井中鉆柱旋轉(zhuǎn)方式與鉆具偏磨及實(shí)例分析

卿元華，吳　強(qiáng)

（1.中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆庫(kù)爾勒841000；2.中國(guó)石油新疆油田分公司石西油田作業(yè)區(qū)，新疆克拉瑪依834000）

井中鉆柱旋轉(zhuǎn)方式與鉆具偏磨及實(shí)例分析

卿元華*1，吳強(qiáng)2

（1.中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆庫(kù)爾勒841000；2.中國(guó)石油新疆油田分公司石西油田作業(yè)區(qū)，新疆克拉瑪依834000）

鉆具偏磨可引起鉆具失效,導(dǎo)致鉆具疲勞斷裂,造成井下事故。鉆柱在井中存在4種可能的運(yùn)動(dòng)形式，井中鉆柱公轉(zhuǎn)是偏磨主要方式，同時(shí)鉆柱公轉(zhuǎn)受多種因素制約。通過(guò)實(shí)例分析，證實(shí)了中和點(diǎn)以下鉆柱彎曲引起鉆柱公轉(zhuǎn)是鉆具偏磨的主要原因，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

鉆具偏磨；鉆柱彎曲；鉆壓；鉆井液阻力

在石油鉆井過(guò)程中，鉆具偏磨是一種常見的現(xiàn)象。鉆柱的自轉(zhuǎn)引起鉆桿的均勻磨損，公轉(zhuǎn)引起鉆具的偏磨。偏磨會(huì)增加鉆桿與井壁之間的間隙，增加鉆桿的彎曲應(yīng)力，使鉆柱的橫振振幅增大，降低鉆桿的疲勞壽命[1]，可能造成鉆具斷裂落井事故。通過(guò)對(duì)鉆具偏磨機(jī)理分析，結(jié)合鉆井實(shí)例，提出鉆井過(guò)程中預(yù)防鉆具偏磨的措施具有應(yīng)用意義。

1　鉆柱在井中運(yùn)動(dòng)的4種可能形式

（1）自轉(zhuǎn)：鉆柱繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)。多數(shù)認(rèn)為鉆柱在井中運(yùn)動(dòng)的主要形式是自轉(zhuǎn)。產(chǎn)生均勻磨損，但受交變彎曲應(yīng)力作用。

（2）公轉(zhuǎn)：繞井眼軸線的旋轉(zhuǎn)并沿井壁滑動(dòng)。不受交變彎曲應(yīng)力作用，但產(chǎn)生不均勻磨損（偏磨）。

（3）公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合：繞井眼軸線的旋轉(zhuǎn)。均勻磨損，受交變彎曲應(yīng)力作用。公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)同一截面內(nèi)存在，是一種不穩(wěn)定形式。包括2種形式：①公轉(zhuǎn)為主少量自轉(zhuǎn)；②自轉(zhuǎn)為主少量公轉(zhuǎn)。

（4）無(wú)規(guī)則旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)：鉆柱處于旋轉(zhuǎn)形式轉(zhuǎn)變的過(guò)渡，最不穩(wěn)定，常造成鉆柱的強(qiáng)烈振動(dòng)。

2　鉆具偏磨的原因

從理論上講，如果鉆柱的剛度在各方向均勻，井眼是鉛直的，那么鉆柱采取何種形式的運(yùn)動(dòng)取決于外界阻力（泥漿阻力、井壁摩擦力等）的大小，一般都采取消耗能量最小的運(yùn)動(dòng)形式[2]。從而，多數(shù)人認(rèn)識(shí)：公轉(zhuǎn)要較高的泥漿和井壁阻力，自轉(zhuǎn)所需能量最小，而運(yùn)動(dòng)總是沿耗能最小的方向，因此鉆柱在井內(nèi)運(yùn)動(dòng)方式為自轉(zhuǎn)。這一結(jié)論與實(shí)際鉆具偏磨矛盾，因?yàn)殂@柱自轉(zhuǎn)不會(huì)產(chǎn)生偏磨，所以，公轉(zhuǎn)才是偏磨的原因。鉆柱出現(xiàn)公轉(zhuǎn)的首要條件是軸線必須彎曲。

2.1井中鉆柱彎曲的特點(diǎn)

