牙輪鉆頭使用突出問題的分析與建議.ppt

1、,牙輪鉆頭使用突出問題的分析與建議,目前國內(nèi)普遍采用轉(zhuǎn)盤加單彎螺桿驅(qū)動鉆頭進(jìn)行定向井鉆井作業(yè)的復(fù)合鉆井技術(shù)，在鉆頭方面暴露出的問題是牙輪齒槽易磨損掉輪尖，鉆頭背錐、掌尖過度磨損導(dǎo)致軸承壽命縮短。,問 題,問 題,復(fù)合鉆井工況下 牙輪易掉輪尖、軸承壽命短的問題,齒槽磨損分析,復(fù)合鉆井鉆具組合，使鉆頭圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)運動的同時，在井底做行星運動。,鉆頭同時有自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的復(fù)合鉆井方式,牙齒的在井底的覆蓋發(fā)生變化，鉆頭在井底每滾動一圈，每個齒圈的同心圓破碎環(huán)帶的規(guī)律被打亂，導(dǎo)致井底破碎不充分、不均勻，留下一些凸臺磨損齒槽，牙輪尖部齒槽部位殼體較薄，容易磨穿鉆頭失效。生日送什么禮物好,齒槽磨損分析,齒槽

2、磨損仿真分析,正常破碎,復(fù)合鉆井一圈破碎,復(fù)合鉆井二圈破碎,復(fù)合鉆井三圈破碎,螺桿與轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速為1：1,螺桿與轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速為2：1,齒槽磨損仿真分析,計算機(jī)模擬的偏離井眼軸線擺動鉆進(jìn)的井底模式，可以看到引起牙輪非正常磨損的圈狀凸起未破碎帶。,齒槽磨損仿真分析,背錐、掌尖易磨損問題,在斜井段和水平段，由于鉆具自重，鉆具“躺在”下井壁，井壁側(cè)壓力增大；同時鉆頭做行星運動，增大鉆頭背錐的側(cè)切作用，且隨著井斜和地層硬度、研磨性的增大，這種現(xiàn)象使鉆頭容易縮徑，掌尖磨損，C點面間隙增大，密封早期損壞。,背錐、掌尖易磨損問題,鉆具偏向下井壁而形成“偏心環(huán)空”，由于鉆井液在偏心環(huán)空流速的不均勻，巖屑沉降在下井壁

3、形成巖屑床，在一定條件下發(fā)生巖屑床的滑移、堆積，造成鉆頭掌背、背錐和外排齒圈輪體的磨粒磨損、沖蝕磨損和鉆頭重復(fù)破碎而降低鉆速。,解決問題的建議,建議井隊在鉆井施工中，適時改變螺桿轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速之比，以延長鉆頭使用壽命。,使用帶S特殊結(jié)構(gòu)、T功能、掌背鑲裝側(cè)切齒、帶密封保護(hù)、背錐優(yōu)化布齒等技術(shù)的MD系列鉆頭。,鉆遇研磨性強(qiáng)的地層，建議使用帶H特征的鉆頭。,牙輪鉆頭噴射系統(tǒng)損壞原因,前 言,上世紀(jì)九十年代8 牙輪鉆頭普遍采用高泵壓、大排量、組合噴嘴噴射鉆井技術(shù)，并廣泛采用了長噴嘴，中長噴嘴和斜噴嘴，機(jī)械鉆速有了很大提高，但隨之出現(xiàn)了流道早期沖蝕刺穿、鉆頭被迫起鉆的現(xiàn)象。 本世紀(jì)初，金剛石鉆頭使用增

4、多，8 牙輪鉆頭轉(zhuǎn)入復(fù)雜地層、深部地層和特殊工藝領(lǐng)域，沖蝕刺穿現(xiàn)象顯著減少。 隨著12 牙輪鉆頭井段的延伸以及對該鉆頭機(jī)械鉆速的追求，組合噴嘴正逐漸在廣泛應(yīng)用，沖蝕刺穿失效在該系列鉆頭中也日益增多。,牙輪鉆頭沖蝕部位和特征,噴嘴座孔入口,入口刺出小坑,逐漸擴(kuò)展，形成魚鱗坑,牙輪鉆頭沖蝕部位和特征,刺穿儲油孔孔壁，最后刺壞軸頸，導(dǎo) 致牙輪落井.生日送什么禮物好,牙輪鉆頭沖蝕部位和特征,入口沖蝕，導(dǎo)致鉆頭本體刺穿,牙輪鉆頭沖蝕部位和特征,噴嘴座臺肩處,沖蝕成蜂窩狀的環(huán)形槽，嚴(yán)重的將殼體刺穿，泵壓下降而提前起鉆。,牙輪鉆頭沖蝕部位和特征,沖蝕向密封槽部位發(fā)展，導(dǎo)致密封槽、卡簧槽刺穿，噴嘴落井,牙輪鉆

