铁路钻探钻杆柱磨损分析
摘要：本文先依次分析了铁路钻探中钻杆柱自身材质缺陷，工作环境及受力特征，然后结合上述分析讨论了钻杆
柱磨损的五种具体表现形式，最后对减少钻杆柱的磨损提出了一些看法。
关键词：铁路钻探钻杆柱磨损
收稿日期：2007-10-10
铁路钻探中，钻杆柱的磨损是一个很严重的问题。钻杆
柱磨损到一定程度，就应该更换新的。目前对钻杆柱的直径
还没有达到用仪器自动监测的程度，大多是技术人员在现场
进行目测，用游标卡尺测量钻杆柱的直径。而使用专门技术
人员监测钻杆直径情况，常常是针对孔深较深的钻孔。当钻
杆柱磨损严重，而没被注意，在遇到使钻杆柱应力集中的异
常情况时，易发生钻杆柱折断的事故。在好的岩土层中，如
果钻孔垂直度好，没发生缩径和扩孔，打捞钻杆柱相对容易，
否则将浪费大量的时间，造成经济损失，对于深孔钻探，造
成的损失更加明显。钻杆柱的磨损研究受到了较多科技工作
者的高度重视。本文分析了铁路钻探中钻杆柱磨损的外因与
内因，以及磨损的具体表现形式。
一、钻杆的材质缺陷
从材质的角度来看，钻杆内部存在着在缺陷。生产车间
在生产钻杆时，有热处理这道工序。在加热和冷却过程中，
钻杆内部组织会发生改变。热处理通常消除钻杆内部粗粒组
织，使其结构细化，能受更大的应力。但局部总存在暇疵。
在高倍电子显微镜下观察钻杆晶粒结构，发现它是由许多离
子、原子按一定规则排列起来的空间格子构成的，晶格一般
处于稳定的平衡状态。晶粒之间常存在着为数不多的夹杂物、
空洞等缺陷,在这些晶粒里，甚至在弹性范围以内，当力还不
太大时，就可能发生塑性变形。
二、钻杆工作环境
铁路钻探多采用回转钻进，对取芯困难的岩层如砂层、
全风化层等情况也采用冲击钻进。钻杆柱在工作中，与钻杆
柱发生作用的主要介质包括钻井液与岩土层。
铁路钻探钻井液一般是水基钻井液，这是一种多相不稳
定体系，以水为分散介质（连续相），以粘土为分散相（固相），
加入一定的化学处理剂或加重材料组成。其成分包括水、膨
润土、化学处理剂（如滤失剂羧甲基纤维素）、气体（溶解氧、
二氧化碳气体、硫化氢气体）及其它腐蚀介质如Cl-、SO42-、
Ca2+、CO32–及HCO3-等。
铁路钻探中岩芯常见的有土层、砂卵石层、全风化岩层、
强风化破碎带岩层、弱风化岩层等。砂卵石层及坚硬的强风化
岩层等复杂地层对钻杆柱造成的磨损比其它岩层尤为厉害。
三、钻杆柱工作受力特征
在工作过程中，钻杆柱的运动方式包括自转与绕钻孔中
心的公转，在深孔钻探中这两种运动方式通常是共存的。钻
杆所受力为复合应力，主要包括以下几个分项：钻杆受到钻
杆自重引起的拉应力，在横向应力作用下产生的弯曲应力，
由扭矩的作用产生的剪应力，钻杆振动引起的轴向及横向应
力，与岩层的摩擦力，以及与钻井液的作用。
四、钻杆磨损表现形式
1．磨粒磨损
磨粒磨损是由外界硬质颗粒或硬表面的微峰在摩擦副对偶
表面相对运动过程中引起表面擦伤与表面材料脱落的现象，钻
杆柱的表面特征是产生擦伤撕裂、纵向拉痕、局部剥落和裂纹。
磨粒磨损机理为微观切削,多次塑变导致断裂以及微观断裂。
钻杆柱在复合应力状态下，易发生较大的弯曲，弯曲后
突起的地方与坚硬的岩层之间产生严重的摩擦。钻杆柱表面
的淬火处理厚度一般为1mm,在淬火层磨损掉后，以后的磨
损速率将加快。在深孔钻探中，有时候取出的钻杆表面有明
显的擦痕，这是磨粒磨损的表现。
2．粘着磨损
粘着磨损是当摩擦副两对偶表面作相对滑动时，由于粘
着致使材料从一个表面转移到另一表面或材料从表面脱落而
引起的磨损现象。由于摩擦副两对偶表面间实际接触面积很
小，接触点应力很高，摩擦副对偶表面处于这种高温和高应
力状态下，杆件表面发生破裂，使接触微峰产生粘着，随后
在滑动中粘着点被剪断。
钻杆的弯曲使其局部与岩层发生摩擦，局部接触点的高
应力构造了粘着磨损的条件。
3．疲劳磨损
疲劳磨损是摩擦副两对偶表面作滚动或滚（下转185页）
定向井钻井技术被应用到石油钻井中是在19世纪中后期，我整理了定向井钻井技术论文，有兴趣的亲可以来阅读一下!
