石油鉆井套管磨損與防護(hù)措施研究

王家強(qiáng)

（長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

1 概述

在進(jìn)行石油鉆探過(guò)程當(dāng)中，除了設(shè)計(jì)好井深、井軌跡以避開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)之外，使用合適的鉆桿、套管；設(shè)計(jì)優(yōu)良的套管性能也相當(dāng)重要。伴隨著石油工業(yè)的飛速發(fā)展，面對(duì)大位移井、水平井、深井都需要有足夠優(yōu)良性能的鉆井套管。所以，分析石油鉆井套管磨損十分重要，設(shè)計(jì)合理的防磨措施也成為了研究人員在科研工作當(dāng)中尤為需要注意的問(wèn)題[1]。

2 套管磨損的影響因素

一般而言，影響套管柱磨損的成因主要分為鉆桿運(yùn)動(dòng)形式不同、井壁狗腿角的大小、鉆井液的成分不同、套管材料不同等多種情況，以下就將對(duì)這些情況簡(jiǎn)要分析[2]。

2.1 鉆桿柱的運(yùn)動(dòng)形式不同時(shí)對(duì)套管磨損的影響

鉆桿柱在進(jìn)行起鉆和下鉆過(guò)程當(dāng)中，無(wú)可避免的將會(huì)對(duì)套管的內(nèi)壁產(chǎn)生一系列的影響，對(duì)此研究人員在做了大量研究后得到結(jié)論：鉆桿在往復(fù)移動(dòng)時(shí)使得套管發(fā)生的磨損量要比鉆桿以旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磨損量小很多；并且鉆桿對(duì)套管的磨損程度也與接觸角的大小有關(guān)，接觸角越大時(shí)，其導(dǎo)致磨損量增大[3]。

2.2 井壁狗腿角的大小對(duì)套管磨損的影響

當(dāng)面對(duì)大位移井時(shí)，鉆桿在通過(guò)彎曲位置時(shí)，鉆桿的一部分就會(huì)和管壁接觸，從而產(chǎn)生正壓力，伴隨著狗腿度的增大，拉力也逐漸增大，這也會(huì)加快鉆桿和套管的磨損度。除了這些顯而易見(jiàn)的影響之外，井下的鋼絲繩、電纜等設(shè)施都會(huì)在一個(gè)很小的范圍與套管壁反復(fù)接觸，從而產(chǎn)生局部磨損，局部磨損的大小要取決于井壁狗腿度的大小。這些磨損對(duì)于套管承受擠壓強(qiáng)度的下降也會(huì)起到一個(gè)負(fù)面的作用[4]。

2.3 鉆井液成分對(duì)套管磨損的影響

鉆井液的成分對(duì)套管的磨損也是需要研究人員著重考慮的關(guān)鍵點(diǎn)之一，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)多種不同類(lèi)型的鉆井液進(jìn)行套管磨損對(duì)比后可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于套管磨損效果最為顯著的是清水，在實(shí)驗(yàn)室條件下會(huì)使得套管壁厚減少一半左右，而使用水基鉆井液對(duì)于套管磨損程度的改善最為明顯，大概也只有清水磨損套管的一半左右[5]。

2.4 套管材料對(duì)套管磨損的影響

套管材料對(duì)于套管的磨損程度也有著較大影響，通大量的實(shí)驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，在相同的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之下，P110的材料磨損程度要遠(yuǎn)高于N80 材料的套管，而N80 材料的套管磨損程度要高于N50 套管。因此選擇合適鋼型的套管材料，對(duì)于減小套管磨損也有著及其重要的作用。

3 實(shí)驗(yàn)方案

筆者通過(guò)以非加重水基鉆井液作為試驗(yàn)介質(zhì)，分析套管磨損隨接觸載荷、摩擦行程、鉆桿轉(zhuǎn)速、鉆井液黏度等因素變化的一般規(guī)律；探討套管出現(xiàn)劇烈磨損的原因，對(duì)鉆井參數(shù)的優(yōu)選提出建議。

