YXK6井套管磨損原因分析

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(1.中國(guó)石油大學(xué)材料科學(xué)與工程系 北京 102249；2.中國(guó)石油塔里木油田公司 新疆 庫(kù)爾勒 841000)

YXK6井套管磨損原因分析

滕學(xué)清1，楊向同1，朱金智1，呂拴錄1，2，艾勇1，彭曉剛1

(1.中國(guó)石油大學(xué)材料科學(xué)與工程系 北京 102249；2.中國(guó)石油塔里木油田公司 新疆 庫(kù)爾勒 841000)

對(duì)YXK6井在鉆塞過(guò)程中發(fā)生的套管磨損事故進(jìn)行了調(diào)查研究，對(duì)鉆水泥塞過(guò)程中返出的鐵屑和鉆頭損壞形貌進(jìn)行了分析，認(rèn)為鉆頭與套管內(nèi)壁異常摩擦干涉導(dǎo)致下鉆遇阻事故。對(duì)影響下鉆遇阻的各種因素逐一進(jìn)行了排查和分析，認(rèn)為下鉆遇阻原因與鉆頭與套管發(fā)生摩擦干涉有關(guān)，套管磨損與現(xiàn)場(chǎng)采用的通徑規(guī)不符合標(biāo)準(zhǔn)有關(guān),也與鉆塞鉆頭尺寸偏大和鉆頭選型不合理等有關(guān)。建議在套管下井之前應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行套管通徑檢查，改進(jìn)套管柱設(shè)計(jì)和鉆柱設(shè)計(jì)。

套管；鉆頭；下鉆遇阻；磨損；鐵屑

1 井 況

YXK6井241.30 mm井眼深度為6 367 m，200.03 mm套管下深0～4 999.59 m，177.8 mm套管下深4 999.59～6 365 m；在5 134.54～5 139 m井段井斜0.46°、全角變化率0.18°/30 m，在5 170～5 177.5 m井段井斜1.33°、全角變化率1.168°/30 m。部分井段巖性見(jiàn)表1。

1.1 177.80 mm套管下井情況

該批177.80 mm×12.65 mm 140特殊螺紋接頭套管下井之前逐根進(jìn)行了通徑檢查，通徑規(guī)外徑149.42 mm,通徑規(guī)結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

2015年3月23日10:00，YXK6井下套管下井深度6 365 m。部分井段177.80 mm×12.65 mm 140特殊螺紋接頭套管下井記錄見(jiàn)表2。

表1 YXK6井部分井段巖性

圖1 通徑規(guī)結(jié)構(gòu)尺寸/mm

表2 部分井段177.80 mm×12.65 mm 140特殊螺紋接頭套管下井記錄

1.2 固井情況

1)正注水泥

2015年3月23日10:00-18:00進(jìn)行正注水泥固井施工作業(yè)，碰壓壓力從9 MPa上升至13.6 MPa，正注水泥設(shè)計(jì)返高3 000 m，塞面井深為6 247.65 m。正注水泥體積及密度見(jiàn)表3。

表3 正注水泥體積及密度

2)套管座掛及反擠水泥

2015年3月24日16:00～17:00套管坐掛(坐掛載荷120 t),18:00～19:00環(huán)空反擠水泥漿。

1.3 鉆塞情況

2015年3月27日8:00下新度90%的149.23 mm M1365D雙排齒PDC鉆頭鉆塞。14:38下鉆至井深5 134.54 m，遇阻12 t。19:00下鉆至井深5 138 m處遇阻5 t，下鉆至井深5 170 m處遇阻5 t，18:30發(fā)現(xiàn)振動(dòng)篩面返出鐵屑，鐵屑形貌如圖2所示。19:00～21:00下探在5 170～5 181 m井段時(shí)最大遇阻12 t，最大掛卡16 t。

圖2 在5 170～5 181 m井段返出鐵屑

3月31日18:00起出鉆塞鉆頭檢查，鉆頭保徑齒全部崩掉，外徑148 mm，如圖3所示。

圖3 M1365D PDC鉆頭損壞形貌

鉆塞結(jié)果表明：在5 134.54～5 142 m和5 170～5 181 m井段下鉆遇阻，井下返出鐵屑形貌和鉆頭損壞形貌具有鉆頭外壁與套管內(nèi)壁嚴(yán)重摩擦干涉的特征。

1.4 60臂井徑測(cè)井

2015年3月31日，對(duì)YXK6井200.03 mm套管和177.80 mm套管進(jìn)行了60臂井徑測(cè)井，測(cè)量井段4 877.5～5 177.5 m。測(cè)井結(jié)果如下：