5、頭沖蝕部位和特征,噴嘴座端面沖蝕，卡簧槽刺壞，噴嘴落井,牙輪鉆頭沖蝕部位和特征,水平焊縫刺穿,牙輪鉆頭沖蝕部位和特征,噴嘴沖蝕,牙輪鉆頭沖蝕失效條件,泥漿泵排量較大，噴嘴座入口流速高。 使用雙噴嘴組合，尤其是大小噴嘴直徑差相差較大的情況。 泥漿含沙量較高，或使用的泥漿中加入鐵礦粉。 使用入口損壞的噴嘴.送禮送什么好,牙輪鉆頭沖蝕失效條件,牙輪鉆頭流道結(jié)構(gòu)設(shè)計不適合噴射鉆井。 牙輪鉆頭流道表面材料不耐沖蝕。 牙輪鉆頭加工存在缺陷。,沖蝕失效機(jī)理,牙輪鉆頭沖蝕失效可分為泥漿磨蝕和空蝕兩種作用機(jī)制。 磨蝕指具有一定速度的含沙液流以一定的角度沖磨金屬表面，導(dǎo)致金屬材料脫離基體的現(xiàn)象。 空蝕指泥漿中的氣

6、體在某種條件下形成的氣泡突然潰滅后對壁面造成的沖擊破壞。,磨蝕的各種影響因素,泥漿流速 在沖蝕磨損過程中最重要的參量是磨粒沖擊表面的速度，這是材料流失的動能因素。研究結(jié)果表明，磨蝕率與磨粒速度有如下規(guī)律1： = KVn 其中，K、n都是常數(shù)。一般2n3。,磨蝕的各種影響因素,沖擊角,牙掌材料屬于韌性材料，最大磨損量所對應(yīng)的沖擊角在30到60之間。,磨蝕的各種影響因素,泥漿含沙量及沙粒特征,P：磨損率 單位時間失重;：泥砂作用系數(shù); ：相對流速沖角系數(shù); W：相對速度，指數(shù)n取3; ：某一級粒徑含砂量; ：某一級粒徑砂粒硬度系數(shù); ：某一級粒徑砂粒形狀系數(shù).,砂粒直徑大，磨損率高，粒徑在0.04

7、0.14之間粒徑變化對磨損率影響敏感，磨損率與粒徑的平方成正比。,空蝕發(fā)生原理和作用機(jī)理,以固體微粒為核心的氣核在局部低壓區(qū)發(fā)育長大成氣泡，當(dāng)氣泡隨高速液流流經(jīng)下游局部高壓區(qū)時，在壓力的作用下瞬時發(fā)生潰滅，從而產(chǎn)生巨大的沖擊力，這種沖擊力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過壁面材料的屈服強(qiáng)度，據(jù)研究表明對于一個初始泡徑為4mm的空泡，最后潰滅時形成的微射流直徑約為80m，流速約為100m/s。據(jù)Petrka報道，由計算確定的球形空泡潰滅時，在邊壁造成的壓強(qiáng)可高達(dá)12000多個工程大氣壓，而實測記錄為7750個工程大氣壓。微射流的沖擊作用將象錘擊一樣連續(xù)地打擊著固體表面，其中強(qiáng)大的沖擊力可以直接使壁面破壞，而較弱的沖擊力反

8、復(fù)作用則可以引起壁面材料的疲勞破壞，這兩種作用均可使過流的固體壁面局部地區(qū)遭受空蝕破壞.,空蝕破壞初始，一般均使過流壁面粗糙，繼之發(fā)展成為麻點坑面，嚴(yán)重時壁面將成為海棉狀的蜂窩狀蝕坑。 怎樣送禮,空蝕發(fā)生原理和作用機(jī)理,發(fā)生空蝕的基本條件,液流中存在氣體和固相顆粒. 液流區(qū)域存在局部低壓區(qū)和高壓區(qū).,影響空蝕發(fā)生的因素,1、流速的影響材料的空蝕率I與水流流速成下列關(guān)系： I = A V n 式中：A為一常數(shù),影響空蝕發(fā)生的因素,2、壓強(qiáng)的影響 當(dāng)下游壓強(qiáng)一定時，空蝕程度隨試件上游壓強(qiáng)的增加而增加。當(dāng)上游壓強(qiáng)固定時，空蝕程度隨下游壓強(qiáng)的增加而出現(xiàn)一最大值，這是因為在空化區(qū)中，壓強(qiáng)的增加將使空泡潰

