断钻具的原因与预防

钻探石油和天然气井时,有时会遇到一个常见问题,即钻杆扭断。这个问题会直接影响油井的总成本和钻井过程的持续时间。

钻井中的扭断是什么?

扭断是指钻柱因金属疲劳或钻杆刺漏而发生断裂。如果钻杆发生扭断,它会沿着其垂直轴线扭转。结果,流体循环将停止,使钻头暴露于高温下(即无冷却 + 无润滑)。扭断还会消除支持钻井作业的喷嘴流体压力。它可能导致钻杆疲劳失效。当钻柱下部管段发生卡钻时,通常会发生这种情况。

钻杆扭断的指示信号

扭断有早期症状,例如扭矩指示。钻井作业期间扭矩偏转越高,发生扭断的可能性就越大。因此,司钻应警惕这种情况。

钻杆通常以螺旋状断裂、长撕裂或裂缝的形式分离。扭断的地面迹象包括:

1.钻柱重量减轻

2.无进尺

3.泵压降低

4.泵速增加

5.钻井扭矩减小

6.转速增加

根本原因

钻杆失效可归因于多种原因,其中最常见的一种是扭断。当扭矩引起的剪应力超过钻杆的极限剪应力时,就会发生这种情况。通常,扭断发生在定向井和水平井中,其扭矩超过 80 kIb f-ft。

理想情况下,钻井扭断通常是由于未使整个钻杆以相同转速移动造成的。它也是以下因素的结果:

钻杆操作粗鲁

钻柱有缺陷

在压缩状态下使用钻杆钻大斜度井时的应力交变

未充分稳定的钻铤被大钳牙痕损伤

日常钻进中,恒定弯曲和扭转载荷下,薄弱点产生裂纹并扩展

不适当的上扣扭矩

刺漏造成的冲蚀

钻杆扭断的缓解方法

当钻进过程中转盘加速或减速时,由于钻进运动的不均匀性,钻头和底部钻具组合会受到摩擦扭矩的作用。这会导致扭转钻柱振动和不规则井下旋转,从而可能引起钻柱疲劳并最终导致扭断。

AST工具(AST Tool)

防粘滑工具(Anti Stick-slip Tool,AST)将先进的计算机化井下传感器集成在底部钻具组合(BHA)中,可测量机械比能(mechanical specific energy,MSE)并收集有价值的振动数据,以即时抑制粘滑振动。结果如何?钻井过程稳定且安全,机械钻速(faster penetration rates,ROP)更快,钻井更平稳------即便穿过最复杂的地下地层也是如此。

HI工具

谐波隔离(HI)工具在控制钻井作业中的振动方面非常有效。HI Tool® 可以减少来自 钻头 动力学的振动载荷。HI 工具的优势在于,它通过使用柔性齿轮连接来最小化 底部钻具组合(BHA) 与钻头之间的动态相互作用。这与 AST 中使用的 减震 机制不同。通过将 BHA 和泥浆谐波与钻头和钻柱解耦,HI 工具可以使钻头对局部振动不敏感。

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