1)在5 134～5 139 m井段，套管上出現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布的帶狀擴(kuò)徑，但擴(kuò)徑范圍不大，懷疑對(duì)稱(chēng)帶狀擴(kuò)徑位置是鉆具遇阻掛卡井段，帶狀擴(kuò)徑磨損形貌如圖4所示；

(2)在5 170～5 177.5 m處，套管有明顯擴(kuò)徑，懷疑對(duì)稱(chēng)帶狀擴(kuò)徑位置是遇阻掛卡磨損井段，其磨損形貌如圖5所示；

3)下鉆遇阻井段套管擴(kuò)徑及接箍位置如圖6所示。

測(cè)井結(jié)果表明，鉆頭在5 134.65～5 136.65 m和5 170.00～5 177.75 m井段與177.80 mm套管內(nèi)壁摩擦,并在套管內(nèi)壁形成了對(duì)稱(chēng)分布的帶狀擴(kuò)徑。

4)測(cè)井結(jié)果反映了鉆塞之后套管形貌，并非套管失效后的原始形貌。

1.5 鉛印檢查

2015年4月2日15:00，下147 mm鉛印至井深5 188 m，無(wú)遇阻。4月3日12:30起鉆檢查，鉛印外壁有部分刮痕，附帶部分鐵屑，鉛印外徑尺寸為147 mm；鉛印端面邊緣損傷，端面外徑明顯縮小，最小外徑144 mm，其外觀形貌如圖7所示。

鉛印檢查結(jié)果表明：套管內(nèi)徑大于147 mm，但套管內(nèi)壁磨損之后不規(guī)則。

圖4 在5 131.53 m井深位置套管內(nèi)壁開(kāi)始出現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布的帶狀擴(kuò)徑磨損

圖5 5 170.00～5 177.75 m套管內(nèi)壁對(duì)稱(chēng)分布的帶狀擴(kuò)徑磨損

圖6 下鉆遇阻井段套管磨損擴(kuò)徑位置及接箍位置

圖7 鉛印端面損傷形貌

2 結(jié)果分析

2.1 套管損壞位置

鉆塞結(jié)果表明：在5 134.54～5142 m和5 170～5 181 m井段鉆塞遇阻，遇阻原因是鉆頭外壁與套管內(nèi)壁發(fā)生嚴(yán)重摩擦干涉[1-2]。

測(cè)井結(jié)果表明：在測(cè)井井深5 131.53～5 139.00 m和5 166.99～5 177.50 m井段鉆塞鉆頭與套管內(nèi)壁摩擦干涉，導(dǎo)致鉆塞鉆頭在下鉆過(guò)程中遇阻。

鉆塞井深和下套管井深與測(cè)井井深存在差異，但測(cè)井深度可以確定套管失效位置與接箍相對(duì)位置。因此，在確定套管失效位置時(shí)應(yīng)當(dāng)以測(cè)井深度為準(zhǔn)。該井鉆塞井深、測(cè)井深度及部分套管下井深度見(jiàn)表4。依據(jù)表4中的測(cè)井結(jié)果，入井序號(hào)為115號(hào)的套管開(kāi)始磨損位置井深5 131.53 m，距該套管接箍0.19 m。入井序號(hào)為112號(hào)的套管開(kāi)始磨損位置井深5 166.99 m，距該套管接箍1.997 m。

2.2 套管磨損原因

套管通徑尺寸不合格、套管變形、鉆頭尺寸偏大、鉆具組合不合理、井眼軌跡超差和套管在井下承受外壓變形等均會(huì)導(dǎo)致套管內(nèi)壁磨損。下面分別予以分析：

2.2.1 套管出廠之前通徑不合格的可能性

如果套管出廠之前通徑不合格，可能會(huì)導(dǎo)致下鉆遇阻。該批套管在出廠之前按照API Spec 5CT《套管和油管規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定逐根進(jìn)行了通徑檢查?？梢耘懦坠艹鰪S之前通徑不合格的可能性。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)通徑規(guī)尺寸對(duì)套管磨損的影響

該批套管入井前在井場(chǎng)逐根進(jìn)行了通徑檢查，通徑檢查結(jié)果合格，但通徑規(guī)不符合要求，通徑規(guī)工作外徑段長(zhǎng)度11.6 mm，只有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的7.6%，這就無(wú)法正確檢驗(yàn)套管通徑尺寸，無(wú)法判定套管入井前是否存在變形?，F(xiàn)場(chǎng)采用的通徑規(guī)工作外徑段長(zhǎng)度只有PDC鉆頭工作外徑段長(zhǎng)度(78 mm)的14.9%，如果入井前套管變形，采用此通徑規(guī)檢驗(yàn)可能合格，但PDC鉆頭外徑僅比套管通徑小0.09 mm，這就容易導(dǎo)致鉆塞鉆頭在套管變形位置下鉆遇阻。

