超深井鉆井中鉆柱的受力分析

超深井鉆井中鉆柱的受力分析

在氣田勘探和開發(fā)挖掘中，尤其是在水井、大位移井、水平井和大傾斜井中，鉆桿和套筒嚴重磨損，給油田造成重大損失。因此,鉆井過程中鉆桿和套管的磨損及防磨問題已引起鉆井界的密切關(guān)注。作好鉆井過程中套管的前期防護工作是今后開展套管綜合防護工作的前提和基礎(chǔ),是石油公司和鉆井承包商共同關(guān)注的現(xiàn)實問題,也是事關(guān)油井使用壽命和開發(fā)效果的重要因素之一。1套管磨損嚴重,影響鉆井質(zhì)量和安全隨著我國油田開發(fā)的進展,井深為4000m以上的深井、超深井大量出現(xiàn)。由于施工周期長、井眼深、井身結(jié)構(gòu)復雜的原因,深井、超深井套管磨損嚴重。近年來部分重點深探井套管磨損事故情況復雜,平均每口井損失43d時間。勝利油田施工的深探井安參1井、河壩1井;塔里木油田的圣科1井、英科1井等10余口井在施工過程中均出現(xiàn)了不同程度的套管磨損問題。套管磨損主要以?244.5mm和?339.7mm技術(shù)套管最為典型,在這2層技術(shù)套管之下?215.9mm和?311.4mm井段裸眼段很長,起下鉆次數(shù)多,旋轉(zhuǎn)時間長,再加上井斜和“狗腿”度的作用,套管磨損嚴重。套管磨損的主要形式為偏磨,使套管橫截面呈月牙形,導致抗擠強度大大降低,容易造成套管擠毀,使鉆井或局部井段報廢。偏磨后的套管在抗擠強度降低的同時其抗內(nèi)壓強度也隨之降低,影響后續(xù)的鉆井、完井及開采作業(yè)質(zhì)量和安全性;重則造成套管柱擠毀、變形及泄漏,引發(fā)井下事故,有時甚至造成全井報廢,這不僅造成重大經(jīng)濟損失,而且給加深鉆井造成困難或鉆不到設(shè)計深度。目前,我國深探井鉆井技術(shù)已進入規(guī)模應(yīng)用階段,減少技術(shù)套管磨損和破裂后的處理問題是當前亟待解決的難題。引起套管磨損的因素很多,例如鉆具組合、泥漿成分、套管和鉆桿材料等。經(jīng)前人的研究總結(jié),得出上層套管在固井時不居中等因素導致鉆柱不居中,使鉆桿接頭在鉆井施工中與套管內(nèi)壁相互摩擦是造成套管磨損的主要原因。雖然鉆桿接頭和鉆桿本體都對套管有磨損作用,但鉆桿接頭對套管的磨損影響最大。因為鉆桿接頭的直徑比鉆桿本體大20%~30%,很容易與套管內(nèi)壁接觸磨損套管。當接觸力增大,使鉆桿和套管之間的鉆井液潤滑膜的潤滑作用降低;當接觸力足夠大時,潤滑膜的潤滑作用完全消失,鉆桿接頭和套管內(nèi)壁直接接觸產(chǎn)生了干摩擦。因此,在鉆柱鉆進時,鉆桿接頭如同一個砂輪在磨銑與其接觸的套管壁;在起下鉆時,鉆桿接頭又如同一個鋸齒切削與其接觸的套管壁,側(cè)向力越大,磨損越嚴重。在這種情況下,不僅加速套管的磨損,并且可導致鉆桿接頭縱向磨損。可見如何降低鉆桿與套管之間的摩擦接觸或摩擦因數(shù)是防磨的核心和關(guān)鍵。因此,本文著重論述與鉆桿配套使用的防磨措施。2硬脆材料的擦副應(yīng)用前人通過大量的實驗數(shù)據(jù)分析得出,相同的摩擦副在不同潤滑介質(zhì)下的摩擦因數(shù)差異較大,而且在同一種潤滑介質(zhì)下,不同摩擦副的摩擦因數(shù)差別也很大?