姜蘭其, 郝榮明

(1.中石化勝利石油工程有限公司 技術裝備處,山東 東營 257001;2.中石化勝利石油工程有限公司 黃河鉆井管具公司,山東 東營 257001)

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鉆井液濾清器對鉆桿沖蝕損害的影響及改進方案

姜蘭其1, 郝榮明2

(1.中石化勝利石油工程有限公司 技術裝備處,山東 東營 257001;2.中石化勝利石油工程有限公司 黃河鉆井管具公司,山東 東營 257001)

鉆井液濾清器是定向鉆井施工中必不可少的過濾裝置,它改變了鉆井液的流向,加劇對鉆桿內壁的沖蝕,加快鉆桿過渡帶的刺漏刺斷,為鉆井施工埋下隱患。詳細分析傳統(tǒng)濾清器對鉆桿沖蝕損害的影響,提出改進方案,設計出一種專用接頭配合濾清器使用,并通過多個井隊在現(xiàn)場試驗,驗證該方案切實可行。該方案既能提高鉆井施工中鉆具安全,又可以節(jié)約接單根時間,從而提高鉆井效益,可以在定向鉆井施工中推廣應用。

濾清器;鉆桿過渡帶;刺漏;安放位置;定向鉆井

鉆井液濾清器,俗稱泥漿濾子,是目前定向鉆井施工中必不可少的鉆井液過濾裝置,懸掛在鉆具串中方鉆桿(或頂驅)下面第一根鉆桿的內螺紋處,起到最后一道過濾鉆井液的作用,過濾進入鉆具的鉆井液雜質,防止鉆具底部的定向儀器發(fā)生堵塞。根據長時間的跟蹤調查和對鉆桿的剖析實驗,濾清器在過濾鉆井液的同時,還會影響鉆井液對鉆桿內壁的沖蝕,尤其是在機械鉆速很慢的地層鉆進時,會對鉆桿造成極大的損害,導致鉆桿接頭處內壁損壞,鉆桿刺漏,甚至發(fā)生斷鉆具事故，為鉆井施工埋下隱患。因此,研究濾清器對鉆桿的損害,以及如何消除這種損害,具有一定的現(xiàn)實意義。

1　鉆桿沖蝕損害的影響因素分析

1.1鉆桿加工缺陷

鉆桿是通過摩擦焊接[1]將管體與接頭焊接為一體的,大部分鉆桿為內外加厚型式,接頭內徑和管體內徑的差距較大,管體過渡部位內徑變化明顯,其結構剖面如圖1所示。這樣的結構,導致鉆井液攜帶加重材料等固相顆粒[2]在流經鉆桿過渡帶時會產生渦流現(xiàn)象,加速對鉆桿內壁的沖蝕[3]。

圖1　鉆桿結構剖面圖

1.2鉆桿受力特點

鉆桿在工作狀態(tài)下要承受較大的拉力和交變扭矩,而鉆桿管體和接頭的抗扭和抗拉強度是不匹配的。相對來說,管體抗扭強度高而抗拉強度低,接頭抗拉強度高而抗扭強度低,作為兩者的結合部位,在較大拉力和交變扭矩影響下,過渡帶部位就會產生應力集中。因此,鉆桿過渡帶區(qū)域是其最薄弱的部位,是失效危險區(qū)。

1.3濾清器對鉆桿沖蝕的影響

傳統(tǒng)濾清器在設計時,從現(xiàn)場的使用方便性和足夠的流道面積這兩個角度出發(fā),既不能太短，也不能過長,總長0.5～1.0 m[4],其濾網下端呈錐形。鉆井液由方鉆桿(或頂驅)進入鉆桿時,首先進入濾清器的內部,經濾清器周圍布滿的網眼,再進入鉆桿的內孔中。濾清器強制改變了鉆井液的流向,使原本沿鉆具內孔方向的流動變?yōu)橛蔀V清器圓周外表面向外的發(fā)散方向,如圖2所示。

圖2　鉆井液流向示意圖

但實際上,鉆桿濾清器在使用時,下部會被雜物堵塞,根據濾清器的安放位置,主要過流孔恰好位于鉆桿過渡帶區(qū)域。由此引發(fā)的不良后果就是鉆井液經濾清器過濾后,改變了原來的流向,在高壓下高速通過濾孔,直接向鉆桿過渡帶區(qū)域噴射,大大加快了鉆桿過渡帶區(qū)域的沖蝕損壞。

2　建模分析

通過流體力學對濾清器濾網處的鉆井液流動情況進行分析,建立濾清器和鉆桿的簡易模型,并將兩個簡易模型組裝,模擬鉆井液從濾孔噴出時對鉆桿的影響。濾清器安裝方式如圖2所示,即鉆井液經濾清器由濾孔噴出,直接沖擊鉆桿內壁。

由于濾清器內孔太多,在分析時占用的資源太大,大大延長了計算機模擬分析時間。因此,在保證精度的前提下將濾清器和鉆桿組裝的模型再進行簡化,把濾清器上所有的孔簡化為一個孔,模擬鉆井液從這個孔噴出后對鉆桿內壁的沖蝕。

鉆井液從濾清器內孔流入,過濾后經濾孔流出。設定入口鉆井液流速為0.02 m/s(按流過單個濾孔的流量計算),出口處壓力約為15 MPa,有限元分析結果如圖3所示。