2.2.3 鉆頭尺寸對(duì)套管磨損的影響

鉆頭尺寸偏大容易磨損套管。該井鉆水泥塞采用149.23 mmPDC鉆頭,177.80 mm×12.65 mm 140特殊螺紋接頭套管內(nèi)徑為152.50 mm，通徑為149.32 mm。鉆頭外徑比套管通徑僅小0.09 mm，這就容易導(dǎo)致套管磨損。

表4 鉆塞井深、測(cè)井深度及第111-115號(hào)套管下井深度

該井鉆塞鉆具組合采用149.23 mmPDC鉆頭，在鉆頭外徑與177.80 mm×12.65 mm 140特殊螺紋接頭套管通徑接近的情況下，一旦鉆頭外徑一側(cè)與套管一側(cè)摩擦干涉，鉆頭干涉位置與套管內(nèi)壁接觸外徑會(huì)增大(如圖8和圖9所示)，PDC鉆頭硬質(zhì)合金齒很容易與套管內(nèi)壁在該方向?qū)ΨQ(chēng)咬死，導(dǎo)致下鉆遇阻干涉。

圖8 149.23 mm PDC鉆頭

圖9 149.23 mmPDC鉆頭傾斜前后尺寸變化示意圖

測(cè)井結(jié)果表明：該井在5 131.53～5 139.00 m和5 166.99～5 177.50 m井段套管均為對(duì)稱(chēng)磨損。鉆塞結(jié)果表明:鉆塞PDC鉆頭1號(hào)刀翼后排齒外側(cè)斷裂，2號(hào)刀翼后排齒外側(cè)斷裂；與1號(hào)和2號(hào)刀翼對(duì)稱(chēng)的4號(hào)刀翼后排齒外側(cè)斷裂，5號(hào)刀翼前排2個(gè)保徑齒斷裂。以上形貌特征表明：PDC鉆頭傾斜鉆磨導(dǎo)致套管對(duì)稱(chēng)磨損。

2.2.4 鉆頭種類(lèi)對(duì)套管磨損的影響

牙輪鉆頭破巖主要靠沖擊和壓碎作用。牙輪鉆頭工作時(shí)牙輪轉(zhuǎn)動(dòng)，單齒與雙齒交替接觸井底，使鉆頭產(chǎn)生縱向振動(dòng)，產(chǎn)生的沖擊載荷和鉆壓通過(guò)牙齒作用在巖石上，對(duì)巖石產(chǎn)生沖擊壓碎作用，形成體積破碎坑穴。同時(shí)，牙輪在井底滾動(dòng)還會(huì)對(duì)巖石產(chǎn)生滑動(dòng)剪切作用。PDC鉆頭主要以切削方式破碎巖石[3]。與牙輪鉆頭相比，PDC鉆頭對(duì)套管內(nèi)壁磨損更嚴(yán)重。

2.2.5 套管在井下變形導(dǎo)致套管磨損可能性

1)假設(shè)外壓導(dǎo)致套管變形

套管所受外壓超過(guò)內(nèi)壓，且內(nèi)外壓差超過(guò)套管抗擠強(qiáng)度，才會(huì)導(dǎo)致套管發(fā)生變形，或者擠毀[4-7]。一旦套管在外壓作用下發(fā)生變形，或者擠毀，套管內(nèi)徑變小，鉆頭通過(guò)套管變形位置時(shí)會(huì)與套管內(nèi)壁發(fā)生摩擦干涉，導(dǎo)致鉆塞遇阻。

該井在測(cè)井井深5 134.54～5 139.00 m和5 170～5 177.50 m井段鉆塞鉆頭與套管內(nèi)壁摩擦干涉，該位置處在正注水泥固井井段，在正注水泥過(guò)程中套管內(nèi)壓始終高于外壓，不可能發(fā)生套管擠壓變形，或擠毀。這說(shuō)明外壓導(dǎo)致套管變形的假設(shè)不成立。

2)假設(shè)地層蠕變導(dǎo)致套管變形

一般地層蠕變會(huì)使套管變形，或者錯(cuò)斷。那么，是否由于地層蠕變導(dǎo)致套管變形后在井深5 134.54～5 139.00 m和5 170～5 177.50 m井段鉆塞鉆頭與套管內(nèi)壁摩擦干涉呢？這是我們必須弄清楚的問(wèn)題。