定向井钻井技术论文篇一
浅析定向井钻井轨迹控制技术
[摘 要]定向井钻井中的关键技术是井眼轨迹控制技术，本文在分析定向井井眼轨迹剖面优化设计技术的基础上，对钻井中的井眼轨迹控制技术进行了探究。
[关键词]定向井;井眼轨迹;关键技术
中图分类号：TG998 文献标识码：A 文章编号：1009-914X(2015)08-0056-01
随着我国油气资源勘探开发力度的不断加大，对于地面遮挡物无法正常钻井开采、地质情况复杂存在断层等构造遮挡和钻井发生事故需要侧钻等复杂油气藏的勘探开发日益重视，而这些油气藏一般需要采用定向井钻井技术进行开发，从而增加油气储层裸露面积、提高油气采收率、降低钻井成本。但是，定向井钻井的井眼轨迹控制难度较大，需要对井眼轨迹进行优化设计，并通过在直井段、造斜段和稳斜井段采用不同的钻井轨迹控制技术进行控制，才能有效保证定向井的井眼轨迹，而对这些技术措施进行探究，成为提高定向井钻井水平的关键。
一、科学进行定向井井眼轨迹和轨道设计
1、定向井井眼轨迹的优化设计技术
井眼轨迹的剖面设计是定向井钻井施工的基础，只有不断优化完善井眼轨迹设计，保证井眼轨迹设计的科学性、合理性，才能确保定向井钻井实现预期目标。在定向井井眼轨迹剖面优化设计中，要坚持一定的原则：要以实现定向井钻井地质目标为原则，定向井钻井的地质目标很多，包括穿越多个含油地层提高勘探开发效果、避开地层中的断层等地质构造从而实现对地下剩余油气储层的有效开采、实现油井井眼轨迹在油气储层目的层的大范围延伸以增加油气藏的裸露面积等，同时，因为钻井或油气开采中发生事故导致无法正常开采的油井，可以通过定向井实现对油气储层的侧钻来达到开采目的，存在地面障碍物无法进行正常钻井的区域也可以通过定向井来实现钻井开采的目的，为了节约钻井成本，还可以通过丛式平台定向井开发的方式来节省井场占地面积;要以高校、优质、安全钻井施工作为现场施工目的，在进行定向井井眼轨迹剖面设计时，结合所处区域的地质特征进行设计，选择在地层稳定、松软度适中的位置进行造斜，造斜点要尽量避开容易塌陷、缩径或漏失以及压力异常的地层层位进行，要将造斜段的井斜角控制在15°-45°之间，因为过大的井斜角会增加施工难度且易引发钻井事故，而过小的井斜角会造成钻井方位的不稳定性，增加调整次数，还有就是在造斜率的选择上，要综合考虑油井所处地层的地质状况和钻井工具的实际造斜能力，在满足定向井钻井目标的前提下尽量减小造斜率并缩短造斜段的长度，实现快速钻井的目的;要尽量满足后期采油和完井工艺实施的要求，在满足定向井钻井要求的前提下，尽量减小井眼的曲率，方便后期抽油杆和油层套管下井，同时减小二者之间的偏磨，方便后期改造安全采油泵等井下作业施工。
2、定向井钻井的轨道设计