；诖藢嶒灷碚?研制了在鉆桿接頭上敷焊耐磨帶的方法變鉆桿接頭與套管的摩擦副形式為耐磨帶與套管磨損。最初鉆具服務(wù)公司為了避免鉆桿的磨損,采用在鉆桿接頭上焊耐磨帶的方法,當時耐磨帶材料主要是鎢鈷系列硬質(zhì)合金,如碳化鎢。在現(xiàn)場使用中發(fā)現(xiàn)這種方式存在較大弊端,雖然保護了鉆桿,但硬質(zhì)合金耐磨帶對套管的磨損較大。然而造成嚴重鉆井事故的主要原因是套管磨損,因此國內(nèi)外的技術(shù)服務(wù)公司研制了一系列新型抗磨材料來替代硬質(zhì)合金,其主要目的是利用新型合金和套管的減磨性來防止套管磨損。據(jù)統(tǒng)計,應(yīng)用新技術(shù)在鉆井過程中,可減少套管磨損90%以上,鉆桿接頭的使用壽命提高了3倍,同時降低井下鉆具旋轉(zhuǎn)阻力,降低扭矩達30%。但是采用合金材料充當減磨介質(zhì),對于套管的磨損仍然不可避免,只是相對鉆桿接頭和硬質(zhì)合金有大幅度的降低。2.1碳化符合識別地層磨損結(jié)構(gòu)的帶設(shè)計在鉆桿接頭耐磨性帶的應(yīng)用耐磨帶起源于一種耐磨接頭,其安裝簡單,用于減輕鉆柱扭矩。在20世紀30年代,鉆桿接頭耐磨帶技術(shù)得到了廣泛使用,其實質(zhì)是在鉆桿公接頭或母接頭上敷焊一層硬質(zhì)合金材料將鉆桿接頭本體與套管壁或井壁隔離,避免鉆桿與套管壁或井壁直接接觸。最初使用的硬質(zhì)合金雖然對鉆桿接頭有很好的保護作用,但對套管壁磨損嚴重。1992年,ARNCO公司推出新耐磨帶材料ARNCO200XT,敷焊ARNCO200XT的鉆桿不僅降低了鉆桿接頭本身的磨損,還有效地降低了套管的磨損。這種焊絲是一種低摩擦因數(shù)的碳化鉻鐵合金材料,該化合物具有較小的金屬和金屬之間的磨損率,適度偏高的耐磨性能。ARNCO200XT與碳化鎢耐磨帶相比可使套管磨損率下降75%~85%。既能有效地保護套管,又能延長鉆桿接頭的使用壽命。另外,碳化鎢耐磨帶為了防止其過度地磨損套管,焊接要求高,而敷焊ARNCO200XT耐磨帶后的鉆桿接頭外圓直徑大于接頭外圓,避免了接頭與井壁或套管直接摩擦,且不必經(jīng)過特殊熱處理,就能夠在原來的耐磨帶上敷焊新的ASNCO200XT耐磨帶,能方便修復磨損的耐磨帶。使用ARNCO200XT耐磨帶的鉆桿與井壁或套管摩擦因數(shù)降低(>30%),大大減小了阻力和扭矩,同時降低了轉(zhuǎn)盤的能耗。迄今為止,該技術(shù)已經(jīng)在世界各地得到了應(yīng)用,在深探井、特殊井技術(shù)套管防磨方面起到了很好的作用。隨后,又開發(fā)出ARNCO100XT鉆桿接頭耐磨帶材料,ARCO100XT是對ARNC200XT的改進。因為ARNCO200XT在敷焊過程中易產(chǎn)生微裂紋,雖然在使用過程中沒有影響,但重新敷焊時則要將有裂紋的部分全部鏟掉。而改進的100XT耐磨帶不僅對套管磨損降為最低,而且在裸眼井中,它的耐磨性與碳化鎢相當,提高鉆桿接頭壽命300%;同時保護套管與鉆桿接頭,并可在原先殘存的碳化鎢耐磨帶上繼續(xù)加焊100XT;可用于新、舊不同尺寸的各種鉆桿工具。