高溫地熱井牙輪鉆頭掉齒的原因

  高溫地熱井因其獨特的鉆進(jìn)條件與常規油氣開(kāi)采有所區別,需要針W?高溫地熱井特定的井下條件來(lái)分析牙輪掉齒的原因,總結以上分析可以得到,高溫地熱井牙輪鉆頭掉齒原因如下:

 

  (1)長(cháng)期的高溫工作環(huán)境,會(huì )導致牙輪材料的螺變,加速塑性變形帶來(lái)的材料的失效,導致掉齒;(2)因為牙輪牙齒與本體材料的不同,溫度的變化會(huì )使得兩材料因線(xiàn)膨脹系數的不同導致過(guò)盈量下降,影響固齒強度;(3)溫度會(huì )降低牙輪本體材料的強度極限,隨著(zhù)溫度的升高,齒孔更容易產(chǎn)生塑性變形,加之牙齒的循環(huán)擠壓作用最終導致牙輪掉齒;(4)溫度升高被壓入齒孔中的空氣會(huì )產(chǎn)生膨脹作用,從齒孔內部向外頂壓牙齒,降低牙齒緊固力;(5)泥楽液在低壓高溫的地質(zhì)條件下漏失,導致井底沉砂和鉆頭的高溫,導致鉆頭與巖屑的二次破碎,增加牙輪殼體的磨損,降低牙齒出露高度,導致固齒強度下降;(6)圍巖在熱沖擊下導致巖石力學(xué)性能下降,沉入井底,導致對牙輪殼體的磨損,甚至卡鉆,增添牙齒的工作負荷,增加牙齒的掉齒風(fēng)險;(7)穩定器上硬質(zhì)合金塊的掉落會(huì )加劇牙輪殼體的磨損,掉落的硬質(zhì)合金等較硬材料會(huì )增加牙輪牙齒的沖擊載荷和動(dòng)載,加劇牙齒的掉落。

 

  牙輪鉆頭掉齒的原因須根據鉆進(jìn)現場(chǎng)的具體工藝來(lái)確定,不同的鉆井工藝,掉齒的原因也有所不同,總結下來(lái)導致高溫地熱井牙輪掉齒機理為:

 

  (1)高溫下牙輪殼體材料的塑變會(huì )導致緊固力下降。長(cháng)時(shí)間在高溫下工作的牙輪鉆頭需要考慮到溫度所帶來(lái)的蠕變及應力松弛的彭響,一旦齒孔發(fā)生塑變,特別在孔口,細小顆粒進(jìn)入到牙齒與殼體之間,減小牙齒與齒孔的接觸面積,并會(huì )對齒孔造成進(jìn)一步的磨損,最終齒孔擴大造成掉齒。在選用地熱井牙輪本體材料時(shí),要考慮到溫度因素,選用耐高溫材料在牙輪本體材料中加入少量Cr元素能夠顯著(zhù)緩減鋼材的石墨化過(guò)程,并且能夠提高鋼的螺變強度。

 

  (2)牙輪本體與硬質(zhì)合金齒的材料不同,溫度變化帶來(lái)熱膨脹的差值,導致過(guò)盈量下降。所以在定初始過(guò)盈量時(shí),在保證牙輪本體強度的前提下,盡量選擇較大的過(guò)k量,以彌補因溫度變化而帶來(lái)的過(guò)盈量損失。

 

  (3)溫度降低牙輪本體材料的強度極限,在牙齒與巖石互作用過(guò)程中,齒孔更容易產(chǎn)生塑性變形。不斷積累的塑變降低了牙齒與齒孔有效的過(guò)盈接觸面積,使固齒力下降,最終導致牙輪掉齒。在牙輪本體材料中加入一定量的Mo元素可以顯著(zhù)提高材料的高溫持久強度。

 

  (4)井底沉砂、硬質(zhì)合金等硬質(zhì)顆粒對殼體的磨損導致牙輪埋齒深度下降,牙齒與齒孔接觸面積降低導致緊固力下降。所以對于殼體材料的選擇應盡量選用耐磨材料,并優(yōu)化鉆井工藝,減少井底沉砂及硬物的掉落,緩解對牙輪殼體的磨損,減少牙齒因井底硬物而增加的沖擊。