套管防磨技術(shù)在新港1井的應(yīng)用

陶瑞東，尤 軍，許京國，鄒林坪，張建榮，楊 靜，張 燕，白承斌

（渤海鉆探第三鉆井工程公司，天津300280）①

深井、超深井、大斜度井和大位移井因下部井段鉆井施工周期長，套管磨損問題日顯突出。尤其是在深井定向井、大位移井鉆井施工過程中，套管偏磨是套管磨損的一個顯著特征，主要是鉆井過程中鉆桿與套管在徑向、軸向發(fā)生不同程度的碰磨造成的［1－4］。套管偏磨會使其承載能力降低，嚴(yán)重時導(dǎo)致套管柱擠毀或破裂，甚至造成全井報廢［5－7］。大港油田新港1井是1口五開三段制定向井，完鉆井深6 716 m，三開311.1 mm的定向、穩(wěn)斜井段長達2 470 m，由于該井段的巖石可鉆性差，鉆井施工時間長，鉆桿對上層技術(shù)套管的磨損相對較為嚴(yán)重，甚至可能磨漏套管，給油井的安全施工和后續(xù)作業(yè)的安全帶來了隱患。通過應(yīng)用蘭德公司的減阻防磨套，成功地保護了套管，同時減少了鉆桿的磨損。

1 影響套管磨損的因素

在套管鋼級一定的條件下，影響套管磨損的因素主要有轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、機械鉆速、鉆井液密度與類型、鉆具組合等，其中轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、機械鉆速以及泥漿密度對套管磨損影響較大，而且在一定范圍內(nèi)可以控制。本文以新港1井三開鉆進時在井深2 607m處的二開339.7 mm的技術(shù)套管為研究對象，套管鋼級為N80，鉆井液設(shè)定為水基鉆井液（本區(qū)塊的鉆井液全為水基鉆井液），分析預(yù)測轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、機械鉆速以及泥漿密度對套管磨損的影響。

1.1 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的影響

當(dāng)鉆井井段和機械鉆速一定的條件下，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速越高，接觸點滑移的距離越長，磨損越嚴(yán)重。在2 607 m（造斜段終點）處，機械鉆速為2 m/h，鉆井液當(dāng)量密度為1.25 g/cm3時，339.7 mm的技術(shù)套管在不同轉(zhuǎn)速下的磨損情況如圖1所示。

圖1 造斜段底端套管磨損量與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

1.2 機械鉆速的影響

當(dāng)鉆井井段和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速一定時，平均機械鉆速決定磨損時間，從而決定了接觸點的滑移距離，滑移距離越長，套管磨損越嚴(yán)重。在2 607 m處，轉(zhuǎn)盤鉆速為60 r/min，鉆井液當(dāng)量密度為1.25 g/cm3時，技術(shù)套管在不同機械鉆速下的磨損情況如圖2所示。

圖2 造斜段底端套管磨損量與鉆速關(guān)系曲線

1.3 鉆井液當(dāng)量密度的影響

鉆井液對套管磨損的影響主要表現(xiàn)在鉆井液體系和鉆井液密度2個方面。本研究根據(jù)本區(qū)塊的情況選取水基鉆井液，而同一段鉆具組合在不同的鉆井液密度下浮重不同，則鉆柱與套管間的側(cè)向力有所不同，從而使得套管磨損量的不同。在造斜段終點處，機械鉆速為2 m/h，轉(zhuǎn)盤鉆速為60 r/min時，技術(shù)套管在不同鉆井液當(dāng)量密度下的磨損情況如圖3所示。

圖3 造斜段底端套管磨損量與鉆井液密度關(guān)系曲線

由圖1～3可以看出：磨損量隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的增加而增加，隨機械鉆速及鉆井液密度的增加而減?。粰C械鉆速和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對套管磨損的影響較大，鉆井液密度對套管磨損量的影響相對較小。

