空氣鉆井井斜與鉆柱失效機理初探

空氣鉆井兩大問題：

井斜控制難；鉆柱失效嚴重。

第一個問題：空氣鉆井直井易斜機理？1、長慶油田空氣鉆井易斜特征分析

具體特征如下：1）、蘇38－19井與蘇39－14－4井都在2775m處和3080m左右井斜有急增的趨勢；而且在3080m左右井斜的急增趨勢更明顯；兩口井都在2775m后地層出水，井下情況開始復雜。與出水密切相關！2）、蘇38－19井與蘇39－14－4井相比，3000m以前，鉆壓前者大于后者，但井斜小于后者。超過3000m后，井斜才超過后者。井斜增長規律基本一致。在蘇6-11-8井中，采用了較小的鉆壓（50～70kN），井斜變化規律基本一致，并在3050m時達到7o（其它兩口井在等效井深處約為8o左右）。對鉆壓并不十分敏感！3）、在泥漿放入井眼后，井斜快速下降。

2、空氣鉆井和泥漿鉆井時光鉆鋌鉆具組合動態降斜力及動態特性分析

鉆具組合：

155.6mmBit+120.7mmDC（內徑50.8mm）×81m+88.9mmDP（內徑50.8mm）。

計算條件：

轉速60rpm；井下空氣密度：35kg/m^3,泥漿密度為1050kg/m^3，井斜角為1o，轉速為60rpm。

泥漿鉆井和空氣鉆井時光鉆鋌鉆具組合都是沿井壁滿眼渦動，但前者為向前渦動，后者為向后渦動。這種差異造成:前者為降斜力(-0.10605kN)，后者為增斜力(＋0.11272kN)。

鉆壓為60kN前者有些偏斜－－泥漿的阻力較大；后者為正圓形－－空氣阻力較小。正是由于泥漿的阻力造成泥漿的側向力相圖向負值“偏置”。

鉆壓為60kN向前渦動：井壁相對較光滑，摩擦阻力系數小；渦動頻率低：泥漿阻力大；

向后渦動：井壁粗糙，摩擦阻力系數大。渦動頻率高：空氣阻力小。鉆壓為60kN鉆壓影響：空氣鉆井在150kN時已經轉換為增斜力；泥漿鉆井在170kN時才轉換為增斜力。

動態降斜力比較：

3、巖屑堆積對光鉆鋌鉆具組合動態降斜力的影響

空氣鉆井時地層出水造成巖屑結團、下沉、堆積，從而對光鉆鋌鉆具組合的動力學特性造成很大影響，并使鉆頭上形成很大的增斜力！

1°井斜角，地層不出水，下井壁無巖屑堆積，鉆頭上為降斜力:－0.075966kN

1°井斜角，鉆壓為140kN,鉆頭上為增斜力:0.39732kN

1°井斜角，鉆壓為140kN,鉆頭上形成增斜力：0.41176kN

1°井斜角，鉆壓為80kN,鉆頭上形成增斜力：0.26903kN

1°井斜角，鉆壓為80kN,鉆頭上側向力相圖

重要規律

地層出水后，在下井壁形成殘留物堆積，設堆積高度分別為鉆柱間隙的15%和25%，則計算結果表明，原來的降斜變為增斜。特別注意的是，當鉆壓較大時，致使鉆柱可能貼死在殘留堆積物上只作自轉。這種特殊情況類似于單彎螺桿造斜狀況。當鉆壓較小時，鉆柱渦動，能滾過殘留堆積物表面，但也起增斜作用。增斜力隨殘留物堆積增高而變大，而隨著井斜的增高，這種堆積將會逐漸增加。

鉆具組合渦動能量的來源：鉆具組合本身的偏心；鉆井液提供的附加質量。鉆具組合提供降斜力的本質：

空氣鉆井時鉆井液可提供的附加質量幾乎為0。結論解決空氣鉆井防斜打快的關鍵：－－如何有效地清潔井眼，使井眼內不出現墊層。

－－采用預彎曲動力學防斜打快技術。

第二個問題

空氣鉆井鉆柱失效機理分析

現有的鉆柱失效防治措施

1、提高鉆具材質；

2、優化鉆具本身結構；降低鉆柱動態工作應力，改善工作環境。都已認識到，但沒有落實！－－難度太大！！

1、鉆柱的動態工作環境旋轉鉆井的鉆柱動態工作環境

旋轉鉆井的鉆柱動態工作環境

旋轉鉆井的鉆柱動態工作環境

質量偏心引起的向后渦動0度傾斜井眼0°傾斜井眼旋轉鉆井的鉆柱動態工作環境

0°傾斜井眼旋轉鉆井的鉆柱動態工作環境

2、空氣鉆井與泥漿鉆井鉆柱動力學特征的比較

鉆柱結構：311.2mmBit+228.6mmDC×54m+203.2mmDC×108m+127mmDP×1683m。計算參數：井斜角為3°；鉆壓為60kN；轉速為60r/min；空氣鉆井時鉆井液密度為0.035g/cm3；泥漿鉆井時鉆井液密度為1.20g/cm3；鉆柱結構及計算參數：

2014

空氣鉆井和泥漿鉆井條件下，鉆柱在不同時刻的動態應力與靜力學條件下計算的結果有宏觀上的一致性；空氣鉆井時鉆柱的應力波動較泥漿鉆井要大，而且鉆柱渦動更加頻繁；這種綜合效果使得空氣鉆井時鉆柱更容易發生疲勞破壞。小結3、解決方法？

改變下部鉆具組合的動力學特性！

請各位專家批評指正！

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