井中钻柱旋转方式与钻具偏磨及实例分析

卿元华，吴　强

（1.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒841000；2.中国石油新疆油田分公司石西油田作业区，新疆克拉玛依834000）

井中钻柱旋转方式与钻具偏磨及实例分析

卿元华*1，吴强2

（1.中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒841000；2.中国石油新疆油田分公司石西油田作业区，新疆克拉玛依834000）

钻具偏磨可引起钻具失效,导致钻具疲劳断裂,造成井下事故。钻柱在井中存在4种可能的运动形式，井中钻柱公转是偏磨主要方式，同时钻柱公转受多种因素制约。通过实例分析，证实了中和点以下钻柱弯曲引起钻柱公转是钻具偏磨的主要原因，提出了相应的预防措施。

钻具偏磨；钻柱弯曲；钻压；钻井液阻力

在石油钻井过程中，钻具偏磨是一种常见的现象。钻柱的自转引起钻杆的均匀磨损，公转引起钻具的偏磨。偏磨会增加钻杆与井壁之间的间隙，增加钻杆的弯曲应力，使钻柱的横振振幅增大，降低钻杆的疲劳寿命[1]，可能造成钻具断裂落井事故。通过对钻具偏磨机理分析，结合钻井实例，提出钻井过程中预防钻具偏磨的措施具有应用意义。

1　钻柱在井中运动的4种可能形式

（1）自转：钻柱绕自身轴线的旋转。多数认为钻柱在井中运动的主要形式是自转。产生均匀磨损，但受交变弯曲应力作用。

（2）公转：绕井眼轴线的旋转并沿井壁滑动。不受交变弯曲应力作用，但产生不均匀磨损（偏磨）。

（3）公转与自转的结合：绕井眼轴线的旋转。均匀磨损，受交变弯曲应力作用。公转与自转同一截面内存在，是一种不稳定形式。包括2种形式：①公转为主少量自转；②自转为主少量公转。

（4）无规则旋转摆动：钻柱处于旋转形式转变的过渡，最不稳定，常造成钻柱的强烈振动。

2　钻具偏磨的原因

从理论上讲，如果钻柱的刚度在各方向均匀，井眼是铅直的，那么钻柱采取何种形式的运动取决于外界阻力（泥浆阻力、井壁摩擦力等）的大小，一般都采取消耗能量最小的运动形式[2]。从而，多数人认识：公转要较高的泥浆和井壁阻力，自转所需能量最小，而运动总是沿耗能最小的方向，因此钻柱在井内运动方式为自转。这一结论与实际钻具偏磨矛盾，因为钻柱自转不会产生偏磨，所以，公转才是偏磨的原因。钻柱出现公转的首要条件是轴线必须弯曲。

2.1井中钻柱弯曲的特点

中和点将钻柱分为上下两部分，下部钻柱受压，上部钻柱受拉。

当钻进中所加钻压达到钻柱弯曲临界钻压（常用钻铤、钻杆的弯曲临界钻压值，见表1）时，下部受压钻柱发生弯曲。实际钻井中一般很少出现3次及3次以上的多次弯曲，因为实际钻井中的所用钻压的限制。

直井中，钻柱上部弯矩是由离心力引起的，上部钻柱由于受拉力作用，弯曲半波长度大；钻柱下部则是由钻柱受压弯曲和离心力共同作用引起的，一般下部弯曲应力大，因此一般下部钻柱弯曲力矩较大，下部钻柱弯曲半波长度小[3]。故钻柱主要弯曲部分在中和点以下。

2.2引起钻柱公转的因素

（1）钢材的滞后阻力：指粘滞介质内摩擦力。钻柱弯曲导致钻柱弯曲点接受拉压交变应力，材料的滞后作用导致能量的消耗，所以要使钻柱维持自转而不弯曲，需附加一个外力，即附加外力Q（相当于弯曲应力）。附加外力Q是使钻柱不进行公转必须附加的力。

结论：弯曲下的钻柱在旋转时，如果没有外力Q阻止它，必将绕井眼轴线公转，而不进行自转。

式中：y——钻柱静载挠曲度，反比于刚度EI(E为钢的弹性模量，取2.06×105MPa，I为截面惯性矩)，即保持钻柱不做公转的附加外力与钻柱静载挠度成正比。

表1　常用钻铤、钻杆的弯曲临界钻压

（2）钻井液阻力Fm。假设钻井液阻力为Q，其对应的钻柱公转转速为n0。当转盘转速n≤n0，钻柱将以转速n公转；n＞n0时，以n0公转同时近似的以（n-n0）自转。

