坨142断块水平井牙轮失效原因分析及预防措施

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摘 要：由于高造斜率的要求，水平井造斜段一般使用牙轮钻头。在坨142断块水平井的施工中常有牙轮失效发生，本文从地质因素、钻头选型及工程因素的角度出发，对牙轮失效的原因进行分析，并针对性地提出了预防措施，对今后该地区及地质条件类似的区域水平井施工有一定的借鉴。

关键词：142断块 水平井 牙轮失效

胜利油田坨142断块构造位于济阳东营凹陷坨—胜—永断裂构造带胜利村构造东翼，东北为胜北大断层，向西、向南为岩性尖灭。目前，该断块已经进入采油速度高、含水上升较快的开发阶段，针对沙三中地层在2500～2600m的深度存在较好油层，水平井施工成为近些年该断块主要的开发手段。在施工中一般使用牙轮钻头，常有牙轮失效发生，主要表现为牙轮卡死及轴承失效，严重时造成掉牙轮的井下事故。

一、牙轮失效原因

1.地质因素

从实钻情况来看，坨142断块水平井施工中定向段地层砂岩含量低，存在大段泥页岩，并且夹杂着大粒径砾石，机械钻速低，井壁上的砾石因泥页岩的剥落而露出棱角，对钻头的磨损较大[1]。在重力的作用下，钻柱靠向下井壁，更加快了钻头的磨损。钻头过度的磨损会造成外径缩小、牙轮壳体及牙掌背受损，如果牙掌尖受损，极易损伤到储油密封系统的密封圈，从而使密封系统失效，轴承腔内的油脂流出钻头，牙轮轴承得不到良好的，滑动轴承便会很快失效[2]。

2.钻头选型

目前坨142断块水平井施工中，定向段选用的牙轮钻头一般为HAT127钻头，该钻头齿面、背锥硬面强化，齿出露高，背锥镶齿，在背锥齿与外排齿之间增加了一排修边齿，适用于低抗压强度、高可钻性的软地层，如页岩、粘土、盐类、软石灰岩等，推荐转速为180～80r/min[2]。从钻头结构上看，虽然有保径功能的复合片，但在斜井中抗磨性能差，未能很好地起到保径作用，钻头的稳定性降低，进一步加速了钻头的外径磨损；掌尖与塞销孔之间的掌背下部区域未增强保径，在造斜过程中，不能有效地对掌尖及密封圈进行保护，从而使得钻头的密封系统在较短时间内受损，最终导致轴承失效；该型号钻头采用橡胶密封圈，不适应高转速的钻井条件，从而诱发轴承失效。

3.工程因素

在使用动力钻具的条件下，限制了钻井液的循环排量，钻头附近的钻屑产生累积。钻头重复切削钻屑，加速了钻头的磨损，更为严重的是，当大块的岩屑不能正常地被清洁掉的时候，就会增加牙轮卡死的机会。当机械钻速较快时，未能及时采取短程起下钻及延长循环时间等措施时，同样会使大量钻屑积存，增加牙轮卡死的机会。此外，当使用弯度较高的动力钻具时，加大了钻头靠向井壁一侧的侧向力，加剧了钻头的磨损，当密封装置失效时，便会很快导致轴承失效[3]。

二、预防措施

从以上原因分析中可以看出，在导致牙轮失效的各原因当中，技术上不可控制的因素是地质条件，而技术上可控的因素有钻头选型、钻井液性能和技术措施；而各种原因引发牙轮失效的过程中，以钻头的密封系统受损而导致牙轮失效的形式为主，所以，在预防措施当中，应该加强对各种可控因素的控制，努力减少对密封系统的损伤，从而达到预防牙轮失效的目的，避免造成经济损失。

1.地质条件的预测

在进入造斜段之前，充分收集该井的地质信息，利用岩性录井与邻井提供的地质资料进行对比，做好地质预报，针对实钻过程中岩性的变化，适当调整钻进参数，避免由于技术措施不当，引起钻具在井内过度震动，对钻头产生较大的冲击力，造成钻头的过早损坏。

2.合理选用钻头

在对钻头的选型分析中可以看出，现在使用的HAT127钻头不适应定向段的施工。针对定向段施工的特殊性，选用的牙轮钻头应具有保径好，牙轮壳体和牙掌背耐磨损，并且要适应高转速的工作环境。结构上，在掌尖与塞销孔之间的掌背下部区域应增强保径，以进一步加强对掌尖及密封圈的保护；在靠近储油孔的掌背上部区域同样应增强保径，可以镶装露齿高度较高的保径齿，提高钻头侧向的主动切削能力及保径能力，增强钻头的稳定性，降低钻头与井壁的摩擦扭矩；轴承的密封系统可以采用适应高温高转速的金属密封结构，这样的结构可以适应300r/min的转速，能够满足高转速的要求。

同时应该注意的一个原因是，单只HAT127钻头的价格较低，现场往往追求缩减成本而采用该类型钻头。可以做这样一个比较，在坨142断块的实际钻井过程中，单只HAT127钻头工作时间平均为30h，在使用的过程中起下钻、接单跟的时间平均为10h，而进尺平均为150m，该类型钻头的单只成本为8700元；而一个金属密封结构的钻头价值24000元，在该断块可以工作80小时，在使用的过程中起下钻、接单根的时间平均为12h，而进尺平均为500m。对两种不同类型的钻头进行单位进尺成本计算[4]，采用HAT127钻头的单位进尺成本为298元每米，而金属密封结构的钻头为213.6元每米，通过对比可以看出，采用金属密封结构的钻头可以获得较高的经济技术指标。

3.调整钻井液性能

井内岩屑能否及时清理，直接关系到牙轮钻头的工作环境。当岩屑能及时清理时，钻头的磨损速度就会随之降低，从而延长钻头的工作时间，这就要求钻井液有良好的携岩能力。采用幂律模式评价钻井液清洁井眼的能力时，稠度系数K是主要的影响因素，当稠度系数K

4.改进技术措施

施工中，在不影响进入靶区的情况下，尽量使用弯度较小的动力钻具，以降低钻头靠向井壁一侧的侧向力，从而降低因与井壁磨损而造成的钻头磨损。在定向段的施工中，要及时进行短程起下钻，以便及时清理井内岩屑，降低钻头的磨损，延长钻头的使用寿命。

三、结论与认识

胜利油田坨142断块地层岩石可钻性差、研磨性强，泥岩段夹杂大粒径砾石；而且在水平井定向段的施工中选用的钻头不适合该地区水平井施工，是导致该断块牙轮钻头失效的主要原因，其主要形式表现为牙轮卡死及轴承失效等。为解决该断块牙轮钻头失效的问题，要做好地质预报，正确进行钻头选型，通过改进相应配套钻井措施和性能稳定的钻井液体系应用，为安全高效的施工创造条件。

参考文献

[1]韩福彬，杨明合，翟应虎，等.牙轮钻头损坏分析及应对措施[J].天然气工业.2008，28（4）：76-77.

[2]江汉石油管理局钻头厂.江汉钻头使用手册[M].北京：石油工业出版社，1992.

[3]李维明，张嗣伟.牙轮钻头失效的故障树分析[J].石油矿场机械.1993，22（3）：18-20.

[4]陈廷根，管志川.钻井工程理论与技术[M].山东东营：石油大学出版社，2000.