高温地热井牙轮钻头掉齿的原因

  高温地热井因其独特的钻进条件与常规油气开采有所区别,需要针W?高温地热井特定的井下条件来分析牙轮掉齿的原因,总结以上分析可以得到,高温地热井牙轮钻头掉齿原因如下:

 

  (1)长期的高温工作环境,会导致牙轮材料的螺变,加速塑性变形带来的材料的失效,导致掉齿;(2)因为牙轮牙齿与本体材料的不同,温度的变化会使得两材料因线膨胀系数的不同导致过盈量下降,影响固齿强度;(3)温度会降低牙轮本体材料的强度极限,随着温度的升高,齿孔更容易产生塑性变形,加之牙齿的循环挤压作用最终导致牙轮掉齿;(4)温度升高被压入齿孔中的空气会产生膨胀作用,从齿孔内部向外顶压牙齿,降低牙齿紧固力;(5)泥楽液在低压高温的地质条件下漏失,导致井底沉砂和钻头的高温,导致钻头与岩屑的二次破碎,增加牙轮壳体的磨损,降低牙齿出露高度,导致固齿强度下降;(6)围岩在热冲击下导致岩石力学性能下降,沉入井底,导致对牙轮壳体的磨损,甚至卡钻,增添牙齿的工作负荷,增加牙齿的掉齿风险;(7)稳定器上硬质合金块的掉落会加剧牙轮壳体的磨损,掉落的硬质合金等较硬材料会增加牙轮牙齿的冲击载荷和动载,加剧牙齿的掉落。

 

  牙轮钻头掉齿的原因须根据钻进现场的具体工艺来确定,不同的钻井工艺,掉齿的原因也有所不同,总结下来导致高温地热井牙轮掉齿机理为:

 

  (1)高温下牙轮壳体材料的塑变会导致紧固力下降。长时间在高温下工作的牙轮钻头需要考虑到温度所带来的蠕变及应力松弛的彭响,一旦齿孔发生塑变,特别在孔口,细小颗粒进入到牙齿与壳体之间,减小牙齿与齿孔的接触面积,并会对齿孔造成进一步的磨损,最终齿孔扩大造成掉齿。在选用地热井牙轮本体材料时,要考虑到温度因素,选用耐高温材料在牙轮本体材料中加入少量Cr元素能够显著缓减钢材的石墨化过程,并且能够提高钢的螺变强度。

 

  (2)牙轮本体与硬质合金齿的材料不同,温度变化带来热膨胀的差值,导致过盈量下降。所以在定初始过盈量时,在保证牙轮本体强度的前提下,尽量选择较大的过k量,以弥补因温度变化而带来的过盈量损失。

 

  (3)温度降低牙轮本体材料的强度极限,在牙齿与岩石互作用过程中,齿孔更容易产生塑性变形。不断积累的塑变降低了牙齿与齿孔有效的过盈接触面积,使固齿力下降,最终导致牙轮掉齿。在牙轮本体材料中加入一定量的Mo元素可以显著提高材料的高温持久强度。

 

  (4)井底沉砂、硬质合金等硬质颗粒对壳体的磨损导致牙轮埋齿深度下降,牙齿与齿孔接触面积降低导致紧固力下降。所以对于壳体材料的选择应尽量选用耐磨材料,并优化钻井工艺,减少井底沉砂及硬物的掉落,缓解对牙轮壳体的磨损,减少牙齿因井底硬物而增加的冲击。