鉆探施工中鉆桿及套管的磨損分析

李培書

(河南省地礦物資供應(yīng)中心 河南鄭州 450007)

1 概述

在鉆進工作中,鉆桿及套管的磨損會帶來許多問題,不僅會造成孔內(nèi)事故的發(fā)生,而且也會造成鉆井成本明顯增加。由于導(dǎo)致鉆具磨損的原因很多,因此,很難對這些原因進行詳細的分類,因為一些重要的影響因素(如巖石的性質(zhì)、鉆孔的走向以及鉆進參數(shù)等)是經(jīng)常變化的。所以,對于磨損的測定及判斷,在地質(zhì)鉆探工作中,目前還沒有具體的標準執(zhí)行。國際上,現(xiàn)只能普遍參照美國石油學(xué)會制訂的API標準。

2 鉆桿的磨損

鉆桿是鉆柱的基本組成部分。在回轉(zhuǎn)鉆進中,鉆柱的作用是傳遞回轉(zhuǎn)力矩、向鉆頭施加鉆壓、構(gòu)成沖洗液流通的通道。由于鉆進中鉆柱是一根較長的空心管,其直徑與長度的比例很不相襯,這樣它總是處在不利的情況下來傳遞機械能和液壓能的。在鉆進過程中,它要承受以下各種影響因素:(1)旋轉(zhuǎn)速度及圓周速度,(2)旋轉(zhuǎn)的持續(xù)時間;(3)靜拉力和動拉力、壓力,(4)旋轉(zhuǎn)力矩所造成的扭曲應(yīng)力,(5)因鉆孔彎曲所造成的彎曲應(yīng)力;(6)鉆孔方向改變所造成的側(cè)向應(yīng)力,(7)各種振動器產(chǎn)生的振動應(yīng)力;(8)沖洗液的內(nèi)外超壓及泵壓應(yīng)力,(9)沖洗液通量;(10)起下鉆桿時的速度及持續(xù)時間;(11)夾持鉆桿時產(chǎn)生的橫向應(yīng)力;(1 2)擰卸鉆桿接頭時的橫向應(yīng)力。

上述各種影響因素或者單獨,或者一起作用在鉆桿上。在鉆桿中,沿其軸向作用著很高的靜拉應(yīng)力,這種靜拉應(yīng)力是由鉆桿自身的重量及鉆鋌的重量所造成的。由于鉆孔內(nèi)沖洗液的浮力,這種拉應(yīng)力有所減少;除此之外,由于在鉆進中鉆桿的重量轉(zhuǎn)變成了給鉆頭施加的壓應(yīng)力,故而這種拉應(yīng)力也就進一步減小了。

由于起、下鉆作業(yè)時對鉆桿的升降以及鉆頭的滾切運動,在鉆柱的軸向上還作用著動應(yīng)力。由泥漿泵所造成的液壓沖擊會使鉆井液的環(huán)流系統(tǒng)產(chǎn)生脈動,這種脈動應(yīng)力也會作用于鉆桿。

在深孔鉆進中,鉆孔的軌跡或多或少地總是呈螺旋形式,因此會對鉆柱造成一定的彎曲應(yīng)力。當(dāng)鉆柱在彎曲的鉆孔中旋轉(zhuǎn)時,又會產(chǎn)生一定的交變應(yīng)力。為了防止鉆桿的疲勞折斷,在選擇鉆桿時應(yīng)對其交變強度加以考慮。除了彎曲應(yīng)力和交變應(yīng)力之外,鉆孔軌跡的改變還會使鉆桿承受較高的側(cè)向力。

在采用孔底馬達鉆進時,鉆桿所承受的各種應(yīng)力與回轉(zhuǎn)鉆進時的應(yīng)力基本相同,但應(yīng)力數(shù)值要低得多。

導(dǎo)致鉆桿磨損的主要原因是鉆桿與孔壁或套管之間的摩擦。由于鉆桿接頭的外徑較大,因此通?？偸墙宇^處先出現(xiàn)磨損。

鉆桿表面出現(xiàn)的腐蝕會加劇鉆桿的磨損。鉆桿接頭軸頸部分的損壞原因是應(yīng)力負荷過高,扭矩過大或者操作不當(dāng)。

當(dāng)鉆孔出現(xiàn)彎曲時,彎曲孔段是一個主要的摩擦點。鉆孔彎曲度越大,孔壁對鉆桿施加的側(cè)向力也就越高,從而導(dǎo)致鉆桿表面的單位壓力增大,磨損加劇。因此,鉆桿的磨損與鉆孔的軌跡有很大的關(guān)系。當(dāng)鉆孔上部孔段出現(xiàn)彎曲時,會導(dǎo)致鉆柱的拉應(yīng)力增大,而下部孔段彎曲時,鉆柱的拉應(yīng)力則相對小一些,所以鉆桿磨損的程度也不一樣。若鉆孔中出現(xiàn)了“狗腿”,那么鉆桿就會很快地損壞。

當(dāng)彎曲的鉆柱回轉(zhuǎn)時,會形成彎曲旋轉(zhuǎn)運動。這一運動不僅會導(dǎo)致鉆桿的偏心旋轉(zhuǎn),造成偏心磨損,也會導(dǎo)致孔壁或套管出現(xiàn)偏心磨損。

在起下鉆作業(yè)時,提升鉆具所造成的鉆桿磨損與孔深有關(guān),升降鉆具的距離越大,磨損越嚴重。同時,鉆桿受到夾持器的夾持時要承受很高的橫向應(yīng)力。質(zhì)量低劣的夾持器會導(dǎo)致鉆桿的損傷。除此之外,沖洗液中的巖屑若清除不凈也會加劇鉆桿的磨損。

3 減少鉆桿磨損的措施

為了減少鉆桿的磨損,可采取各種措施,比如工藝方面、材質(zhì)方面和結(jié)構(gòu)的措施。

由于鉆桿接頭的外徑較大,故而它極易磨損,一般來講,接頭的使用壽命是鉆桿壽命的三分之一。因此,首先要對接頭采取防磨措施。從工藝方面采取的措施有:

(1)進一步改善泥漿的潤滑性能,使其具有更好的沉積固相的能力;有條件的話利用振動篩和旋流器加強泥漿凈化處理,母接頭處墩焊合金耐磨帶;

(2)盡可熊地使鉆孔保持垂直;

(3)在斜孔中對起下鉆次數(shù)加以限制。

另外,在斜孔中采用孔底馬達鉆進可明顯地減少鉆桿的磨損。采用油基泥漿或加有添加劑的泥漿可減少鉆桿與孔壁間的摩擦,從而明顯降低鉆具的磨損。

4 結(jié)語

在鉆探施工中鉆桿柱與套管的應(yīng)用必不可少,如何減少相互之間磨損給我們鉆探工作者提出了新的更高要求,并且要高度重視。為保證孔內(nèi)安全,鉆桿柱的操作方法必須正確,使它能有效的工作。這可通過三個最優(yōu)化來實現(xiàn):

(1)在考慮到鉆桿柱可靠性的前提下,采用最優(yōu)化鉆進工藝;

(2)鉆桿柱操作方法上的最優(yōu)化;

(3)鉆桿柱各裝配部件的裝配扭矩最優(yōu)化,應(yīng)用減震工具和螺紋防震潤滑劑。