KXS203井口設備偏磨原因分析

呂拴錄 滕學清 李曉春 李 寧 徐席明 唐 桃

（1.中國石油大學材料科學與工程系，北京 102249；2.塔里木油田勘探開發部，新疆庫爾勒 841000）

KXS203井井架基礎在2011年冬季施工，天氣轉暖之后，地基下沉。2011年4月7日21:30，懸重72 t測量井架底座基礎發現靠近節流管匯一側比壓井管匯一側低86 mm； 4月8日下完?365.1 mm套管固井結束，測量井架基礎發現靠近節流管匯一側比壓井管匯一側低92 mm。

該井二開和三開采用了ZB5000垂直鉆井技術。2011年7月16日，該井使用?333.4 mm CK506鉆頭三開鉆至井深4 466 m。三開在1 000～1 025 m之間，最大井斜2.5°，方位角34°，全角變化率0.03（°）/25 m；在 2 025～2 050 m 位置，井斜 2.21°，方位角 355.6°，最大全角變化率2.29 （°）/25 m。

該井在四開過程中方鉆桿滾子補心偏移，不能正常放入轉盤通孔內；TF273.05 mm×196.85 mm套管頭四顆頂絲掛鉤斷裂，套管頭內腔臺階兩處磨損，節流管匯一側周向磨損約230 mm，壓井管匯一側周向磨損約100 mm；8根防磨套嚴重偏磨報廢。

2011年10月2日，該井起鉆發現鉆桿接頭磨損嚴重，多數鉆桿公接頭應力槽（槽深6 mm）已磨平消失，部分鉆桿公接頭臺肩寬度從17 mm磨損至9 mm。鉆桿母接頭臺肩寬度從14 mm磨損至4～6 mm，耐磨帶已經完全磨損消失。從鉆水泥塞至發現鉆具磨損累計鉆具旋轉時間902 h，其中鉆塞時間59.5 h，劃眼修整井壁時間219 h。為防止鉆具磨損，在不同井段鉆柱上安裝了防磨套和護箍，有效減輕了磨損。

2012年2月28日16:30，該井套管柱試壓發生了泄漏。

該井在四開鉆進期間井口設備嚴重偏磨，隨后在套管柱試壓過程中又發生了泄漏。為搞清井口偏磨原因，對該井井口設備偏磨原因進行了失效分析。

1 井口設備失效宏觀分析

該井防磨套頂絲掛鉤斷裂形貌見圖1。斷口形貌可知，防磨套頂絲是在受到異常載荷之后才發生斷裂的。

圖1 四顆頂絲掛鉤斷裂

套管頭磨損形貌見圖2、圖3。從圖2、圖3可知，套管頭嚴重偏磨，套管頭2處磨損位置大約相隔180°。說明在鉆井過程中套管頭與防磨套之間曾經相對轉動，兩者之間發生了異常磨損。

圖2 套管頭節流管匯一側周向約230 mm磨損形貌

圖3 套管頭壓井管匯一側周向約100 mm磨損形貌

防磨套磨損形貌見圖4。從防磨套嚴重偏磨形貌判斷，在鉆井過程中井口設備與鉆柱不同軸，鉆桿接頭與防磨套之間發生了異常磨損。

圖4 防磨套磨損形貌

鉆桿接頭磨損形貌見圖5、圖6。從圖5、圖6可知，鉆桿公接頭應力槽完全磨損消失，鉆桿母接頭耐磨帶完全磨損消失。這說明在鉆井過程中鉆桿接頭與井口設備之間發生了嚴重磨損。

圖5 鉆桿公接頭應力槽完全磨損消失

圖6 鉆桿母接頭耐磨帶完全磨損消失

2 井口設備磨損原因分析

研究結果表明，該井井口設備已經嚴重磨損。井口設備磨損是鉆桿接頭與防磨套和套管頭摩擦的結果。影響磨損的因素主要與兩者尺寸匹配、井口偏心、防磨套性能和鉆柱轉速等有關［1-2］。下面對井口設備磨損原因予以分析。

2.1 鉆桿接頭與井口設備尺寸匹配對磨損的影響

套管頭四通坐掛臺肩內徑271 mm，該部位防磨套外徑267 mm，兩者之間單邊間隙為2 mm。在正常情況下，兩者不會發生摩擦。

?273.05 mm加長防磨套內徑205 mm，外徑235 mm，長度910 mm。在采用?241.3 mm鉆頭鉆進時，先將?241.3 mm鉆頭及其他外徑大于?205 mm的鉆具（鉆具穩定器等）下井后再安裝防磨套。

