卿元華，吳　強

（1.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000；2.中國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）

井中鉆柱旋轉方式與鉆具偏磨及實例分析

卿元華*1，吳強2

（1.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000；2.中國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種可能的運動形式，井中鉆柱公轉是偏磨主要方式，同時鉆柱公轉受多種因素制約。通過實例分析，證實了中和點以下鉆柱彎曲引起鉆柱公轉是鉆具偏磨的主要原因，提出了相應的預防措施。

鉆具偏磨；鉆柱彎曲；鉆壓；鉆井液阻力

在石油鉆井過程中，鉆具偏磨是一種常見的現(xiàn)象。鉆柱的自轉引起鉆桿的均勻磨損，公轉引起鉆具的偏磨。偏磨會增加鉆桿與井壁之間的間隙，增加鉆桿的彎曲應力，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。通過對鉆具偏磨機理分析，結合鉆井實例，提出鉆井過程中預防鉆具偏磨的措施具有應用意義。

1　鉆柱在井中運動的4種可能形式

（1）自轉：鉆柱繞自身軸線的旋轉。多數(shù)認為鉆柱在井中運動的主要形式是自轉。產(chǎn)生均勻磨損，但受交變彎曲應力作用。

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

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

（4）無規(guī)則旋轉擺動：鉆柱處于旋轉形式轉變的過渡，最不穩(wěn)定，常造成鉆柱的強烈振動。

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動取決于外界阻力（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動形式[2]。從而，多數(shù)人認識：公轉要較高的泥漿和井壁阻力，自轉所需能量最小，而運動總是沿耗能最小的方向，因此鉆柱在井內(nèi)運動方式為自轉。這一結論與實際鉆具偏磨矛盾，因為鉆柱自轉不會產(chǎn)生偏磨，所以，公轉才是偏磨的原因。鉆柱出現(xiàn)公轉的首要條件是軸線必須彎曲。

2.1井中鉆柱彎曲的特點

中和點將鉆柱分為上下兩部分，下部鉆柱受壓，上部鉆柱受拉。

當鉆進中所加鉆壓達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，下部受壓鉆柱發(fā)生彎曲。實際鉆井中一般很少出現(xiàn)3次及3次以上的多次彎曲，因為實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度小[3]。故鉆柱主要彎曲部分在中和點以下。

2.2引起鉆柱公轉的因素

（1）鋼材的滯后阻力：指粘滯介質內(nèi)摩擦力。鉆柱彎曲導致鉆柱彎曲點接受拉壓交變應力，材料的滯后作用導致能量的消耗，所以要使鉆柱維持自轉而不彎曲，需附加一個外力，即附加外力Q（相當于彎曲應力）。附加外力Q是使鉆柱不進行公轉必須附加的力。

結論：彎曲下的鉆柱在旋轉時，如果沒有外力Q阻止它，必將繞井眼軸線公轉，而不進行自轉。

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。假設鉆井液阻力為Q，其對應的鉆柱公轉轉速為n0。當轉盤轉速n≤n0，鉆柱將以轉速n公轉；n＞n0時，以n0公轉同時近似的以（n-n0）自轉。

（3）井壁摩擦力Fb。只有當Fb＞Q，自轉；Fb＜Q，同時存在公轉與自轉。

（4）鉆柱偏磨后對旋轉方式的影響。鉆柱偏磨后，再次入井后只會在原來的基礎上進一步偏磨。這與大量現(xiàn)場觀察實際一致。在待修復的鉆具中，尚未發(fā)現(xiàn)在同一個偏磨接頭存在2個偏磨帶[1]。

即使再次入井的偏磨鉆鋌，旋轉時并不與井壁接觸，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）。如果要在彎曲情況下，繞自身軸線自轉，則包含了一個撓曲面的旋轉，需要更大的能量，因而只能公轉。

3　應用實例

塔里木油田庫車坳陷大北X井二開鉆進過程中某次起鉆完，發(fā)現(xiàn)兩16″扶正器及兩扶正器間9″鉆鋌偏磨嚴重（上扶正器嚴重偏磨，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,進尺286.77m，鉆壓14～20t，轉速105～120r/min，鉆時：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、泥質粉砂巖不等厚互層，泥漿相對密度：1.30。

鉆具結構：16″M1665SSCR PDC+9-5/8″Power-V（段長: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: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）計算：假設下部鉆柱為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，則中和點位置Lm=180000/（2906×0.834）=74m?？梢娭泻忘c位置較低，又因為鉆柱主要彎曲部分在中和點以下。這就是為什么嚴重偏磨僅存在于兩16″扶正器及9″鉆鋌上。

（2）使用Power-V鉆進，所加鉆壓大。隨井深增加，鉆時由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″鉆鋌彎曲導致扶正器與井壁相切，鉆鋌彎曲而發(fā)生公轉，扶正器偏磨，偏磨一側外徑減小，繼續(xù)鉆進，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，應為扶正器和鉆鋌偏磨所致。繼續(xù)鉆進，且鉆壓逐漸增大至20t，致使扶正器和鉆鋌進一步偏磨。

4　預防鉆具偏磨的措施

（1）鉆具偏磨主要由鉆柱彎曲導致的公轉引起，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，技術人員應注意對巖屑返出情況的觀察，如出現(xiàn)鐵屑較多的情況，應及時停鉆檢查。

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

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

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

[3]劉希圣.鉆井工藝原理（上冊）[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措施[J].礦山機械，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)從事鉆井地質管理工作。