圖3　有限元分析結果

從有限元分析結果可以看出,濾孔中心流速最高,達到45.3 m/s,在鉆桿內壁處為9～18 m/s,鉆井液以如此高的速度沖向鉆桿內壁,必然會對鉆桿產生沖蝕,先是破壞鉆桿內涂層,進而沖蝕鉆桿內壁,產生麻坑,如圖4所示,時間長了就會導致鉆桿本體刺漏,甚至引發(fā)斷鉆具事故。該模擬結果與實際可能有出入,但足以說明濾清器改變鉆井液流向后,會加劇對鉆桿內壁的沖蝕,加快鉆桿的刺漏、刺斷。

圖4　被沖蝕的鉆桿內壁

3　損害實例

在東部深井以及新疆、川東北等地區(qū)鉆井過程中,單根鉆桿的鉆進時間有的長達十幾個小時。從目前的統(tǒng)計數據看,鉆桿管體的刺漏、刺斷,絕大部分處于管體過渡帶的位置,而鉆井液長時間噴射同一區(qū)域加快了管體刺漏、刺斷的速度,大大降低了鉆桿的使用壽命。

實際施工中,傳統(tǒng)濾清器安放條件下,造成的鉆桿刺漏故障不勝枚舉,比如在大港油田、冀東油田[4]和塔里木油田[5]。在勝利油田,鉆桿刺漏故障也經常發(fā)生:2012年10月黃河鉆井公司40666隊承鉆的萊斜117井,Φ127 mm特級鉆桿在濾清器安裝位置連續(xù)刺漏鉆桿7根;2014年1月50869隊承鉆的單83-斜更01井,Φ127 mm新鉆桿在濾清器安裝位置刺漏9根;2014年5月70183隊承鉆的坨深斜401井,Φ127 mm特級鉆桿在濾清器安裝位置刺漏4根;2015年4月40179隊承鉆的辛161-斜19井,Φ127 mm特級鉆桿在濾清器安裝位置刺漏4根。部分鉆桿損傷和剖析情況見圖4。

4　改進方案及應用效果

4.1改進方案

(1)設計用于專門盛放濾清器的接頭,改變?yōu)V清器在鉆桿中的傳統(tǒng)安放方式。濾清器專用接頭設計結構見圖5:母螺紋扣型為5-1/2FH,公螺紋扣型為NC50,本體的外徑為Φ178 mm,總長度815 mm,有效長度700 mm,鏜孔直徑80 mm。

圖5　濾清器專用接頭結構示意圖

(2)修改濾清器大頭處的倒角,以適應濾清器專用接頭母扣端的臺肩。使用時如圖6所示,安放位置遠離鉆桿過渡帶區(qū)域。在鉆進中,鉆井液由專用接頭的內腔進入濾清器,再進入下旋塞直至鉆桿,從而改變鉆井液從濾清器橫向沖蝕鉆桿的傳統(tǒng)模式,避免鉆井液對鉆桿內壁的沖蝕,最大限度地保護鉆桿。

圖6　改進后濾清器安放位置示意圖

4.2應用效果

濾清器安放在專門的接頭內,使濾清器遠離鉆桿過渡帶區(qū)域,徹底消除了濾清器對鉆桿過渡帶區(qū)域鉆井液流向的影響。專用接頭的壁厚49 mm,強度足夠大,即使有鉆井液的渦流,也不會對接頭有太大的損害,加上鉆井液流向的改變,把這種損害降到了最低。同時,新的安放方式在接單根(或立柱)時不需要取放濾清器,從而簡化了操作流程,縮短了操作時間,有利于鉆井提速提效。

目前,黃河鉆井管具公司已經加工了30只濾清器專用接頭,在多個井隊進行了現(xiàn)場試驗,應用效果良好。通過對回收的鉆桿進行檢測,也證明了改進后鉆井液對鉆桿的沖蝕損害得到根本改觀。

5　結論與建議

(1)傳統(tǒng)濾清器的安放方式強制改變了鉆井液的流向,加快了對鉆桿過渡帶區(qū)域的沖蝕損害，使過渡帶區(qū)域成為失效危險區(qū)。

(2)專用接頭配合濾清器使用,避免了傳統(tǒng)濾清器對鉆桿尤其是對鉆桿過渡帶的損害影響,降低了鉆具刺漏、刺斷風險,延長了鉆桿使用壽命。

(3)專用接頭配合濾清器使用,簡化了接單根流程,縮短了接單根時間,有利于鉆井提速提效,但不利于檢查和及時清除雜物,有進一步改進空間。

(4)改進方案既能提高鉆井施工中鉆具安全,又可以節(jié)約操作時間,從而提高鉆井整體效益,建議在定向鉆井施工中推廣應用。

[1]齊秀濱,劉娟,周軍，等.摩擦焊在我國石油鉆桿制造中的應用[J].電焊機,2010(6):10-13.

[2]王明波,周衛(wèi)東,王瑞和.鉆桿內加厚過渡區(qū)巖屑顆粒沖蝕的模擬與試驗驗證[J].中國石油大學學報:自然科學版,2011,35(4):89-92.

[3]周衛(wèi)東,夏柏如,李羅鵬，等.鉆井液對鉆桿接頭沖蝕規(guī)律的試驗研究[J].石油機械,2011,39(10):1- 4.

[4]劉賢文,馬金山,王增良,等.鉆桿加厚過渡區(qū)沖蝕失效分析及解決方法[J].石油礦場機械,2013,42(8):57- 60.

[5]練章華,駱發(fā)前,龔建文,等.塔里木油田鉆桿刺漏原因分析[J].鉆采工藝, 2003,26(6):62- 65.

[責任編輯]王艷麗

2016-01-13

姜蘭其(1977—),男,山東武城人，中石化勝利石油工程有限公司技術裝備處高級工程師,主要從事石油工程技術管理和研究工作。

10.3969/j.issn.1673-5935.2016.02.007

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