在美國權(quán)威機構(gòu)MAUREENGINEEDEA-42套管磨損研究中證明,ARNCO耐磨帶技術(shù)既可以用于保護鉆桿接頭,延長其壽命,也能保護套管,減小磨損。實踐證明,以盡量減少套管磨損為主,允許鉆桿接頭耐磨帶適度磨損的材料設(shè)計原理是科學的。工程技術(shù)服務(wù)公司專門對安科耐磨帶材料的耐磨性能和對套管的保護性能作了專門的實驗研究。根據(jù)塔里木探區(qū)泥漿體系的特點,選用3種不同的介質(zhì)進行試驗。試驗結(jié)果證明,安科耐磨材料對鉆桿和套管都具有良好的保護作用。2003年初安科公司推出了“第3代”產(chǎn)品300XT鉆桿接頭耐磨帶。這種耐磨帶不同于早期的100XT和200XT耐磨帶,屬于無鉻金屬的鐵基合金,含有鎳、硼、鈮等元素,并有一些其他的合金成分,能形成很好的熔池效果,特別適應(yīng)于在極度研磨的裸眼地層鉆進。能將套管磨損狀態(tài)降至最低程度;以耐磨帶的磨損代替了鉆桿接頭和套管的磨損,并在裸眼井鉆進時的抗磨效果幾乎等同于碳化鎢,確保鉆桿接頭和套管之間的理想摩擦和均衡保護,采取高度為2mm“凸起”堆焊方式,使摩擦由耐磨帶負擔,并且300XT可以堆焊在過去原有的100XT和一些其他公司出產(chǎn)的耐磨帶之上;耐磨壽命長,大大減少了起下鉆、重新修焊和往返運輸?shù)臅r間及成本。2.2優(yōu)質(zhì)鋼質(zhì)鉆桿耐磨材料pt2005合金焊絲是一種新型的耐磨帶材料,與合金粉相比硬度相當、耐磨性更好,現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各油田。這種材料敷焊的鉆桿接頭耐磨帶摩擦因數(shù)小,可以在鉆桿接頭與套管間形成摩擦副,不僅有效地保護鉆桿接頭和套管,而且降低了鉆具旋轉(zhuǎn)阻力,增大鉆桿的扭矩。由于進口焊絲價格很高,不適應(yīng)國內(nèi)油田,中原石油勘探局鉆井管具工程處與國內(nèi)研究焊接材料的院所合作開發(fā)出具有與國外優(yōu)質(zhì)焊絲同等性能的耐磨材料PT100,價格低廉,焊接工藝簡單,只要在傳統(tǒng)焊機的基礎(chǔ)上進行改造即可進行生產(chǎn);焊件無需預熱,焊后不保溫并具有重復可焊性。PT100耐磨帶經(jīng)過試驗和現(xiàn)場使用證明,與鋼質(zhì)鉆桿接頭相比,套管磨損減少86%;與經(jīng)過碳化鎢處理的鉆桿接頭相比,套管磨損降低76%;摩擦因數(shù)的減小,使鉆具旋轉(zhuǎn)阻力、扭矩增大30%,節(jié)省燃料消耗10%;在裸眼鉆井環(huán)境下,更有效地保護鉆桿接頭,減小磨損。2.3磨損工況適用為克服傳統(tǒng)離子注入技術(shù)的限制,1987年研制開發(fā)了等離子體浸沒離子注入(P)技術(shù),應(yīng)用此技術(shù)可以得到較厚的表面改性層,并提高改性層的承載能力,能適用于苛刻的摩擦磨損工況。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高頻低電壓等離子體浸沒離子注入(P)技術(shù),采用高頻低電壓脈沖方式,等離子體的產(chǎn)生幾乎不依賴于工作氣壓和注入電壓,可得到均勻的改性層且工藝靈活。