根据定钻井的目的和用途不同，可以将定向井分为常规定向井、丛式井、大位移井等几种类型进行设计，常规定向井一般水平位移不超过1km、垂直深度不超过3km，丛式井可减小井场面积，大位移定向井的轨道一般采用悬链曲线轨道，在井眼轨迹上采用高稳斜角和低造斜率。我国定向井井眼剖面轨迹主要有“直―增―稳”三段制剖面、“直―增―稳―降”四段制剖面和“直―增―稳―降―直”五段制剖面三种类型，在具体设计时根据所在地层地质特征不同进行优化设计。三种井眼轨迹各有优缺点：三段制井眼轨迹造斜段短，设计和施工操作比较方便，在没有其他特殊要求时可以采用三段制轨迹剖面;四段制井眼轨迹剖面起钻操作时容易捋出键槽加大下钻的摩擦力，容易造成卡钻事故，且容易形成岩屑床，一般不会采用，只在特殊情况下使用;五段制井眼轨迹剖面在目的油气储层中处于垂直状态，有利于采油泵安全下入，且便于后期采油工艺的实现。
二、三段制定向井轨迹剖面钻井控制技术
基于三种不同类型轨迹剖面的优缺点，在现实中多应用三段制和五段制井眼轨迹剖面进行定向井钻井设计，而三段制井眼轨迹剖面最为常用，下面就对三段制定向井井眼轨迹钻井控制技术进行研究。
1、直井段的井眼轨迹控制技术
直井段的井眼轨迹控制技术主要是防斜打直，这是定向井轨迹控制的基础，因为地质、工程因素和井眼扩大等原因，直井段钻井中会发生井斜，地质因素无法控制，可通过在施工和井眼扩大两方面采取技术措施进行直井段钻井的轨迹控制，关键要选择满眼钻具和钟摆钻具组合进行直井段钻井，前者可以在钻井中防止倾斜，将扶正器与井壁尽量靠近，就可以有效防止井斜问题出现;钟摆钻具的工作原理是超过一定角度后会产生回复力，具有纠正井斜问题的作用，但要保证钻压适量，因为钻压过大会使钟摆力减小而增斜力增大，妨碍纠斜效果。
2、造斜段的井眼轨迹控制技术
在定向井钻井中，造斜段钻井是关键部位，造斜就是从设计好的造斜点开始，使钻头偏离井口铅垂线而进行倾斜钻进的过程，关键是要让钻头偏离铅垂线开始造斜钻进。要根据设计好的井眼轨迹，综合井斜角、方位偏差来计算造斜率，以此指导造斜钻井施工，通过增加钻铤等措施，调整滑动钻进和复合钻进的比例，从而使钻头按照设计的井眼轨迹进行钻进，指导造斜段完成。
3、稳斜段的井眼轨迹控制技术
造斜段完成后，需要进行稳斜段的钻井施工，在稳斜段的钻进中，要选用无线随钻测井仪器对钻头的工作进程进行动态跟踪，实时监测钻头的实际井斜角、方位角偏离情况并与设计值进行对比，确保钻头中靶。在没有无线随钻测井仪器的情况下，需要通过稳斜钻具组合进行钻井，并应用单、多点测斜仪进行定点测斜，从而保证井眼中靶，提高钻井质量。
三、结论
综上所述，定向井是开采复杂油气藏的有效手段，可以对常规油井无法开采的油气藏进行开采，但要顺利实现定向井钻井，需要根据地质特征等设计井眼轨迹剖面、选择合适的轨道类型，并对不同井段采取对应的井眼轨迹控制技术，确保按设计的井眼轨迹钻进，提高油气资源开采效果。
参考文献
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[2] 鲁港，王刚，邢玉德，孙忠国，张芳芳.定向井钻井空间圆弧轨道计算的两个问题[J].石油地质与工程，2006(06).