2 蘭德公司減阻防磨套作用機理

蘭德公司減阻防磨套是由卡箍、鉸鏈切面、低阻惰性面、膠筒插銷、卡箍螺栓等部件組成的筒狀裝置（如圖4），使用時套裝在鉆桿外壁上，卡箍分為上下2個，是減阻防磨套安裝在鉆桿上的軸向定位機構(gòu)，其作用是防止減阻防磨套沿鉆桿軸向滑動；同時位于2個卡箍之間的膠筒可以圍繞鉆桿轉(zhuǎn)動，膠筒外壁與套管內(nèi)壁接觸，同時膠筒內(nèi)壁與鉆桿外壁接觸，鉆進過程中鉆柱轉(zhuǎn)動時，鉆柱只與防磨套接觸，并不能與套管接觸，而且防磨套不隨鉆柱轉(zhuǎn)動，避免了或減少鉆桿與套管內(nèi)壁直接接觸產(chǎn)生的摩擦磨損。安裝減阻防磨套后，套管與鉆桿有線接觸改為點接觸，鉆桿轉(zhuǎn)動時，減阻防磨套起到了類似“軸承”的作用，有效降低了套管內(nèi)鉆具的摩擦轉(zhuǎn)矩。

圖4 蘭德公司防磨套安裝示意

3 現(xiàn)場應(yīng)用分析［8］

大港油田新港1井井身結(jié)構(gòu)為：762 mm導(dǎo)管×80 m＋660.4 mm鉆頭×1 502 m（508 mm套管×1 500 m）＋444.5 mm鉆頭×3 354 m（339.7 mm套管×3 352.4 m）＋311.1 mm鉆頭×5 720 m（244.5 mm套管×5 717.47m）＋215.9 mm 鉆頭×6 450 m（177.8 mm 尾管 ×（5 566.41～6 446.23）m）＋152.4 mm 鉆頭×6 716 m（127 mm尾管×（6 246～6 714）m）。從井身結(jié)構(gòu)可以看出：三開311.1 mm的定向、穩(wěn)斜井段長，鉆井施工周期長，是本井套管防磨的關(guān)鍵井段，因此本井三開311.1 mm井段應(yīng)用了蘭德公司的套管防磨技術(shù)。

3.1 3 350～5 000 m井段減阻防磨套安裝方案

在本井三開3 350～5 000 m井段鉆進過程中，經(jīng)過測量分析，在2 000～2 460 m井段套管與鉆桿之間的接觸力突然增大（如圖5），因此將減阻防磨套安裝于此井段。安裝數(shù)量和安裝方案如下：鉆進前將NRP（S－550）型減阻防磨套安放于井深為2 000～2 460 m井段，每柱加6套共加16柱計96套NRP，備用4套。安裝減阻防磨套后，套管內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)矩顯著降低（如圖6），平均下降了15%。每鉆進300 m，NRP隨鉆具下移至2 300～2 760 m井段，然后起鉆，重新將減阻防磨套安裝于2 000～2 460 m井段，直至鉆到5 000 m井深。

圖5 減阻防磨套下入前套管與鉆桿的接觸力變化曲線

圖6 減阻防磨套下入前后轉(zhuǎn)矩對比

3.2 5 000 m以下井段的套管防磨安裝方案

在三開5 000～5 720 m井段鉆進過程中，經(jīng)過測量分析，在2 000～2 270 m井段套管與鉆桿之間的接觸力突然增大（如圖7），因此將減阻防磨套安裝于此井段。安裝數(shù)量和安裝方案如下：鉆進前NRP（HT－550）型減阻防磨套安放于井深為2 000～2 270 m井段，每柱加9套共加8柱計72套NRP，備用8套。安裝減阻防磨套后，套管內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)矩顯著降低（如圖8），平均下降了23%。每鉆進300 m后，NRP隨鉆具下移至2 300～2 570 m井段，然后起鉆，重新將減阻防磨套安裝于2 000～2 270 m井段，直至鉆到5 720 m井深。

新港1井的減阻防磨套從2011－05－30開始入井使用，入井時井深3 850 m。根據(jù)設(shè)計3 350～5 000 m井段采用的是S－550型 NRP。到2011－08－07拆卸減阻防磨套為止，S－550型減阻防磨套累計入井使用64 d（1 075.5 h）完成進尺1 067 m。期間的鉆井參數(shù)為：鉆壓40～140 k N，轉(zhuǎn)速40～90 r/min（根據(jù)鉆具組合不同，還要附加馬達轉(zhuǎn)速），排量60～65 L/s，泵壓24～28 MPa，泵沖100 min－1。泥漿性能為：密度1.35～1.39 g/cm3，失水3.0～3.5 m L，泥餅0.4～0.5 mm，含砂0.3%～0.5%，初切2.5～5.0 Pa，終切7～12 Pa，p H＝9。鉆井施工期間起下鉆具至最終拆卸，每套減阻防磨套經(jīng)檢查完好無損、部件無脫落、沿鉆桿軸向無移位。