采用該技術(shù)對AISI304不銹鋼進行了表面改性,其室內(nèi)臺架實驗結(jié)果表明,AISI304不銹鋼表面形成了高氮濃度層和膨脹奧氏體,提高了表面硬度,降低了表面粘著和塑性流動傾向,使摩擦因數(shù)減小,耐磨性比未采用此技術(shù)的試件提高2~10倍,效果非常顯著。2.4復合耐磨性帶材料中國石油天然氣集團公司研制的Gendalen-200為高鉻合金材料。該材料敷焊的耐磨帶與套管組成摩擦因數(shù)較小的摩擦副,因此鉆桿接頭和套管的磨損量減小,可使鉆桿和套管的使用壽命延長1倍以上,性能可與國外同類產(chǎn)品相媲美,而價格僅為國外同類產(chǎn)品的1/3~1/2。并且噴焊鉆桿由于在接頭外徑部分敷焊耐磨帶,不但在鉆井過程中可大幅度提高接頭的耐磨性,同時噴焊鉆桿的使用壽命提高4倍。根據(jù)各油田噴焊鉆桿磨損情況統(tǒng)計,使用此技術(shù)大大節(jié)約了鉆井成本。敷焊耐磨帶雖然減輕了套管的磨損,但由于耐磨層與鉆桿接頭本體間材質(zhì)特性差異大,焊后二者結(jié)合力差,且易形成裂紋。在深井中由于地層溫度高,導致本體與耐磨層的熱變形不一致,鉆進中耐磨帶材料易發(fā)生局部脫落,甚至全部脫落,導致鉆桿接頭上部和套管內(nèi)壁磨損加劇,所以對現(xiàn)有的耐磨帶材料進行改進,提高其與鉆桿接頭本體的熔合性和熱力學特性。采用更合理的工藝避免或減少加工時出現(xiàn)裂紋是一項急需深入研究的工作。3減少鉆桿接頭磨損鉆桿保護器是利用橡膠材料來避免套管磨損。通常鉆桿接箍和穩(wěn)定器的外徑大于鉆桿本體,最先和套管接觸,對套管磨損很嚴重。如果安裝上比鉆桿接頭外徑更大的鉆桿保護器就能避免套管與鉆桿接頭的直接接觸,降低了摩擦因數(shù),減小了套管磨損。Lubinski分析了在平緩和急陡的狗腿下使用鋼制或橡膠保護器的有效性,認為保護器可防止鉆桿磨損并減少疲勞損傷。Kevin和Dawson討論了橡膠摩擦的理論,按能量消耗分粘著和滯后2種機理,粘著機理發(fā)生時摩擦因數(shù)高,滯后機理的摩擦因數(shù)低。從理論上證明了橡膠保護材料能有效避免套管磨損。3.1轉(zhuǎn)鉆桿保摩機理在鉆桿本體上安裝膠皮護箍,可達到防止鉆進時鉆桿和套管之間的磨損。鉆桿保護器分為旋轉(zhuǎn)鉆桿保護器和非旋轉(zhuǎn)鉆桿保護器。旋轉(zhuǎn)式被剛性地固定在鉆柱上,隨鉆柱的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn);非旋轉(zhuǎn)鉆桿保護器由內(nèi)壁帶槽的橡膠滑套、金屬加強襯管和2個鋁制止推軸承環(huán)3部分組成。滑套位于2軸承環(huán)之間,軸向上有足夠間隙,允許滑套和鉆桿有相對轉(zhuǎn)動?；變?nèi)表面的槽可以保證鉆井液進入滑套與鉆柱的環(huán)形空間,起到潤滑作用。其減摩機理是:膠皮護箍的外徑大于鉆桿接頭外徑,以保證在鉆進過程中,鉆桿接頭不和套管內(nèi)壁接觸,磨損作用在膠皮和套管上,由于膠皮比套管軟得多,因此主要的磨損由膠皮來承受,而套管不會受到磨損,同時也避免了鉆桿接頭的磨損。