[3] 王学俭.浅层定向井连续控制钻井技术[J].石油钻探技术，2004(05).
[4] 崔剑英，贺昌华.定向井信息查询系统的开发[J].数字化工，2005(07).
定向井钻井技术论文篇二
寿阳区块煤层气定向井钻井技术浅谈
摘要：本文介绍了寿阳煤层气的开发现状和煤层气特征，分析了定向井钻井技术在施工过程中的应用，对今后在寿阳区块内施工的定向井有一定的指导作用。
关键词：寿阳区块;定向井;造斜段;稳斜段
Abstract: This paper introduces the development status and characteristics of Shouyang coal-bed methane coal-bed gas, analyzes the application of directional drilling technology in the construction process, has the certain instruction function to the construction of directional well in Shouyang block.
Keywords: Shouyang block; directional well; oblique section; steady inclined section
中图分类号：P634.5
1.概况
寿阳区块位于山西省中部，沁水盆地的北端，沁水盆地是我国大型含煤盆地之一，蕴藏着丰富的煤层气资源，根据远东能源(百慕大)有限公司前期在沁水盆地南部施工的参数井和定向生产井所获得的相关资料，显示该区具有良好的开发前景。
1.1寿阳区块勘探开发历史和现状
1995年由联合国开发计划署(UNDP)利用全球环境基金资助、煤科总院西安分院承担的《中国煤层气资源开发》项目，《阳泉矿区煤层气资源评价》专题科研报告，对阳泉矿区(包括生产区、平昔区和寿阳区)煤层气资源开发进行了评价和研究，其中重点对寿阳区的煤层气资源开发进行了评价和研究。
中国煤田地质总局于1996～1997年在韩庄井田施工了一批煤层气勘探参数井，获得了该区有关的煤储层参数，并对HG6井的主要煤层进行了压裂改造和排采试验，取得了该井合层排采的一整套数据。中联公司1997～1998年在寿阳区块施工了4口煤层气生产井，其中1口探井，3口生产试验井，获得该区宝贵的煤储层参数和生产数据。1998年完成了四条二维地震勘探线，共计167km，获得了丰富的地质成果。2005年远东公司在该区施工了3口羽状水平井，其中2口在煤层段进尺超过3000m，3口井均在生产。
2007年远东能源(百慕大)有限公司根据取得的初步成果资料研究、分析后，认为该区15#煤层十分稳定，储层参数比较有利，是煤层气开发的有利区块，决定在寿阳县南燕竹镇共计部署一批定向井及参数井，以获取该地区15#煤层的埋深、厚度等储层参数，进一步扩大勘探范围，并逐步形成区域生产井网，争取短期内该区煤层气地面开发进入大规模商业化运营。
1.2寿阳区块地质背景
沁水盆地北端位于北东向新华夏系第三隆起太行山隆以西，汾河地堑东侧，阳曲——盂县纬向构造带南翼。总体形态呈现走向东西、向南倾斜的单斜构造。区内构造简单，地层平缓，倾角一般在10°左右。燕山运动和喜马拉雅运动期间，由于较大规模的岩浆侵入活动，大地热流背景值升高，本区石炭二叠纪煤层在原来深成变质作用的基础上，又叠加了区域岩浆热变质作用，致使煤化作用大大加深，形成了本区高变质的瘦煤、贫煤以及少量无烟煤。
