KXS203井口設(shè)備偏磨原因分析

呂拴錄 滕學(xué)清 李曉春 李 寧 徐席明 唐 桃

（1.中國(guó)石油大學(xué)材料科學(xué)與工程系，北京 102249；2.塔里木油田勘探開發(fā)部，新疆庫(kù)爾勒 841000）

KXS203井井架基礎(chǔ)在2011年冬季施工，天氣轉(zhuǎn)暖之后，地基下沉。2011年4月7日21:30，懸重72 t測(cè)量井架底座基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)靠近節(jié)流管匯一側(cè)比壓井管匯一側(cè)低86 mm； 4月8日下完?365.1 mm套管固井結(jié)束，測(cè)量井架基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)靠近節(jié)流管匯一側(cè)比壓井管匯一側(cè)低92 mm。

該井二開和三開采用了ZB5000垂直鉆井技術(shù)。2011年7月16日，該井使用?333.4 mm CK506鉆頭三開鉆至井深4 466 m。三開在1 000～1 025 m之間，最大井斜2.5°，方位角34°，全角變化率0.03（°）/25 m；在 2 025～2 050 m 位置，井斜 2.21°，方位角 355.6°，最大全角變化率2.29 （°）/25 m。

該井在四開過程中方鉆桿滾子補(bǔ)心偏移，不能正常放入轉(zhuǎn)盤通孔內(nèi)；TF273.05 mm×196.85 mm套管頭四顆頂絲掛鉤斷裂，套管頭內(nèi)腔臺(tái)階兩處磨損，節(jié)流管匯一側(cè)周向磨損約230 mm，壓井管匯一側(cè)周向磨損約100 mm；8根防磨套嚴(yán)重偏磨報(bào)廢。

2011年10月2日，該井起鉆發(fā)現(xiàn)鉆桿接頭磨損嚴(yán)重，多數(shù)鉆桿公接頭應(yīng)力槽（槽深6 mm）已磨平消失，部分鉆桿公接頭臺(tái)肩寬度從17 mm磨損至9 mm。鉆桿母接頭臺(tái)肩寬度從14 mm磨損至4～6 mm，耐磨帶已經(jīng)完全磨損消失。從鉆水泥塞至發(fā)現(xiàn)鉆具磨損累計(jì)鉆具旋轉(zhuǎn)時(shí)間902 h，其中鉆塞時(shí)間59.5 h，劃眼修整井壁時(shí)間219 h。為防止鉆具磨損，在不同井段鉆柱上安裝了防磨套和護(hù)箍，有效減輕了磨損。

2012年2月28日16:30，該井套管柱試壓發(fā)生了泄漏。

該井在四開鉆進(jìn)期間井口設(shè)備嚴(yán)重偏磨，隨后在套管柱試壓過程中又發(fā)生了泄漏。為搞清井口偏磨原因，對(duì)該井井口設(shè)備偏磨原因進(jìn)行了失效分析。

1 井口設(shè)備失效宏觀分析

該井防磨套頂絲掛鉤斷裂形貌見圖1。斷口形貌可知，防磨套頂絲是在受到異常載荷之后才發(fā)生斷裂的。

圖1 四顆頂絲掛鉤斷裂

套管頭磨損形貌見圖2、圖3。從圖2、圖3可知，套管頭嚴(yán)重偏磨，套管頭2處磨損位置大約相隔180°。說明在鉆井過程中套管頭與防磨套之間曾經(jīng)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者之間發(fā)生了異常磨損。

圖2 套管頭節(jié)流管匯一側(cè)周向約230 mm磨損形貌

圖3 套管頭壓井管匯一側(cè)周向約100 mm磨損形貌

防磨套磨損形貌見圖4。從防磨套嚴(yán)重偏磨形貌判斷，在鉆井過程中井口設(shè)備與鉆柱不同軸，鉆桿接頭與防磨套之間發(fā)生了異常磨損。

圖4 防磨套磨損形貌

鉆桿接頭磨損形貌見圖5、圖6。從圖5、圖6可知，鉆桿公接頭應(yīng)力槽完全磨損消失，鉆桿母接頭耐磨帶完全磨損消失。這說明在鉆井過程中鉆桿接頭與井口設(shè)備之間發(fā)生了嚴(yán)重磨損。

圖5 鉆桿公接頭應(yīng)力槽完全磨損消失

圖6 鉆桿母接頭耐磨帶完全磨損消失

2 井口設(shè)備磨損原因分析

研究結(jié)果表明，該井井口設(shè)備已經(jīng)嚴(yán)重磨損。井口設(shè)備磨損是鉆桿接頭與防磨套和套管頭摩擦的結(jié)果。影響磨損的因素主要與兩者尺寸匹配、井口偏心、防磨套性能和鉆柱轉(zhuǎn)速等有關(guān)［1-2］。下面對(duì)井口設(shè)備磨損原因予以分析。

2.1 鉆桿接頭與井口設(shè)備尺寸匹配對(duì)磨損的影響

套管頭四通坐掛臺(tái)肩內(nèi)徑271 mm，該部位防磨套外徑267 mm，兩者之間單邊間隙為2 mm。在正常情況下，兩者不會(huì)發(fā)生摩擦。