該井在5 134.54～5 139.00 m和5 170～5 177.50 m套管磨損井段地層為蠕變速率極小的白色鹽巖(表2)，不可能將抗擠強(qiáng)度為106.9 MPa的177.80 mm×12.65 mm 140套管擠壓變形。這說(shuō)明地層蠕變導(dǎo)致第115號(hào)和112號(hào)套管變形的假設(shè)不成立。

2.2.6 井眼軌跡對(duì)套管磨損的影響

井眼軌跡不符合設(shè)計(jì)要求，在井斜和全角變化率嚴(yán)重井段容易導(dǎo)致套管磨損[8]。該井5 134.54～5 139.00 m和在5 170～5 177.50 m(鉆井井深)套管磨損井段井斜和全角變化率遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)規(guī)定的上限[井斜≤4°，全角變化率≤3.00 (°/25m)]，可以排除井眼軌跡超差導(dǎo)致鉆塞將套管磨損的可能性。

2.3 套管開(kāi)始異常磨損時(shí)間

2015年3月27日14:38下149.23 mm M1365D雙排齒PDC鉆頭至井深5 134.54 m，遇阻12 t。該時(shí)間應(yīng)當(dāng)是PDC鉆頭異常對(duì)稱(chēng)磨損套管的開(kāi)始時(shí)間。

3 結(jié)論及建議

1) 2015年3月27日14:38下149.23 mm M1365D雙排齒PDC鉆頭至井深5 134.54 m，PDC鉆頭開(kāi)始異常磨損套管。

2)鉆塞鉆頭與套管異常摩擦干涉導(dǎo)致下鉆遇阻。

3)套管磨損與現(xiàn)場(chǎng)采用的通徑規(guī)不符合標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，也與鉆塞鉆頭尺寸偏大和鉆頭選型不合理有關(guān)，但與地層蠕變無(wú)關(guān)。

4)建議油田采用API Spec 5CT規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)通徑規(guī)。

5)建議采用牙輪鉆頭鉆水泥塞。

6)建議采用200.03 mm×14.20 mm C110套管替代177.80 mm×12.65 mm 140套管。

[1] 呂拴錄，康延軍，劉 勝，等.井口套管裂紋原因分析[J].石油鉆探技術(shù)，2009，37(5)：85-88.

[2] 許 峰，呂拴錄，康延軍，等. 井口套管磨損失效原因分析及預(yù)防措施研究[J].石油鉆采工藝，2011，Vol.33(2)：140-142.

[3] 《鉆井手冊(cè)(甲方)》編寫(xiě)組編. 鉆井手冊(cè)(甲方)[S].石油工業(yè)出版社，1990年6月北京第1版.

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[5] 呂拴錄，何 君，李元斌,等.某稠油井88.9mm油管擠毀原因分析及試驗(yàn)研究[J].理化檢驗(yàn),2013 VOL49(12)：838-842.

[6] 高 林,呂拴錄,李鶴林,等.油、套管脫扣、擠毀和破裂失效分析綜述[J].理化檢驗(yàn)-分冊(cè),2013 VOL49(4):177-182.

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[8] 呂拴錄，滕學(xué)清，李曉春，等.(KS203井)某井口設(shè)備偏磨原因分析[J].石油鉆采工藝 2013,35(1)：118-121.

CauseAnalysisonAccidentofCasingWearandTearinWellYXK6

TENGXueqing1,YANGXiangtong1,ZHUJinzhi1,LYUShuanlu1,2,AIYong1,PENGXiaogang1

(1.MaterialScienceandEngineeringDepartmentofChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China；2.PetroChinaTarimOilField,Korla,Xinjiang841000,China)

This paper gives an investigation on accident of casing wear and tear during drilling cement plug in Well YXK6. It was considered that abnormal friction between bit and casing resulted in accident of drilling resistance per analyzing on iron scurf morphology and failure bit morphology. It was found that there was mismatching between bit and casing, but it was no related to creep formations pass through analysis on accident of drilling resistance. It was suggested that casing string design and drilling string design should be improved, and casing drift inspection should be done in accordance with the standard.

casing; bit; drilling resistance; wear and tear; iron scurf

滕學(xué)清，男，1965生，高級(jí)工程師，1989年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)鉆井專(zhuān)業(yè)。主要從事石油鉆井和完井工程技術(shù)工作。E-mail: lvshuanlu@163.com

TE931+.2

A

2096-0077(2017)05-0058-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.015

2017-02-23編輯葛明君)