本区所钻遇的地层为：第四系(Q)，三叠系下统刘家沟组(T1l)，二叠系上统石千峰组(P2sh)，二叠系上统上石盒子组(P2x)，二叠系下统下石盒子组(P1x)，二叠系下统山西组(P1s)，石炭系上统太原组(C3t)。
1.3寿阳区块煤储层特征
主要含煤地层为上石炭统太原组及下二叠统山西组，含煤10余层，其中3#、9#、15#煤为主力煤层。
3#煤层：俗称七尺煤，全区煤层厚0～3.78m，煤层较稳定，寿阳矿区西部和阳泉三矿矿区煤层较厚，其他地区煤层变薄，甚至尖灭。结构简单，有时含一层夹矸，顶底板为泥岩，砂质泥岩、粉砂岩，局部为炭质泥岩和细砂岩。
9#煤层：全区煤层厚不一，煤层较稳定。结构简单，顶底板为泥岩，砂质泥岩、粉砂岩，局部为炭质泥岩和细砂岩。
15#煤层：煤层厚0.27～6.48m，是寿阳区块内煤层气开发的主力煤层。15#煤含1～3层夹矸，结构中等，顶底板K2灰岩，底板为泥岩、砂质泥岩，局部为炭质泥岩和细砂岩。
沁水盆地北端煤储层厚度大，埋深适中;煤的热化程度较高，己进入生气高峰，煤层顶底板封闭性能好，含气量高;煤储层裂隙较发育，孔隙以小孔和微孔为主，渗透性较好;煤的吸附性能强，但含气饱和度偏低。
2.设备设备选择
2.1钻机选择
寿阳区块定向生产井井深一般在在1000m以内，水平段不超过500m，根据我井队现有设备的情况，选择了TSJ-2000、GZ-2000钻机。该钻机提升、回转能力均能满足煤层气定向生产井施工的需要。
2.2设备配置
水泵：TBW-850(直井段)、3NB-1000、F-500;排量0～42L/s，压力5～32MPa。
动力：PZ12V-190、PZ8V-190、12V135;功率120～800HP。
钻塔：27.5m/A型塔(750KN)。
钻具：Φ127mm钻杆，Φ203钻铤，Φ178钻铤+Φ159钻铤。
2.3定向钻具
Φ172(1.5°)螺杆、Φ165(1.5°)螺杆
Φ172MWD定向短节、Φ165MWD定向短节
Φ165mm、Φ159mm短钻挺
Φ214mm扶正器、Φ48MWD
Φ165mm无磁钻铤、Φ172无磁钻挺
3钻井工艺
3.1井身结构
井身结构在钻井工程中处于最基础的地位，体现了钻井的目的，也是决定该目的能否顺利实现的重要因素之一。井身结构设计以钻井目的为目标，以现实的钻井工程和地质等条件为依据，使目标和过程统一起来。
一开采用Φ311mm钻头钻至稳定基岩，且水文显示正常，下入Φ244.5mm表层套管，固井并候凝48小时。
二开采用Φ215.9mm钻头钻至完井，达到钻井目的后，下入Φ139.7mm生产套管并固井。
3.2钻头选用
二开选择造适岩的HJ537G钻头。
3.3动力钻具选择
为了适应软及中软地层，选择了中转速中扭矩马达。
3.4钻井液的选择
煤层气井施工时，煤储层保护是关键。在煤层段钻井中，主要采用清水钻进，严格控制钻井液中的固相含量、比重，井内岩粉较多时，可换用高粘无污染钻井液排出岩粉，既能保证孔内安全，又防止了储层污染。
4.定向钻具组合及钻进处理措施
定向井施工中主要分直井段、造斜段、稳斜段，要针对不同地层、不同井深、位移有效地选择好三个井段的钻具组合。实现设计的井身规迹是施工的关键。
4.1直井段钻井技术
直井段的防斜是定向井施工的重要保证，一般要求井斜100m内小于1°。直井段的钻具组合是关系到定向井下部定向造斜段的难易程度。
(1)钻具组合：一开采用塔式钻具组合：Φ311钻头+Φ203钻铤+Φ178钻铤+Φ159钻铤+Φ127钻杆。
二开：Φ215.9钻头 +Φ178钻铤+Φ159钻铤+Φ127钻杆。
(2)钻进参数： 钻压 10～80 kN排量 12 L/s 泵压 0.5～2MPa