圖7 5 000 m以下井段減阻防磨套下入前套管與鉆桿的接觸力變化曲線

圖8 減阻防磨套下入前后轉(zhuǎn)矩對比情況

根據(jù)設(shè)計，5 000 m之后井段采用的是HT－550型 NRP，從 2011－08－28防磨套入井到 2011－10 為止，HT－550型 NRP累計入井使用47 d（948 h）完成進尺569 m。期間的鉆井參數(shù)為：鉆壓80～140 k N，轉(zhuǎn)速40～90 r/min（根據(jù)鉆具組合不同，有時要附加馬達轉(zhuǎn)速），排量55 L/s，泵壓24～28 MPa，泵沖80～90 min－1。泥漿性能為：密度1.43～1.48 g/cm3，，失水3～4 m L，泥餅0.4～0.5 mm，含砂0.3%～0.5%，初切6.5～9.5 Pa，終切14～19.5 Pa，p H＝9～10。鉆井施工期間起下鉆具至最終拆卸，每套減阻防磨套經(jīng)檢查完好無損、部件無脫落、沿鉆桿軸向無移位。

4 結(jié)論

1） 新港1井在三開鉆進約3 000 m時發(fā)現(xiàn)套管磨損嚴(yán)重、轉(zhuǎn)矩偏高、鉆進困難等問題，之后鉆進時由于應(yīng)用了蘭德防磨套技術(shù)，起到了保護斜井段套管免受磨損、降低鉆柱轉(zhuǎn)矩、減少摩阻的作用，成功順利完鉆，為該井的安全鉆進和下步施工作業(yè)提供了保障。

2） 減阻防磨套起到了類似“軸承”的作用，有效降低了套管內(nèi)鉆具的摩擦轉(zhuǎn)矩。減少了鉆桿磨損的幾率，保護了套管。

3） 減阻防磨套的防磨性能可靠，固定牢靠，使用期間無損、無脫落，沒有沿鉆桿滑移，有利于鉆井安全施工。

4） 建議國內(nèi)研發(fā)機構(gòu)盡快研發(fā)出同類型的國產(chǎn)產(chǎn)品，提高安全作業(yè)和經(jīng)濟效益。

［1］ 謝桂芳，高翔.深井套管防磨技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.石油礦場機械，2008，37（2）：69－74.

［2］ 楊龍，練章華，高智海，等.套管內(nèi)壁磨損對其抗內(nèi)壓性能的影響［J］.天然氣工業(yè)，2003，23（6）：94－96.

［3］ 楊龍，高智海，練章華，等.磨損對套管接頭拉伸與內(nèi)壓強度的影響［J］.石油機械，2003，31（10）：9－11，15.

［4］ 鄭傳奎，覃成錦，高德利.含磨損缺陷套管抗內(nèi)壓強度數(shù)值計算研究［J］.天然氣工業(yè)，2006，26（1）：76－79.

［5］ 魏玲，林元華，杜仁德，等.月牙形磨損缺陷套管的抗內(nèi)壓強度 研究 ［J］.機 械 科學(xué)與技術(shù)，2010，29（4）：476－479.

［6］ 孫永興，林元華，廖平，等.ISO10400油管套管抗內(nèi)壓爆裂設(shè)計［J］.石油鉆探技術(shù)，2010，38（3）：67－69.

［7］ 高連新，楊勇，張風(fēng)銳.套管內(nèi)壁磨損對其抗擠毀性能影響的有限元分析［J］.石油礦場機械，2000，29（3）：37－38.

［8］ 丁麗芳，周寶義，王小月，等.超深井新港1井鉆井技術(shù)實踐與認(rèn)識［J］.石油鉆采工藝，2013，35（1）：5－9.