气体钻井钻具损坏原因及控制措施研究

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1、石油机械2010年第38卷第11期CHINAPETROLEUMMACHINERY专题研究气体钻井钻具损坏原因及控制措施研究郑德帅高德利(中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室)摘要气体钻井中钻具损坏问题频繁发生，钻具损坏问题部分抵消了气体钻井所带来的钻速优势。指出气体钻井中钻具损坏的主要原因有：井底不平引起的轴向振动、钻柱剪应力增加、钻具冲蚀及腐蚀、井径扩大引起严重弯曲，认为气体钻井条件下的钻具损坏要比钻井液钻井更为严重。针对钻具的失效原因提出了预防和减轻钻具损坏的控制措施，即使用空气减震器和纯滑动牙轮钻头，推广空气锤的应用，加强钻柱接头的设计改进以及耐磨

2、研究。关键词气体钻井钻具损坏振动控制措施破岩显的脆断特征，说明钻柱在井下可能发生了腐蚀，0引言导致出现裂纹或“氢脆”，起出的钻具表面有冲蚀现象，钻具表面尤其是接头处的磨损较为严重。气体钻井在我国四川油气田以及普光气田取得根据以上损坏情况，并结合气体钻井的技术特征，了很大成功，极大地提高了机械钻速，有效地保护可分析钻具损坏原因。了油气藏。气体钻井的典型技术特征是用气体代替常规钻井液做循环介质，井底处于欠平衡状态¨J。2钻具损坏原因但根据近几年的统计，气体钻井中钻具损坏问题频繁发生，普光气田2006—2007年超过61．3％的井2．1井底不平引起的轴向振动发生过钻具

3、损坏事故，四川气田每钻进1ITI的钻具钻柱的轴向振动来自钻头对井底的冲击，正常损失超过10kg，而在钻井液中每米仅损失4kg。情况下牙轮钻头会因为单齿和双齿交错接触地层而钻具损坏问题部分抵消了气体钻井所带来的钻速优产生高频轴向振动，井底的凹凸不平则会引起低频势，严重制约了气体钻井的发展应用。率、大振幅的轴向振动。气体钻井条件下，井底地气体代替钻井液作为循环介质，将引起井底、层的受力状态利于岩石破碎，岩石以大块体积破碎井壁应力状态的变化，从而导致破岩机理的变化以为主，井底比钻井液钻井更为不平。图1为井底钻及井壁稳定问题；钻柱的振动会因为阻尼的减小而柱的受力运动状态

4、。图1中右上图为气体钻井井底加剧。笔者将从以上几方面综合分析气体钻井条件下钻具的损坏机理，并提出相应的控制措施。1钻具失效统计根据普光气田钻具失效统计情况，在52次的钻具事故中有41次发生了钻具断裂事故。由于钻柱在钻井设计时已经用静力学进行了校核，所以图1井底钻柱的受力运动状态钻具断裂说明井下振动严重，而且气体钻井的振动示意图，右下图为钻井液钻井井底示意图。由图可要比钻井液钻井更剧烈。气体钻井钻具失效具有明知，气体钻井会引起更大的轴向振动。大幅度的轴基金项目：国家高技术研究发展计划项目“气体钻井与装备”(2006AA06A103)。石油机械2010年第38卷第1

5、1期向振动会使钻柱不断的压缩与伸张，容易造成钻柱壁的磨损使得钻杆新鲜的金属表面总是显露在外的疲劳破坏。面，为腐蚀加剧提供了条件。2．2钻柱剪应力增加2．4井径扩大引起严重弯曲气体代替钻井液使得井底出现极大的应力释由于井壁缺乏钻井液的压力支撑，大部分气体放，从而大幅度提高机械钻速，钻头牙齿侵入地层钻井的井径扩大比钻井液钻井严重。钻柱在井眼内的深度增大，这就需要较大的力去破坏岩石。冈1受到钻压的压缩而出现失稳弯曲，井径越大，钻柱巾，气体钻井条件下切屑力要大于钻井液钻井的弯曲越严重，从而产生较大的弯矩，相应的会在条件下的切屑力F浦。而破坏岩石的力由钻柱扭矩钻柱上产生较

6、大的应力(图2)，使得钻柱更加容提供，当钻头扭矩不足以破碎岩石时，钻头与底部易损坏。此外井径扩大时，在钻压作用下钻柱与井钻柱就处于卡钻状态，直到转盘驱动钻柱产生足够8O《70的扭矩以破坏钻头处的岩石。在这一过程中，底部6O钻柱所受到的最大扭矩远超过正常扭矩。钻柱最大R5O剪应力可表示为：4o静3OF—Rid20一气'Tmax=()图2扩径率对弯曲厘力的影响曲线式中n——钻头切削齿的个数；壁的接触力也会变大，从而导致磨损加剧。钻柱上R——每个牙齿对应的半径，m；产生的弯曲应力可按式(2)进行计算。f2——钻柱的外径，m；，．——钻柱的极惯性矩，m。ID(1+K)一

7、dId=————(2)从式(1)可以明显地看出，钻柱剪应力随着牙齿受力的增大而增大。式中D——井径，mm；在破坏掉岩石后，钻柱积聚的弹性能急剧释放K——扩径率；出来，从而形成扭转振动。扭转振动往往与轴向振，——钻柱的轴惯性矩，m；动以及横向振动耦合在一起，加强了振动，而气体——钻压。密度、粘度以及可压缩性较小，对振动的阻尼比钻井液对于振动的阻尼要小，因此气体钻井条件下钻3控制措施柱更容易损坏。现场钻具损坏统计表明，牙轮钻头钻进钻具损针对以上气体钻井内钻具损坏原因分析，笔者坏情况要比空气锤钻进严重得多。普光气田空气锤提出以下几点以预防和减轻钻具损坏的控制措施：钻进

8、钻具失效发生频率为每32