近年來,國內(nèi)也開發(fā)了各種鉆桿橡膠護箍,有擴張式、插銷式和對開插銷式等。3.1.1減扭接頭、優(yōu)化鉆井工藝在普光1井鉆井過程中,鉆具與套管之間的摩阻大,磨損劇烈,二開后該井表層套管即被磨穿。三開時,為保護套管,采取優(yōu)選防磨工具、合理安放防磨減扭接頭、優(yōu)化鉆具組合和鉆井參數(shù)等措施,施工中扭矩和鉆屑中的鐵屑含量大幅降低,套管防磨效果顯著。二開時為保護表層套管,自2001-12-05使用插銷式鉆桿橡膠護箍,套管內(nèi)的鉆桿每柱1只。該護箍雖然安裝方便,但是使用壽命短,而且脫落的橡膠易堆積在一起,堵塞泥漿出口管線,造成循環(huán)不暢,如落入井底則影響機械鉆速,甚至造成卡鉆,施工隱患很大。使用表明插銷式鉆桿橡膠護箍套管防磨鉆井的效果不好,尤其在深探井開采中。3.1.2防磨減扭接頭的改進目前,許多石油工具公司研制了各種保護接頭,直接連接在鉆柱上形成支撐,避免鉆桿接頭與套管的直接接觸,并通過外滑套和心軸之間的軸承轉(zhuǎn)動來防止套管磨損,降低鉆井扭矩。另外,各石油工具公司采取了不同的軸承設(shè)計(滾動和滑動),應(yīng)用了不同的潤滑方式(開式和閉式)。其中,Weatherford的工具采用開式潤滑方式的滑動軸承,DBS的工具則采用了閉式潤滑的滾動軸承。非旋轉(zhuǎn)鉆桿保護器與旋轉(zhuǎn)鉆桿保護器相比,使用壽命更長,在西江24-3-A14大位移井鉆井過程中取得了令人滿意的降低扭矩和防止套管磨損的效果。非旋轉(zhuǎn)鉆桿保護器通常裝在工具接頭附近,滑套的外徑比鉆桿工具接頭的外徑大,工具接頭與套管接觸之前,非旋轉(zhuǎn)鉆桿保護器將先與套管接觸,鉆柱旋轉(zhuǎn)時,非旋轉(zhuǎn)鉆桿保護器相對于鉆柱可自由轉(zhuǎn)動,相對于套管壁幾乎不轉(zhuǎn)動。由于鉆柱本體外徑小,鉆桿旋轉(zhuǎn)中摩擦面相對減少,以鉆柱與非旋轉(zhuǎn)鉆桿保護器滑套之間的摩擦代替了鉆柱接頭與套管壁之間的摩擦,因此可以通過防止套管與鉆桿接頭直接接觸來防止套管磨損。非旋轉(zhuǎn)鉆桿保護器不適用于井溫過高的工況,井溫過高會損壞保護器附套使用的聚合物材料;另外,每英寸(25.4mm)的側(cè)向力應(yīng)小于8.9kN,否則會降低液體潤滑的作用,對滑套端部造成過大的磨損,影響其工作壽命。在普光1井三開時,考慮到二開井眼斜井段長,井眼軌跡復雜,施工時間長,施工中鉆桿與套管之間的嚴重摩擦勢必造成摩阻和磨損的加劇,甚至可能造成套管磨穿,形成嚴重的井控安全隱患。因此采用了FM-197型鉆柱式防磨減扭接頭(如圖1),起到了很好的防磨作用。FM-197型整體式非旋轉(zhuǎn)套管防磨接頭主要由心軸、上下?lián)醐h(huán)和外部非旋轉(zhuǎn)防磨套組成,心軸和外部非旋轉(zhuǎn)防磨套之間、外部非旋轉(zhuǎn)防磨套和上、下?lián)醐h(huán)之間設(shè)計有軸承摩擦副。采用硬質(zhì)合金TC軸承,鉆井液開式潤滑,壽命長、風險小;下?lián)醐h(huán)和心軸剛性聯(lián)接,強度高,不易發(fā)生井下事故;整套工具采用高強度合金結(jié)構(gòu)鋼加工制造;留有充足的大鉗位置,安裝拆卸方便。