9、滅的強(qiáng)度加大，而同時由于壓強(qiáng)的增加空化區(qū)中的空泡數(shù)目會減少，這樣，當(dāng)下游壓強(qiáng)增加到相當(dāng)高時，自然會使空化完全消失，空化消失前空蝕程度最為嚴(yán)重。,影響空蝕發(fā)生的因素,3、溫度的影響 溫度升高，液流更易發(fā)生空化，形成氣泡，且氣泡潰滅的能量高，對壁面的破壞加劇。,牙輪鉆頭噴射系統(tǒng)沖蝕失效分析,牙輪鉆頭流道由三片牙掌圍合而成，主流道段為圓柱形，流速平穩(wěn)；分流道為不規(guī)則形，截面面積增大，同時有導(dǎo)流塊將來流分配到各個噴嘴座孔中，由于噴嘴座入口直徑小，必然在該處形成旋渦。使用組合噴嘴，尤其是堵一個噴嘴后，分流道橫向流速增加，流道內(nèi)液流的紊動度急劇增加，局部壓力梯度也顯著增加，產(chǎn)生了空蝕發(fā)生的條件。,牙輪鉆頭

10、噴射系統(tǒng)沖蝕失效分析,牙輪鉆頭二維流動顯示儀觀察結(jié)果,采用組合噴嘴，導(dǎo)致鉆頭流道內(nèi)產(chǎn)生局部高壓區(qū)和低壓區(qū)，高的泥漿排量在主流道和分流道交界處形成脫流，而泥漿中含有各種氣體，于是，在噴嘴座入口便產(chǎn)生了空蝕破壞。 含沙泥漿流高速沖擊分流道導(dǎo)流塊，導(dǎo)致該處很快磨蝕，表面破壞。 磨蝕、空蝕聯(lián)合作用將加速噴嘴座入口刺穿。 流道表面的尖角、凹坑、焊縫缺陷一般是沖蝕刺穿點。,牙輪鉆頭噴射系統(tǒng)沖蝕失效分析,1996年6月由中原油田收回了4只8 1/2 H517鉆頭，均因流道刺穿造成鉆頭早期失效，其中3只鉆頭的噴嘴座入口刺穿，泥漿進(jìn)入儲油孔，經(jīng)長油孔到軸承，造成軸承系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)入泥漿而早期失效，并將傳壓孔刺大。,牙

11、輪鉆頭噴射系統(tǒng)沖蝕失效分析,牙輪鉆頭噴射系統(tǒng)沖蝕失效分析,2、噴嘴座臺肩沖蝕失效分析,由于各家噴嘴尺寸的不一致性，導(dǎo)致噴嘴座臺肩處形成較大的臺肩和間隙，高速液流經(jīng)過時，受到阻礙，在該處形成旋流，從而導(dǎo)致該部位沖蝕失效。,牙輪鉆頭噴射系統(tǒng)沖蝕失效分析,使用入口端已沖蝕或缺損的硬質(zhì)合金噴嘴，也會導(dǎo)致噴嘴座臺肩處發(fā)生沖蝕失效。,牙輪鉆頭噴射系統(tǒng)沖蝕失效分析,牙輪鉆頭噴射系統(tǒng)沖蝕失效分析,牙輪鉆頭噴射系統(tǒng)沖蝕失效分析,3、噴嘴座端面沖蝕失效分析,由于鉆頭泥包，射流沖向泥包層形成反射，造成噴嘴座端面沖蝕.,牙輪鉆頭噴射系統(tǒng)沖蝕失效分析,4、水平焊縫沖蝕失效分析,一般是焊縫質(zhì)量問題，導(dǎo)致高壓下該部位貫通，形成泥漿通道，最終刺穿失效。,牙輪鉆頭噴射系統(tǒng)沖蝕失效分析,5、噴嘴沖蝕失效分析,噴嘴多次重復(fù)使用； 拆卸噴嘴時破壞了噴嘴入口； 噴嘴入口流速高； 泥漿中含有較多量的硬顆粒。,1、合理選擇噴嘴組合，嚴(yán)格控制泥漿含沙量,休斯公司通過大量的室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，在泥漿中的固相含量低于3%的前提下，鉆頭噴嘴座入口區(qū)的泥漿流速，不應(yīng)超過每秒70英尺（21.4m/s）。若泥漿固相含量高于3%時，應(yīng)采用更低