中和點(diǎn)將鉆柱分為上下兩部分，下部鉆柱受壓，上部鉆柱受拉。

當(dāng)鉆進(jìn)中所加鉆壓達(dá)到鉆柱彎曲臨界鉆壓（常用鉆鋌、鉆桿的彎曲臨界鉆壓值，見表1）時(shí)，下部受壓鉆柱發(fā)生彎曲。實(shí)際鉆井中一般很少出現(xiàn)3次及3次以上的多次彎曲，因?yàn)閷?shí)際鉆井中的所用鉆壓的限制。

直井中，鉆柱上部彎矩是由離心力引起的，上部鉆柱由于受拉力作用，彎曲半波長(zhǎng)度大；鉆柱下部則是由鉆柱受壓彎曲和離心力共同作用引起的，一般下部彎曲應(yīng)力大，因此一般下部鉆柱彎曲力矩較大，下部鉆柱彎曲半波長(zhǎng)度小[3]。故鉆柱主要彎曲部分在中和點(diǎn)以下。

2.2引起鉆柱公轉(zhuǎn)的因素

（1）鋼材的滯后阻力：指粘滯介質(zhì)內(nèi)摩擦力。鉆柱彎曲導(dǎo)致鉆柱彎曲點(diǎn)接受拉壓交變應(yīng)力，材料的滯后作用導(dǎo)致能量的消耗，所以要使鉆柱維持自轉(zhuǎn)而不彎曲，需附加一個(gè)外力，即附加外力Q（相當(dāng)于彎曲應(yīng)力）。附加外力Q是使鉆柱不進(jìn)行公轉(zhuǎn)必須附加的力。

結(jié)論：彎曲下的鉆柱在旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果沒(méi)有外力Q阻止它，必將繞井眼軸線公轉(zhuǎn)，而不進(jìn)行自轉(zhuǎn)。

式中：y——鉆柱靜載撓曲度，反比于剛度EI(E為鋼的彈性模量，取2.06×105MPa，I為截面慣性矩)，即保持鉆柱不做公轉(zhuǎn)的附加外力與鉆柱靜載撓度成正比。

表1　常用鉆鋌、鉆桿的彎曲臨界鉆壓

（2）鉆井液阻力Fm。假設(shè)鉆井液阻力為Q，其對(duì)應(yīng)的鉆柱公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為n0。當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速n≤n0，鉆柱將以轉(zhuǎn)速n公轉(zhuǎn)；n＞n0時(shí)，以n0公轉(zhuǎn)同時(shí)近似的以（n-n0）自轉(zhuǎn)。

（3）井壁摩擦力Fb。只有當(dāng)Fb＞Q，自轉(zhuǎn)；Fb＜Q，同時(shí)存在公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)。

（4）鉆柱偏磨后對(duì)旋轉(zhuǎn)方式的影響。鉆柱偏磨后，再次入井后只會(huì)在原來(lái)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步偏磨。這與大量現(xiàn)場(chǎng)觀察實(shí)際一致。在待修復(fù)的鉆具中，尚未發(fā)現(xiàn)在同一個(gè)偏磨接頭存在2個(gè)偏磨帶[1]。

即使再次入井的偏磨鉆鋌，旋轉(zhuǎn)時(shí)并不與井壁接觸，但由于鉆柱將在最小撓曲剛度的平面內(nèi)彎曲（已經(jīng)偏磨的一側(cè)）。如果要在彎曲情況下，繞自身軸線自轉(zhuǎn)，則包含了一個(gè)撓曲面的旋轉(zhuǎn)，需要更大的能量，因而只能公轉(zhuǎn)。

3　應(yīng)用實(shí)例

塔里木油田庫(kù)車坳陷大北X井二開鉆進(jìn)過(guò)程中某次起鉆完，發(fā)現(xiàn)兩16″扶正器及兩扶正器間9″鉆鋌偏磨嚴(yán)重（上扶正器嚴(yán)重偏磨，一螺旋翼磨損至與本體齊平，磨損高度10cm，下扶正器一螺旋翼磨損高度6cm，9″鉆鋌磨損高度2cm。見圖1），當(dāng)日井深3783.23m。

