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气体钻井钻头失效机理研究

张华  
【摘要】:在气体钻井条件下,由于气体的导热性差,比热容低,牙轮钻头轴承丁晴橡胶密封圈最高耐温170℃,金刚石的碳化温度为1200℃,PDC钻头牙齿的最大安全工作温度为750℃,会不会由于温度过高而使钻头提前损坏呢? 本文分别对气体钻井条件下三种主要的钻头(PDC钻头、金刚石钻头、三牙轮钻头)的发热与散热进行分析: (1)建立PDC钻头的温升模型。把PDC钻头的温升情况分为三个部份,即牙齿、钻头以及钻柱。分别对PDC钻头切屑齿与地层摩擦产生的摩擦热;摩擦热向牙齿、钻头以及钻柱的传热;气流对牙齿、钻头以及钻柱的散热进行分析,最后得出牙齿、钻头以及钻柱的温度分布。并结合现场实例分析了正常气体钻井条件下和钻头泥包后81/2"PDC钻头的温升情况,得出:在转速为50转/min时,正常气体钻井条件下的温度所控制的临界钻压为35-57KN;而钻头泥包以后,其临界钻压降为10.5-16.5KN,而现场所实施的钻压为20-40KN,所以,一旦钻头泥包,便存在烧钻头的危险; (2)建立金刚石钻头的温升模型。同PDC钻头类似,只是金刚石钻头的牙齿模型与PDC钻头有差异,通过分析得出:在转速为100转/min时,正常气体钻井条件下,81/2"金刚石钻头温度控制的临界钻压为210KN,而钻头泥包后,其临界钻压降为20KN; (3)建立牙轮钻头的温升模型。由于牙轮钻头自身的复杂性,在此只讨论了牙轮钻头轴承的温升情况,并结合江汉钻头厂的室内实验进行分析,得出牙轮钻头轴承的温升与钻压、钻速的关系。为了对气体钻井条件下的钻头冷却有充分可靠的依据,我们还与长庆油田合作,在陕242和苏39-14-1井天然气钻井中,对所使用的牙轮钻头进行了认真的“过热伤害”分析,并委托江汉钻头股份有限公司对钻头进行了全面检查,得出:正常气体钻井条件下钻头不会由于过热而损坏。但如果由于某些原因造成钻头冷却不够(如钻头泥包,短循环等),钻头会很快过热而严重损坏。 (4)对牙轮钻头的磨损及寿命进行分析。结合通用的牙齿及轴承磨损模型,并应用胜利油田152只81/2"J22钻头的使用数据,利用模糊聚类的回归分析,得出牙齿及轴承的磨损方程,并以此对气体钻井条件下的钻头寿命进行预测。


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