钻井套管剪切区域内最大剪应力点距离剪切区域边缘的距离。
Γλλ^ι+ 丄/rhr屮八-T - cr^-Iim _ 对(2尸ι ~ Of7I-Hm _0Vlim_ .拉伸破坏安全系数/, ----= ^w λ , Λ ,-,,式中σ t_lim为钻井套管允许承载的极限拉伸应力；σ t_in为钻井套管实际承载的 拉伸应力；E为钻井套管弹性模量；ε (y)为因岩层剪切滑移而发生的钻井套管微观拉伸变
权利要求
地面钻井套管变形破坏安全性分析方法，其特征在于包括如下步骤1)获取采场上覆各岩层最大沉降位移；2)获得待分析界面位置钻井套管的最大剪切滑移位移和最大离层拉伸位移；3)计算获得待分析界面位置钻井套管的最大剪切应力和最大拉伸应力；4)通过下列算式计算待分析界面处钻井套管的剪切破坏安全系数和/或拉伸破坏安全系数剪切破坏安全系数式中τlim为钻井套管能承载的极限剪应力；A为钻井套管发生的最大剪切滑移位移；E为钻井套管弹性模量；a为剪切区域宽度的2倍；r1为钻井套管外径；t为钻井套管的壁厚；y为钻井套管剪切区域内最大剪应力点距离剪切区域边缘的距离。拉伸破坏安全系数式中σt lim为钻井套管允许承载的极限拉伸应力；σt in为钻井套管实际承载的拉伸应力；E为钻井套管弹性模量；ε(y)为因岩层剪切滑移而发生的钻井套管微观拉伸变形，Δw为待分析界面位置钻井套管的最大离层拉伸位移；a为剪切区域宽度的2倍。5)当待分析界面处钻井套管的剪切破坏安全系数或拉伸破坏安全系数小于阈值时，判定钻井套管将发生剪切破坏或拉伸破坏。FSA00000251144800011.tif,FSA00000251144800012.tif,FSA00000251144800013.tif
2.如权利要求1所述的地面钻井套管变形破坏安全性分析方法，其特征在于所述步 骤1)中，岩层的最大沉降位移的通过地表沉陷P系数法求解获取。
3.如权利要求1所述的地面钻井套管变形破坏安全性分析方法，其特征在于所述步 骤2)中，通过下式计算待分析界面位置钻井套管的最大剪切滑移位移up =[w2(x)cos2 (9+ w2(z)]2 ；其中‘{Χ'Γγ (Λ 2h,A= —^半无限开采时fY<Λ , Α Jx-rY)1(x-ry-l)2'■>~-e]有限幵采时、rr, W,- ρ 1 71 r2 r ds半无限开采时rY ^ rY< β _ [Z-Vv-Sz)2— (r-ry-5--/)2,^ =^「丄有限幵采时 rY h rY_ (:-ryf u(z) = ^^B e 'yV ) rY半无限开采时<。 IhB -样；u (ζ) =''7 -e]有限幵采时I -垦 r 1dS半无限幵采时<_ {x~ry~sx)2 _ (x-ry-Sx.j)2；B0=^-「丄有限幵采时 、 rY * rY上列算式中up为最大剪切滑移位移； u(x),u(ζ)分别为采场倾向和走向方向的最大剪切滑移位移； Ii1为界面之上岩层的厚度； Wi为复合岩层所在平面最大沉降位移；COS θ为采场上覆岩层(Χ，Ζ)点处倾向方向复合岩梁发生层间滑移后相对初始位置的倾角余弦值，COS2 θ = -^y- = 1 ； \ + tg θ \ + w (χ)W(X)'由w(x,z) = wmax—「2e rr dsx — Ve Γ 论-求导获得；rY aIrY -tIy是剪切区域内套管沿自身轴向的长度；rY为所求界面深度处的采动影响半径，取界面之上岩层上表面的埋深为基准埋深， ^H — Y ^rlH为回采煤层埋藏深度； Y为所求水平面距地表的深度； r为地表的采动影响半经； η为经验指数；通过下式计算最大离层拉伸位移= (W: — W= ) [ ye^^^ds ；式中，rY为界面位置处的采动影响半径；S为岩层沉降的拐点偏移距；K:和C.为步骤1)中，由P系数法计算的相邻两组合关键层的沉降位移。
4.如权利要求1所述的地面钻井套管变形破坏安全性分析方法，其特征在 于所述步骤3)中，通过下式计算待分析界面位置钻井套管的最大剪切应力
5.如权利要求1所述的地面钻井套管变形破坏安全性分析方法，其特征在于所述步 骤1)之前，还包括如下步骤通过下式获得采场上覆岩层中关键层位置和组合关键层的划 分规律，将具有高危险性的关键层下岩层界面和组合关键层内的厚层岩层下的界面作为待 分析界面
6.如权利要求1所述的地面钻井套管变形破坏安全性分析方法，其特征在于所述阈 值为1。
7.地面钻井套管变形破坏安全性分析系统，其特征在于包括 沉降位移获取模块，用以获取采场上覆各岩层的最大沉降位移；剪切滑移位移及离层拉伸位移获取模块，用以获取待分析界面位置钻井套管的最大剪 切滑移位移和最大离层拉伸位移；剪切应力获取及拉伸应力获取模块，用以获取待分析界面位置钻井套管的最大剪切应 力及最大拉伸应力；变形破坏安全系数获取模块，用以获取待分析界面位置的剪切破坏安全系数和拉伸破 坏安全系数；地面钻井套管变形破坏安全性判定模块，当界面处钻井套管的剪切破坏安全系数或拉 伸破坏安全系数小于1时，判定钻井套管将发生剪切破坏或拉伸破坏，输出判定结果。
全文摘要
本发明属于地面瓦斯抽采技术领域，具体涉及对地面瓦斯抽采的地面钻井套管受力变形破坏的安全分析方法和分析系统，所述分析方法包括可有效综合多种影响因素，对地面钻井套管变形破坏安全性进行有效的分析，包括如下步骤1)获取各岩层的最大沉降位移；2)获得待分析界面位置钻井套管的最大剪切滑移位移和最大离层拉伸位移；3)计算获得待分析界面位置的钻井套管的最大剪切应力和最大拉伸应力；4)计算待分析界面处钻井套管的剪切破坏安全系数和/或拉伸破坏安全系数；5)当界面处钻井套管的剪切破坏安全系数或拉伸破坏安全系数小于1时，判定钻井套管将发生剪切破坏或拉伸破坏；本发明能准确得出套管变形破坏安全性分析结论，为钻井设计及防护工程的开展提供决策依据。
文档编号G01N3/24GK101968414SQ20101026844
公开日2011年2月9日 申请日期2010年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者孙海涛, 孙炳兴, 李日富, 林府进, 陈金华 申请人:煤炭科学研究总院重庆研究院