钻井液性能： 密度 1.02～1.10g/cm3粘度 21 s
(3)见基岩时要轻压慢转，防止井斜。
(4)直井段换径时要吊打，换定向钻具前测井斜。
4.2造斜段钻井技术
造斜段下钻到底后，EMWD仪器无干扰开始定向钻进;施工采用1.5°单弯螺杆，测得实际造斜率为9°/30m，定向过程中采用滑动钻进与复合钻进交替作业，确保狗腿度满足要求。
(1)钻具组合Φ215.9钻头+Φ172(1.5°)螺杆+Φ172MWD定向短节+Φ172无磁*1根+Φ178钻铤*2根+411*4A10+Φ159钻铤*9根+Φ127钻杆
(2)钻进参数：钻压 40～80 kN排量 20～24 L/s 泵压 2～4MPa
钻井液性能：密度 1.02～1.05g/cm3粘度 16 s
(3)要调整好钻井液性能，采用三级固控设备控控制固相含量不超标。
(4)及时测量井斜、方位，发现与设计不符，应马上采取措施。
(5)做好泥浆的性能维护，提高防塌性能和携带岩屑的能力，清洁井眼。
4.3稳斜段钻井技术
稳斜段钻具组合在本区可采用以下三种方法，也可以交替作业，确保井斜方位满足要求，三班各钻井参数要保持一致辞，并保证井下安全。
(1)采用螺杆复合稳斜钻进
钻具组合：Φ215.9钻头+Φ172(1.5°)螺杆+Φ172MWD定向短节+Φ172无磁*1根+Φ178钻铤*2根+411*4A10+Φ159钻铤*9根+Φ127钻杆
钻进参数：钻压 40～80 kN排量 20～24 L/s 泵压 3～5 MPa
钻井液性能：密度 1.02～1.05g/cm3粘度 17s
(2)采用近钻头扶正器稳斜钻进。
钻具组合：Φ215.9钻头+Φ214扶正器+Φ172MWD定向短节+Φ172无磁*1根+411*4A10+Φ159钻铤*9根+Φ127钻杆
钻进参数：钻压 40～80 kN排量 20～24 L/s 泵压 2～4 MPa
钻井液性能：密度 1.02～1.05g/cm3粘度 17s
(3)采用光钻铤钻进。
钻具组合：Φ215.9钻头+Φ172MWD定向短节+Φ172无磁*1根+411*4A10+Φ159钻铤*9根+Φ127钻杆
钻进参数：钻压 80～120 kN排量 20～24 L/s 泵压 2～4 MPa
钻井液性能：密度 1.02～1.05g/cm3粘度 16 s
5.经验与建议
通过对本区FCC-HZ-23D、FCC-HZ-33D、FCC-HZ-11D、FCC-HZ-47D、FCC-HZ-70D井的施工，取得了以下经验：
(1)及时测斜、准确计算、跟踪作图是保证井身轨迹的关键。使用MWD能准确掌握井身轨迹的变化情况，使轨迹得到有效的控制。
(2)在钻井过程中，随时观察扭矩、泵压的变化，发现问题及时分析与解决。
(3)勤测泥浆中固相含量的变化，确保固相含量不超标，从而影响螺杆的使用。有条件的话可以上三级固控设备。
(4)采取“转动+滑动”的复合钻进方式，利用无线随钻实时监测，能有效的确保井眼轨迹质量，使施工安全、快速进行;在稳斜过程中采用“转动+滑动”的复合钻进方式，有效降低摩阻和扭矩，降低施工风险。
(5)在定向造斜过程中使实际井斜略超前设计井斜，提前结束造斜段，使实钻稳斜段井斜略小于设计稳斜段井斜，在复合钻中使井斜微增至设计轨迹要求，达到快速、安全目的。参考文献
[1]王明寿.2006.寿阳区块煤层气勘探开发现状、地质特征及前景分析.北京：地质出版社
[2]大港油田.1999.钻井工程技术.北京：石油工业出版社
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