气体钻井钻具损坏原因及控制措施研究

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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。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11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：钻进钻具失效发生频率为每3230．3m1次。而牙(1)积极使用空气减震器，有效吸收和减小轮和PDC钻头钻具失效发生频率为每1067．5In1来自于底部钻头的纵向振动。，有效保护上部钻次。可见牙轮钻头钻进钻具失效频率远高于空气锤柱从而减轻钻具的损坏。钻头钻进。这是因为牙轮钻头尤其是PDC钻头都(2)尽量使用纯滚动类型的牙轮钻头。在钻需要通过扭矩剪切来破坏地层，而空气锤主要靠冲头结构设计上要减小牙轮钻头移轴、复锥，使牙轮击完成，需要的扭矩很小。钻头的主要破岩方式为冲击、压碎破坏，减少钻头2．3钻具冲蚀及腐蚀对岩石的剪切破坏，由于钻头在井底为纯滚动，所气体钻井条件下，携带岩屑的气体上返速度要以可以大大降低扭矩。远大于钻井液的上返速度，可以达到15m／s。高(3)继续推广空气锤的使用。现场统计表明，速运动的岩屑和钻柱的碰撞导致严重的钻杆冲蚀，空气锤的使用可以减少钻具损坏，其原因是空气锤这就相当于金属喷砂丁艺，钻具冲蚀产生的凹坑或本身通过气体产生振动，由于气腔的隔离将振动局划痕在疲劳应力的作用下就有可能发展成裂纹。由限于空气锤钻具及钻头上，对上部钻铤及钻杆影响于缺乏钻井液的润滑作用，钻柱与井壁的干摩擦使较小；以冲击破碎为主的破岩方式使钻柱所受扭矩磨损加剧J，而气体相对液体较低的热量携带能很小；空气锤所需要的钻压小，使钻柱的变形受力力使得井眼内的温度很高，加之岩屑的冲蚀以及井小，减轻了钻柱的损坏。 2010年第38卷第11期郑德帅等：气体钻井钻具损坏原因及控制措施研究(4)加强气体钻井井壁稳定研究。降低井壁参考文献失稳可以减小井径扩大，从而使钻柱弯曲和受力较小；另一方面可以减少掉块，从而减少了因为卡钻祝效华，蒋祖军，童华，等．气体钻井钻具失效而导致的钻具损坏问题。因素与机理分析[J]．石油钻探技术，2009，37(2)：60—62．(5)改进常规钻柱使之更适合于气体钻井。[2]张利军，李维．气体钻井钻具失效原分析及预防气体钻井条件下，接头处的磨损异常严重，因此要措施[J]．石油和化T设备，2009，12(8)：49—50．加强钻具接头耐磨带的喷焊工作，选耐磨带材料，[3]岳远瞩，聂荣国，黎彬．普光气田气体钻井钻具优化焊接工艺，提高钻具的耐磨性。此外，超过失效情况及其规律研究[J]．钻采工艺，2008，31的损坏发生在钻柱外扣和内扣处，因此要对这些部(4)：20—22．位进行加强处理。[4]王文龙，赵勤，李子丰，等．普光气田气体钻井(6)加强钻具的管理及钻具的现场探伤工作，钻具失效原凶分析及预防措施[J]．石油钻采工避免由于钻具本身的质量问题而引起钻具井下失效艺，2008，30(5)：38—43．事故[5]孙长健，陈大钧，黎彬．空气钻井中钻具腐蚀与控制分析[J]．天然气T业，2008，28(5)：61—62．[6]张晓东，贾国超，吴臣德．空气钻井钻具冲蚀磨损4结论机理的分析[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2009，31(2)：139—142．(1)气体钻井条件下的钻具损坏问题要比钻[7]王刚，丁永伟，石元会．钻具振动分析方法与应井液钻井更为严重，其根本原因就在于气体替代钻用[J]．’『T汉石油职工大学学报，2006，19(4)：井液作为循环介质引起的各种变化：井底应力场的72—74．变化导致钻头牙齿更加容易破碎岩石，气体较小的阻尼，高速运动的岩屑，较高的井内温度以及井壁失稳带导致的井径扩大。这些变化加剧了钻柱的受第一作者简介：郑德帅，生于1983年，在读博士研究力状况，使其容易损坏。生，2006年毕业于中国石油大学(华东)材料成型及控制工程专业，现从事油气管柱力学研究工作。地址：(102249)(2)针对气体钻井中的钻具损坏问题，从振北京市昌平区。电话：(010)89733702。E—mail：cupzheng@动的起源到消减，笔者根据现场经验提出了切实可sin乱eomo行的措施：使用空气减震器和纯滑动牙轮钻头，推收稿日期：2010—04—29广空气锤应用，加强钻柱接头的设计改进以及耐磨(本文编辑王刚庆)研究下期部分文章预告抽油杆用钢高频感应熔覆Ni基复合涂层研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯夏承宇李伟宗霞等乙烯工艺减粘塔气液分离性能研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯吴小林姬忠礼熊至宜等动态膜过滤装置处理大庆元污水试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯鄢玲俐洪明东李向伟等压裂过程中高压管线的振动研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯周志宏段梦桂曾华电驱式张紧器恒张力控制系统研究与开发⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯万箭波周军峰王福山等螺杆式井下增压钻井装置原理及设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯张玉英徐依吉刘永旺等钻井工程信息化的数据透视技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯纪荣艺樊洪海周英操等MZJ10煤层气钻机的研制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯高加索油水井带压作业油管验管堵塞器的研制及应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯魏斌基于CFD的旋风分离器壁面磨损数值预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯赵新学金有海射孔测试改造联作套管强度热结构耦合分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯窦益华杨鹏张明友等防突对封隔器密封性能影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯张德彪侯军马卫国等