鉆進過程中,鉆柱和外部不旋轉(zhuǎn)防磨套之間相互轉(zhuǎn)動,外部不旋轉(zhuǎn)防磨套和套管之間沒有高速的相互轉(zhuǎn)動,從而避免了鉆柱旋轉(zhuǎn)磨損套管;另外,防磨接頭采用軸承式防磨技術(shù),摩擦因數(shù)小,開式鉆井液潤滑,從而大幅度地降低了鉆井扭矩,較少套管磨損。普光1井三開巖屑中基本未出現(xiàn)鐵屑,鉆進扭矩降低約20%,施工中沒有因該工具的使用出現(xiàn)井下復雜工況,防磨減扭效果顯著。車古204井?339.7mm表層套管被磨穿,三開后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤扭矩較大,返出鉆屑中鐵屑較多,為防止技術(shù)套管磨損,在不同位置安放4只減磨接頭,效果十分明顯,鉆屑中的鐵屑含量減少50%(如圖2);扭矩由10~11kN·m降為5~6kN·m。FM系列工具研制成功以來,已在國內(nèi)大油田應(yīng)用700多套次,取得了明顯效果,平均使用時間1200h以上。但仍存在以下不足:如增加了鉆柱長度,安裝拆卸較鉆桿橡膠護箍復雜;增加了螺紋連接數(shù)量就增加了鉆具事故隱患;由于外部沒有減磨材料,不能有效降低起下鉆摩阻對套管的磨損;接頭上、下?lián)跞Χ际撬肋B接,給滑動軸承的維修保養(yǎng)帶來不便。3.1.3減磨復合材料的使用原理和整體式非旋轉(zhuǎn)保護接頭相同,使用過程中套裝在鉆桿上,并采用了減磨的復合材料,質(zhì)量輕、可鉆性好。其強度相對于整體式非旋轉(zhuǎn)保護接頭要低一些。3.2旋轉(zhuǎn)鉆柱接頭為減少大斜度井、大位移鉆井的扭矩損失、降低套管磨損,將鉆柱與套管或裸眼壁的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦,減小工具接頭和套管或裸眼井壁之間的摩擦因數(shù)。一些公司已成功地研制了特殊旋轉(zhuǎn)鉆柱接頭技術(shù)措施,例如滾輪扶正器,可分為整體式和分體式2種。通過滾輪將常規(guī)扶正器與井壁或套管的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦,可以降低鉆柱扭矩,減少套管磨損和扭轉(zhuǎn)振動?，F(xiàn)代化的旋轉(zhuǎn)鉆柱接頭(DSTR)主要包括心軸、非旋轉(zhuǎn)套筒,二者之間安裝有軸承,使其有較好的相對運動,其中心軸材料的力學性能比鉆桿材料好,強度較高而不會成為鉆柱中的薄弱環(huán)節(jié)。使用該工具后,可以節(jié)省驅(qū)動能耗、減少套管和鉆桿磨損和疲勞。3.3碳-碳復合材料在套管防偏磨技術(shù)中,耐磨性設(shè)計是一個重要環(huán)節(jié)。例如,摩擦副材料的選擇、結(jié)構(gòu)上防偏磨器與套管之間的作用力、加載方式等都會影響套管的磨損。防偏磨器一般選用碳-碳復合材料,此類材料耐磨性好、硬度相對較低、耐高溫,摩擦過程自潤性可以明顯降低偏磨器與套管內(nèi)壁的粘著磨損和磨料磨損