此趟鉆具使用情況:入井鉆頭新度100%，起出鉆頭新度70%，入井井深3496.46m,進(jìn)尺286.77m，鉆壓14～20t，轉(zhuǎn)速105～120r/min，鉆時(shí)：一般30～50min/m（最小15min/m，最大103min/m）,Power-V工作正常，井斜：0.2°～0.55°。層位:康村組（N1-2k），巖性：中厚—巨厚層狀泥巖與薄—中厚層狀粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖不等厚互層，泥漿相對(duì)密度：1.30。

鉆具結(jié)構(gòu)：16″M1665SSCR PDC+9-5/8″Power-V（段長(zhǎng):4.28m）+731×NC610+16″扶正器+9″浮閥+9″MWD+631×NC610+9″LDC×1根+16″扶正器+9″LDC× 2根(鉆具累長(zhǎng):47.39m)+NC611×NC560+8″LDC×13根+8″LZ+8″LDC×2根+NC561×520+5-1/2″HWDP× 15根+5-1/2″DP。

圖1　16″扶正器及9″鉆鋌偏磨情況

原因分析：

（1）計(jì)算：假設(shè)下部鉆柱為9″鉆鋌，單位重量290.6kg/m，鉆鋌鋼材密度7.85g/cm3，泥漿密度1.30g/cm3，鉆壓18t。浮力系數(shù)Kb=1-1.3/7.85=0.834，則中和點(diǎn)位置Lm=180000/（2906×0.834）=74m?？梢娭泻忘c(diǎn)位置較低，又因?yàn)殂@柱主要彎曲部分在中和點(diǎn)以下。這就是為什么嚴(yán)重偏磨僅存在于兩16″扶正器及9″鉆鋌上。

（2）使用Power-V鉆進(jìn)，所加鉆壓大。隨井深增加，鉆時(shí)由15min/m逐漸增加至83min/m，鉆壓由14t逐漸提至20t（3638～3783.23m井段鉆壓16t～20t），9″鉆鋌彎曲導(dǎo)致扶正器與井壁相切，鉆鋌彎曲而發(fā)生公轉(zhuǎn)，扶正器偏磨，偏磨一側(cè)外徑減小，繼續(xù)鉆進(jìn)，9″鉆鋌偏磨（9″鉆鋌臨界鉆壓數(shù)據(jù)不詳，據(jù)表1中8″鉆鋌數(shù)據(jù)推斷，9″鉆鋌二次彎曲臨界鉆壓為17t，一次彎曲臨界鉆壓8.5t）。

（3）井段3716～3720m巖屑中鐵屑含量較多，起初以為是鉆具磨一開套管所致。經(jīng)起出鉆具證實(shí)，應(yīng)為扶正器和鉆鋌偏磨所致。繼續(xù)鉆進(jìn)，且鉆壓逐漸增大至20t，致使扶正器和鉆鋌進(jìn)一步偏磨。

4　預(yù)防鉆具偏磨的措施

（1）鉆具偏磨主要由鉆柱彎曲導(dǎo)致的公轉(zhuǎn)引起，在鉆具剛度、鉆井液密度、井眼軌跡等一定的情況下，鉆柱的彎曲取決于鉆壓，因此，控制合理的鉆壓預(yù)防鉆具偏磨的直接途徑。

（2）在施加鉆壓較大可能產(chǎn)生偏磨的深井中，技術(shù)人員應(yīng)注意對(duì)巖屑返出情況的觀察，如出現(xiàn)鐵屑較多的情況，應(yīng)及時(shí)停鉆檢查。

（3）選取合格的鉆具是預(yù)防鉆具偏磨造成鉆具斷落的首要條件，提高鉆井液的潤(rùn)滑性可減小鉆柱公轉(zhuǎn)的機(jī)率。

[1]楊進(jìn)能.鉆桿偏磨的原因及其對(duì)疲勞壽命的影響[J].金屬材料與冶金工程，2008，36（3）：16-18.

[2]趙國(guó)珍,龔偉安.鉆井力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：石油工業(yè)出版社, 1988.

[3]劉希圣.鉆井工藝原理（上冊(cè)）[M].北京：石油工業(yè)出版社, 1981.

[4]苗同勇，劉永旺，趙偉.螺桿鉆具外殼的偏磨及防護(hù)措施[J].礦山機(jī)械，2010，38（23）：111-112.

TE921

B

1004-5716(2015)07-0071-03

2014-07-23

卿元華（1983-），男（漢族），四川安岳人，工程師，現(xiàn)從事鉆井地質(zhì)管理工作。