防磨套內徑越小，鉆柱與防磨套之間的間隙越小，鉆柱與防磨套越容易磨損。?127.0 mm鉆桿接頭敷焊耐磨帶之后外徑為174.28 mm，?273.05 mm套管頭防磨套內徑205 mm，兩者之間徑向單邊間隙為15.36 mm。在正常情況下，兩者不會發生摩擦。

?273.05 mm×13.84 mm 套管內徑245.37 mm，防磨套外壁與井口套管內壁的單邊間隙為5.19 mm。在防磨套沒有失效的狀況下，兩者也不會發生摩擦。

2.2 井架基礎下沉對井口設備偏磨的影響

該井井架基礎下沉，靠近節流管匯一側比壓井管匯一側低92 mm（圖7）。下面分析井架基礎下沉是否是井口偏心的主要原因。

圖7 井架底座基礎非均勻下沉示意圖（左側為壓井管匯，右側為節流管匯）

如圖7所示，井架底座基礎一端非均勻下沉可簡化為繞井架底座左端壓井管匯一側的旋轉運動，旋轉半徑11.5 m，井架底座右端節流管匯一側垂直方向下沉92 mm，根據相似三角形知識可得井架基礎下沉，導致井口偏心，增加的井斜角α為0.473°

井架底座基礎非均勻下沉，會使井架底座傾斜，導致井口偏心［3］，但從計算結果可知，該井井架基礎下沉導致的井口井斜角僅有0.473°。另外，當井架底座基礎節流管匯一側下沉，套管頭磨損嚴重一側應當是井架底座壓井管匯一側。但實際情況是套管頭節流管匯一側比壓井管匯一側磨損嚴重。這說明井架基礎下沉雖然增加了井口偏心，但不是導致井口設備偏磨的主要原因。該井在井架底座基礎下沉之前井口本身偏心，這是導致套管頭、防磨套和井口套管偏磨的主要原因。

2.3 井口偏心對磨損的影響

從理論上講，如果井口設備沒有偏心，套管頭和防磨套軸線與鉆柱軸線重合，兩者就不會發生摩擦；反之，如果井口設備偏心，套管頭和防磨套軸線與鉆柱軸線不重合，兩者就會發生摩擦。鉆柱與井口設備摩擦的主要是鉆桿，鉆桿接頭是鉆桿中外徑最大的部分，實際在鉆井過程中與井口設備摩擦的主要是鉆桿接頭。

按理來說，井口偏心只會導致套管頭一側磨損。該井套管頭內腔臺階兩處磨損位置大約相隔180°，前者磨損弧長是后者的2.3倍。這是由于井口偏心嚴重，前者先與鉆桿接頭碰撞，隨后其反作用力將鉆柱彈回，鉆桿接頭又與套管頭該處對面位置相撞摩擦。因此，前者磨損程度嚴重，后者磨損程度較輕。

該井在四開鉆井過程中方鉆桿滾子補心偏移，不能正常放入轉盤通孔內；TF273.05 mm×196.85 mm套管頭4顆頂絲掛鉤斷裂，套管頭內腔臺肩兩處磨損；8根防磨套嚴重偏磨報廢，說明井口偏心非常嚴重。

一旦套管嚴重磨損，很易產生裂紋，并發生泄漏。雖然沒有檢測該井井口套管磨損程度，但從防磨套和套管頭磨損程度判斷，井口套管磨損也非常嚴重。井口附近套管磨損后是否產生裂紋有待進一步檢測分析。

2.4 防磨套及頂絲性能對井口設備磨損的影響

在鉆井過程中，防磨套是用來保護套管頭和井口套管的一種防磨工具。如果防磨套失效，就無法有效保護套管頭和井口套管。當防磨套頂絲斷裂或者松動之后，防磨套就會失去保護作用，并在鉆桿接頭摩擦力作用下發生旋轉，從而與套管頭內壁發生摩擦，導致套管頭磨損［4-5］。要防止套管頭磨損，首先必須防止防磨套失效。

該井在四開過程中固定防磨套的四顆頂絲掛鉤斷裂，8根防磨套嚴重偏磨報廢。這說明鉆柱與套管頭和防磨套并非處在正常工作狀況，防磨套此時已經失去了保護套管頭和井口套管的作用。