?273.05 mm加長(zhǎng)防磨套內(nèi)徑205 mm，外徑235 mm，長(zhǎng)度910 mm。在采用?241.3 mm鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，先將?241.3 mm鉆頭及其他外徑大于?205 mm的鉆具（鉆具穩(wěn)定器等）下井后再安裝防磨套。

防磨套內(nèi)徑越小，鉆柱與防磨套之間的間隙越小，鉆柱與防磨套越容易磨損。?127.0 mm鉆桿接頭敷焊耐磨帶之后外徑為174.28 mm，?273.05 mm套管頭防磨套內(nèi)徑205 mm，兩者之間徑向單邊間隙為15.36 mm。在正常情況下，兩者不會(huì)發(fā)生摩擦。

?273.05 mm×13.84 mm 套管內(nèi)徑245.37 mm，防磨套外壁與井口套管內(nèi)壁的單邊間隙為5.19 mm。在防磨套沒有失效的狀況下，兩者也不會(huì)發(fā)生摩擦。

2.2 井架基礎(chǔ)下沉對(duì)井口設(shè)備偏磨的影響

該井井架基礎(chǔ)下沉，靠近節(jié)流管匯一側(cè)比壓井管匯一側(cè)低92 mm（圖7）。下面分析井架基礎(chǔ)下沉是否是井口偏心的主要原因。

圖7 井架底座基礎(chǔ)非均勻下沉示意圖（左側(cè)為壓井管匯，右側(cè)為節(jié)流管匯）

如圖7所示，井架底座基礎(chǔ)一端非均勻下沉可簡(jiǎn)化為繞井架底座左端壓井管匯一側(cè)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)半徑11.5 m，井架底座右端節(jié)流管匯一側(cè)垂直方向下沉92 mm，根據(jù)相似三角形知識(shí)可得井架基礎(chǔ)下沉，導(dǎo)致井口偏心，增加的井斜角α為0.473°

井架底座基礎(chǔ)非均勻下沉，會(huì)使井架底座傾斜，導(dǎo)致井口偏心［3］，但從計(jì)算結(jié)果可知，該井井架基礎(chǔ)下沉導(dǎo)致的井口井斜角僅有0.473°。另外，當(dāng)井架底座基礎(chǔ)節(jié)流管匯一側(cè)下沉，套管頭磨損嚴(yán)重一側(cè)應(yīng)當(dāng)是井架底座壓井管匯一側(cè)。但實(shí)際情況是套管頭節(jié)流管匯一側(cè)比壓井管匯一側(cè)磨損嚴(yán)重。這說明井架基礎(chǔ)下沉雖然增加了井口偏心，但不是導(dǎo)致井口設(shè)備偏磨的主要原因。該井在井架底座基礎(chǔ)下沉之前井口本身偏心，這是導(dǎo)致套管頭、防磨套和井口套管偏磨的主要原因。

2.3 井口偏心對(duì)磨損的影響

從理論上講，如果井口設(shè)備沒有偏心，套管頭和防磨套軸線與鉆柱軸線重合，兩者就不會(huì)發(fā)生摩擦；反之，如果井口設(shè)備偏心，套管頭和防磨套軸線與鉆柱軸線不重合，兩者就會(huì)發(fā)生摩擦。鉆柱與井口設(shè)備摩擦的主要是鉆桿，鉆桿接頭是鉆桿中外徑最大的部分，實(shí)際在鉆井過程中與井口設(shè)備摩擦的主要是鉆桿接頭。

按理來說，井口偏心只會(huì)導(dǎo)致套管頭一側(cè)磨損。該井套管頭內(nèi)腔臺(tái)階兩處磨損位置大約相隔180°，前者磨損弧長(zhǎng)是后者的2.3倍。這是由于井口偏心嚴(yán)重，前者先與鉆桿接頭碰撞，隨后其反作用力將鉆柱彈回，鉆桿接頭又與套管頭該處對(duì)面位置相撞摩擦。因此，前者磨損程度嚴(yán)重，后者磨損程度較輕。

該井在四開鉆井過程中方鉆桿滾子補(bǔ)心偏移，不能正常放入轉(zhuǎn)盤通孔內(nèi)；TF273.05 mm×196.85 mm套管頭4顆頂絲掛鉤斷裂，套管頭內(nèi)腔臺(tái)肩兩處磨損；8根防磨套嚴(yán)重偏磨報(bào)廢，說明井口偏心非常嚴(yán)重。

一旦套管嚴(yán)重磨損，很易產(chǎn)生裂紋，并發(fā)生泄漏。雖然沒有檢測(cè)該井井口套管磨損程度，但從防磨套和套管頭磨損程度判斷，井口套管磨損也非常嚴(yán)重。井口附近套管磨損后是否產(chǎn)生裂紋有待進(jìn)一步檢測(cè)分析。

