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

 

  (1)長期的高溫工作環(huán)境,會導致牙輪材料的螺變,加速塑性變形帶來的材料的失效,導致掉齒;(2)因為牙輪牙齒與本體材料的不同,溫度的變化會使得兩材料因線膨脹系數(shù)的不同導致過盈量下降,影響固齒強度;(3)溫度會降低牙輪本體材料的強度極限,隨著溫度的升高,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產(chǎn)生膨脹作用,從齒孔內(nèi)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,增加牙齒的掉齒風險;(7)穩(wěn)定器上硬質(zhì)合金塊的掉落會加劇牙輪殼體的磨損,掉落的硬質(zhì)合金等較硬材料會增加牙輪牙齒的沖擊載荷和動載,加劇牙齒的掉落。

 

  牙輪鉆頭掉齒的原因須根據(jù)鉆進現(xiàn)場的具體工藝來確定,不同的鉆井工藝,掉齒的原因也有所不同,總結(jié)下來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導致緊固力下降。長時間在高溫下工作的牙輪鉆頭需要考慮到溫度所帶來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,細小顆粒進入到牙齒與殼體之間,減小牙齒與齒孔的接觸面積,并會對齒孔造成進一步的磨損,最終齒孔擴大造成掉齒。在選用地熱井牙輪本體材料時,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元素能夠顯著緩減鋼材的石墨化過程,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,溫度變化帶來熱膨脹的差值,導致過盈量下降。所以在定初始過盈量時,在保證牙輪本體強度的前提下,盡量選擇較大的過k量,以彌補因溫度變化而帶來的過盈量損失。

 

  (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。