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气体钻井钻头失效机理研究

作　者: 张华
导　师: 孟英峰；李永杰；李皋
学　校: 西南石油大学
专　业: 油气井工程
关键词: 气体钻井钻头失效临界钻压温度分布钻头寿命
分类号: TE21
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-11
  1.1 研究的目的与意义  8
  1.2 国内外研究现状  8-9
  1.3 本文的研究思路及研究内容  9-10
  1.4 主要认识  10-11
第2章气体钻井井眼温度及压力分布  11-18
  2.1 气体钻井井眼压力分布  11-14
    2.1.1 气体在环空中的压力分布  11-12
    2.1.2 气体在钻柱内的压力分布  12-13
    2.1.3 通过钻头水眼的压降  13-14
  2.2 气体钻井井眼温度分布  14-15
    2.2.1 气体钻井井眼温度分布  14-15
    2.2.2 气体通过钻头水眼的温降  15
  2.3 实例分析  15-18
    2.3.1 基础数据  15-16
    2.3.2 计算结果及分析  16-18
第3章 PDC钻头的温升模型  18-40
  3.1 PDC钻头失效的主要形式及其机理  18-21
    3.1.1 平滑磨损  18-19
    3.1.2 微掉片  19
    3.1.3 崩齿  19-20
    3.1.4 聚晶金刚石层的脱落  20
    3.1.5 热龟裂  20-21
  3.2 模型的建立与假设  21-22
    3.2.1 模型的建立  21
    3.2.2 模型的假设  21-22
  3.3 模型推导  22-29
    3.3.1 牙齿的发热与散热分析  22-26
    3.3.2 钻头温度分布微分方程  26
    3.3.3 钻柱温度分布微分方程  26-27
    3.3.4 对流换热系数  27-29
  3.4 模型应用  29-34
    3.4.1 牙齿温度分布模拟  29-31
    3.4.2 牙齿、钻头、钻柱的温度分布  31-32
    3.4.4 温度控制的临界钻压  32-34
    3.4.5 钻头泥包  34
  3.5 实例分析  34-40
    3.5.1 基础数据  34
    3.5.2 计算结果及分析  34-40
第4章金刚石钻头的温升模型  40-49
  4.1 金刚石钻头失效的主要形式及其机理  40-41
    4.1.1 金刚石的热敏感性  40
    4.1.2 金刚石的磨损  40-41
  4.2 模型的建立与假设  41-43
  4.3 模型推导  43-44
    4.3.1 牙齿与地层摩擦产生的热量  43
    4.3.2 牙齿的对流散热量  43-44
    4.3.3 钻头温度分布微分方程  44
    4.3.4 钻柱温度分布微分方程  44
  4.4 模型应用  44-46
    4.4.1 钻头、钻柱的温度分布  44-45
    4.4.2 温度控制的临界钻压  45-46
  4.5 实例分析  46-49
    4.5.1 基础数据  46
    4.5.2 计算结果及分析  46-49
第5章牙轮钻头的温升模型  49-60
  5.1 牙轮钻头与刮削类钻头的温升模型的区别  49
  5.2 牙轮钻头轴承失效的主要形式及其机理  49-50
  5.3 模型推导  50-52
    5.3.1 模型的假设  50
    5.3.2 轴承自身摩擦产生的摩擦热  50-51
    5.3.3 牙轮的对流散热量  51
    5.3.4 温度控制的临界钻压  51-52
  5.4 实例分析  52-60
    5.4.1 理论分析  52-53
    5.4.2 室内实验分析  53-55
    5.4.3 现场实验分析  55-58
    5.4.4 钻头泥包后导致过热损坏的现场实例  58-60
第6章牙轮钻头的磨损模型及钻头寿命分析  60-72
  6.1 牙轮钻头的磨损模型  60-66
    6.1.1 轴承磨损模型  60-64
    6.1.2 牙齿磨损模型  64-66
  6.2 牙轮钻头寿命分析  66-72
    6.2.1 气体钻井延长钻头使用寿命机理分析  66-70
    6.2.2 钻头使用寿命实例  70-72
第7章结论与建议  72-73
  7.1 结论  72
  7.2 建议  72-73
致谢  73-74
参考文献  74-77
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果  77

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