2.4 防磨套及頂絲性能對(duì)井口設(shè)備磨損的影響

在鉆井過程中，防磨套是用來保護(hù)套管頭和井口套管的一種防磨工具。如果防磨套失效，就無法有效保護(hù)套管頭和井口套管。當(dāng)防磨套頂絲斷裂或者松動(dòng)之后，防磨套就會(huì)失去保護(hù)作用，并在鉆桿接頭摩擦力作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而與套管頭內(nèi)壁發(fā)生摩擦，導(dǎo)致套管頭磨損［4-5］。要防止套管頭磨損，首先必須防止防磨套失效。

該井在四開過程中固定防磨套的四顆頂絲掛鉤斷裂，8根防磨套嚴(yán)重偏磨報(bào)廢。這說明鉆柱與套管頭和防磨套并非處在正常工作狀況，防磨套此時(shí)已經(jīng)失去了保護(hù)套管頭和井口套管的作用。

當(dāng)松動(dòng)的防磨套與鉆柱接頭摩擦，防磨套外壁與井口套管內(nèi)壁摩擦，使井口套管磨損。雖然沒有檢測(cè)井口套管磨損程度，但從防磨套和套管頭磨損程度判斷，井口套管磨損也非常嚴(yán)重。井口附近套管磨損后是否產(chǎn)生裂紋有待進(jìn)一步檢測(cè)分析。

斷裂的4顆防磨套頂絲全部在其結(jié)構(gòu)突變位置，說明該部位是頂絲的薄弱環(huán)節(jié)，即防磨套頂絲承載能力不滿足其使用受力條件。

2.5 鉆柱旋轉(zhuǎn)和起下鉆會(huì)導(dǎo)致套管磨損

該井于2011年7月21日下完?273.05 mm套管，至2012年2月28日對(duì)?273.05 mm套管試壓發(fā)現(xiàn)漏失。在?273.05 mm×13.84 mm 140套管內(nèi)純鉆時(shí)間5 187.88 h，?241.3 mm鉆頭起下鉆18趟，UR800擴(kuò)眼器起下鉆2趟。在鉆柱與套管柱不同軸位置，當(dāng)鉆柱旋轉(zhuǎn)或起下鉆時(shí)兩者必然會(huì)發(fā)生摩擦，導(dǎo)致鉆桿接頭與套管嚴(yán)重磨損［6-7］。從該井已經(jīng)發(fā)生的鉆桿接頭磨損、套管頭偏磨和防磨套偏磨情況推斷，套管必然會(huì)嚴(yán)重磨損。該井套管柱試壓泄漏與套管嚴(yán)重磨損有一定關(guān)系。

2.6 鉆柱轉(zhuǎn)速快會(huì)加劇套管磨損

轉(zhuǎn)速越快，鉆柱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)半徑越大，越易磨損套管［8］。當(dāng)鉆柱旋轉(zhuǎn)速度過快，鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與套管頭防磨套軸線偏差超過15.36 mm，兩者就會(huì)發(fā)生摩擦。

該井在4 466～6 546 m井段鉆進(jìn)過程中，多半時(shí)間轉(zhuǎn)速為90～100 r/min，這會(huì)增加鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，導(dǎo)致套管磨損。

3 預(yù)防措施

（1）盡可能保證轉(zhuǎn)盤、鉆具與井口在同一軸線，偏移不大于10 mm。

（2）每趟起鉆，應(yīng)檢查防磨套磨損情況，發(fā)現(xiàn)磨損應(yīng)及時(shí)更換，或者調(diào)整防磨套偏磨方向。

（3）保證套管頭正確安裝。要求套管頭生產(chǎn)廠家技術(shù)人員隨時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝人員進(jìn)行培訓(xùn)，加強(qiáng)與現(xiàn)場(chǎng)安裝人員交流溝通，提高井口安裝人員質(zhì)量意識(shí)和安裝操作能力，保證井口安裝質(zhì)量。

（4）在天車和轉(zhuǎn)盤不能調(diào)整的情況下，通過調(diào)整井口防噴器，盡可能保證轉(zhuǎn)盤、鉆具與套管頭在同一條中心線上，以減小偏磨。

（5）改進(jìn)表層套管頭結(jié)構(gòu)，使其便于安裝。

（6）改進(jìn)防磨套取送工具結(jié)構(gòu)，以便在鉆井過程中直接帶鉆具取送防磨套，在不起出鉆具的情況下，可以直接檢查或更換防磨套。

（7）改進(jìn)防磨套結(jié)構(gòu)，防止防磨套轉(zhuǎn)動(dòng)。

（8）增加防磨套材料綜合機(jī)械性能。改進(jìn)后的防磨套硬度既要符合API SPEC 6A標(biāo)準(zhǔn)要求，又可以保護(hù)鉆桿接頭。

（9）改進(jìn)頂絲結(jié)構(gòu)。防止防磨套轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 結(jié)論及建議

井口偏心是導(dǎo)致套管頭和防磨套嚴(yán)重磨損的主要原因，在井架基礎(chǔ)下沉之前井口本身已經(jīng)偏心，為防止井口設(shè)備偏磨，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行以上預(yù)防措施。

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