當松動的防磨套與鉆柱接頭摩擦，防磨套外壁與井口套管內壁摩擦，使井口套管磨損。雖然沒有檢測井口套管磨損程度，但從防磨套和套管頭磨損程度判斷，井口套管磨損也非常嚴重。井口附近套管磨損后是否產生裂紋有待進一步檢測分析。

斷裂的4顆防磨套頂絲全部在其結構突變位置，說明該部位是頂絲的薄弱環節，即防磨套頂絲承載能力不滿足其使用受力條件。

2.5 鉆柱旋轉和起下鉆會導致套管磨損

該井于2011年7月21日下完?273.05 mm套管，至2012年2月28日對?273.05 mm套管試壓發現漏失。在?273.05 mm×13.84 mm 140套管內純鉆時間5 187.88 h，?241.3 mm鉆頭起下鉆18趟，UR800擴眼器起下鉆2趟。在鉆柱與套管柱不同軸位置，當鉆柱旋轉或起下鉆時兩者必然會發生摩擦，導致鉆桿接頭與套管嚴重磨損［6-7］。從該井已經發生的鉆桿接頭磨損、套管頭偏磨和防磨套偏磨情況推斷，套管必然會嚴重磨損。該井套管柱試壓泄漏與套管嚴重磨損有一定關系。

2.6 鉆柱轉速快會加劇套管磨損

轉速越快，鉆柱的轉動慣量越大，鉆柱轉動半徑越大，越易磨損套管［8］。當鉆柱旋轉速度過快，鉆柱轉動軸線與套管頭防磨套軸線偏差超過15.36 mm，兩者就會發生摩擦。

該井在4 466～6 546 m井段鉆進過程中，多半時間轉速為90～100 r/min，這會增加鉆柱轉動半徑，導致套管磨損。

3 預防措施

（1）盡可能保證轉盤、鉆具與井口在同一軸線，偏移不大于10 mm。

（2）每趟起鉆，應檢查防磨套磨損情況，發現磨損應及時更換，或者調整防磨套偏磨方向。

（3）保證套管頭正確安裝。要求套管頭生產廠家技術人員隨時對現場安裝人員進行培訓，加強與現場安裝人員交流溝通，提高井口安裝人員質量意識和安裝操作能力，保證井口安裝質量。

（4）在天車和轉盤不能調整的情況下，通過調整井口防噴器，盡可能保證轉盤、鉆具與套管頭在同一條中心線上，以減小偏磨。

（5）改進表層套管頭結構，使其便于安裝。

（6）改進防磨套取送工具結構，以便在鉆井過程中直接帶鉆具取送防磨套，在不起出鉆具的情況下，可以直接檢查或更換防磨套。

（7）改進防磨套結構，防止防磨套轉動。

（8）增加防磨套材料綜合機械性能。改進后的防磨套硬度既要符合API SPEC 6A標準要求，又可以保護鉆桿接頭。

（9）改進頂絲結構。防止防磨套轉動。

4 結論及建議

井口偏心是導致套管頭和防磨套嚴重磨損的主要原因，在井架基礎下沉之前井口本身已經偏心，為防止井口設備偏磨，應嚴格執行以上預防措施。

［1］許峰，呂拴錄，康延軍，等. 井口套管磨損失效原因分析及預防措施研究［J］.石油鉆采工藝，2011，33（2）：140-142.

［2］呂拴錄，康延軍，劉勝，等. 井口套管裂紋原因分析［J］.石油鉆探技術，2009，37（5）：85-88.

［3］張傳忠， 艾光富.井架基礎不均勻下沉的影響及處理方法［J］. 石油鉆探技術，2002， 30（4）：38-40.

［4］LU Shuanlu, LI Zhihou, HAN Yong, et al. High dogleg severity, wear ruptures casing string［J］. OIL & GAS,2004, 98（49）: 74-80.

［5］呂拴錄，駱發前，康延軍，等.?273.05 mm套管裂紋原因分析［J］.鋼管，2010，39（S0）：22-25.

［6］李子杰，崔勝波，魏學敬.工程測井在鉆井事故處理中的應用［J］.石油鉆探技術，2009，37（3）：114-117.

［7］呂拴錄，柴細元，李進福，等.CBL、VDL 和 CCL 測井技術在套管損壞檢測方面的應用［J］. 國外測井技術，2009（4）：56-58.

［8］安文華，駱發前，呂拴錄，等.塔里木油田油、套管國產化研究［J］. 石油礦場機械，2010，39（6）：20-24.