（3）井壁摩擦力Fb。只有当Fb＞Q，自转；Fb＜Q，同时存在公转与自转。

（4）钻柱偏磨后对旋转方式的影响。钻柱偏磨后，再次入井后只会在原来的基础上进一步偏磨。这与大量现场观察实际一致。在待修复的钻具中，尚未发现在同一个偏磨接头存在2个偏磨带[1]。

即使再次入井的偏磨钻铤，旋转时并不与井壁接触，但由于钻柱将在最小挠曲刚度的平面内弯曲（已经偏磨的一侧）。如果要在弯曲情况下，绕自身轴线自转，则包含了一个挠曲面的旋转，需要更大的能量，因而只能公转。

3　应用实例

塔里木油田库车坳陷大北X井二开钻进过程中某次起钻完，发现两16″扶正器及两扶正器间9″钻铤偏磨严重（上扶正器严重偏磨，一螺旋翼磨损至与本体齐平，磨损高度10cm，下扶正器一螺旋翼磨损高度6cm，9″钻铤磨损高度2cm。见图1），当日井深3783.23m。

此趟钻具使用情况:入井钻头新度100%，起出钻头新度70%，入井井深3496.46m,进尺286.77m，钻压14～20t，转速105～120r/min，钻时：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°。层位:康村组（N1-2k），岩性：中厚—巨厚层状泥岩与薄—中厚层状粉砂岩、泥质粉砂岩不等厚互层，泥浆相对密度：1.30。

钻具结构：16″M1665SSCR PDC+9-5/8″Power-V（段长:4.28m）+731×NC610+16″扶正器+9″浮阀+9″MWD+631×NC610+9″LDC×1根+16″扶正器+9″LDC× 2根(钻具累长: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。

图1　16″扶正器及9″钻铤偏磨情况

原因分析：

（1）计算：假设下部钻柱为9″钻铤，单位重量290.6kg/m，钻铤钢材密度7.85g/cm3，泥浆密度1.30g/cm3，钻压18t。浮力系数Kb=1-1.3/7.85=0.834，则中和点位置Lm=180000/（2906×0.834）=74m。可见中和点位置较低，又因为钻柱主要弯曲部分在中和点以下。这就是为什么严重偏磨仅存在于两16″扶正器及9″钻铤上。

（2）使用Power-V钻进，所加钻压大。随井深增加，钻时由15min/m逐渐增加至83min/m，钻压由14t逐渐提至20t（3638～3783.23m井段钻压16t～20t），9″钻铤弯曲导致扶正器与井壁相切，钻铤弯曲而发生公转，扶正器偏磨，偏磨一侧外径减小，继续钻进，9″钻铤偏磨（9″钻铤临界钻压数据不详，据表1中8″钻铤数据推断，9″钻铤二次弯曲临界钻压为17t，一次弯曲临界钻压8.5t）。

（3）井段3716～3720m岩屑中铁屑含量较多，起初以为是钻具磨一开套管所致。经起出钻具证实，应为扶正器和钻铤偏磨所致。继续钻进，且钻压逐渐增大至20t，致使扶正器和钻铤进一步偏磨。

4　预防钻具偏磨的措施

（1）钻具偏磨主要由钻柱弯曲导致的公转引起，在钻具刚度、钻井液密度、井眼轨迹等一定的情况下，钻柱的弯曲取决于钻压，因此，控制合理的钻压预防钻具偏磨的直接途径。

（2）在施加钻压较大可能产生偏磨的深井中，技术人员应注意对岩屑返出情况的观察，如出现铁屑较多的情况，应及时停钻检查。

（3）选取合格的钻具是预防钻具偏磨造成钻具断落的首要条件，提高钻井液的润滑性可减小钻柱公转的机率。

[1]杨进能.钻杆偏磨的原因及其对疲劳寿命的影响[J].金属材料与冶金工程，2008，36（3）：16-18.

[2]赵国珍,龚伟安.钻井力学基础[M].北京：石油工业出版社, 1988.

[3]刘希圣.钻井工艺原理（上册）[M].北京：石油工业出版社, 1981.

[4]苗同勇，刘永旺，赵伟.螺杆钻具外壳的偏磨及防护措施[J].矿山机械，2010，38（23）：111-112.

TE921

B

1004-5716(2015)07-0071-03

2014-07-23

卿元华（1983-），男（汉族），四川安岳人，工程师，现从事钻井地质管理工作。