3.1 試驗(yàn)裝置及工作原理

這是一臺(tái)MZM-500 型鉆桿／套管旋轉(zhuǎn)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，這套實(shí)驗(yàn)裝置的具體結(jié)構(gòu)由圖1 所示，整個(gè)運(yùn)行原理由圖2 所示，可以通過(guò)大量的數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)溫度、摩擦因數(shù)、扭矩等數(shù)據(jù)的自動(dòng)輸出。

圖2 實(shí)驗(yàn)機(jī)器運(yùn)行原理

1-光電編碼器；2-轉(zhuǎn)矩傳感器；3-彈性連接軸；4-主軸箱；5-滑動(dòng)座；6-腐蝕箱；7-試樣固定夾具；8-連桿；9-滑動(dòng)導(dǎo)軌；10-主軸電機(jī)；11-小帶輪；12-主軸（花鍵軸）；13-內(nèi)試樣；14-外試樣；15-水泥環(huán)；16-加載砝碼；17-施力杠桿；18-加載輪。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)改變接觸力、鉆桿的鉆速、鉆井液粘度、摩擦?xí)r間等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，通過(guò)設(shè)置不同實(shí)驗(yàn)室條件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行控制變量，鉆桿鉆速的實(shí)驗(yàn)范圍在60-180r/min 之間，鉆桿總鉆速高于10 萬(wàn)轉(zhuǎn)，接觸力在90-450N 之間。最終通過(guò)目視測(cè)量、計(jì)算測(cè)量等方式，定性、定量的對(duì)比對(duì)套管的磨損程度。

4 結(jié)果分析

4.1 套管磨損隨摩擦行程的變化趨勢(shì)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以通過(guò)控制變量的方法排查得到結(jié)果，實(shí)驗(yàn)室條件初步設(shè)置為140r/min、270N的條件下，得到了套管磨損的變化曲線(xiàn)，如圖3 所示。

圖3 套管磨損量變化曲線(xiàn)

通過(guò)分析圖3 可以得到結(jié)論，在作業(yè)的初期套管的磨損比較大，伴隨著套管的壁厚磨損增加，鉆桿和套管的接觸面積變大，在套管壁厚在0.3 毫米到0.8 毫米之間時(shí)，套管的磨損程度最大，當(dāng)磨損壁厚高于0.8 毫米時(shí)，套管的磨損程度呈現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì)。整體來(lái)看，套管磨損壁厚隨時(shí)間接近于線(xiàn)性趨勢(shì)變化[6]。

通過(guò)分析圖4的曲線(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)套管與鉆桿間的摩擦因數(shù)隨著時(shí)間的推移會(huì)產(chǎn)生逐步的變化，在同樣的實(shí)驗(yàn)室條件下，室內(nèi)得到的平均摩擦系數(shù)，在測(cè)試時(shí)間足夠長(zhǎng)的情況下和井場(chǎng)的實(shí)際情況基本相同，因此可以得到結(jié)論：通過(guò)降低摩擦因數(shù)，可以有效的減少套管的磨損程度。

圖4 270N 接觸力作用下套管磨損量的變化曲線(xiàn)

4.2 接觸力對(duì)套管磨損的影響

接觸力對(duì)套管磨損的影響也十分顯著，實(shí)驗(yàn)主要采用N80套管，使用非加重鉆井液進(jìn)行研究，最后得到套管磨損率隨接觸力的變化趨勢(shì)（見(jiàn)圖5），可以得到結(jié)論：當(dāng)接觸載荷比較小的時(shí)候，接觸力與套管的磨損程度呈現(xiàn)出正相關(guān)的近乎于線(xiàn)性的關(guān)系，而當(dāng)載荷過(guò)高，高于360N 時(shí)，非線(xiàn)性的趨勢(shì)將會(huì)越發(fā)的明顯。

圖5 套管磨損率隨接觸力的變化趨勢(shì)

通過(guò)研究套管摩擦因數(shù)隨接觸力的變化趨勢(shì)（圖6）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摩擦系數(shù)基本處于穩(wěn)定的狀態(tài)，接觸載荷過(guò)大時(shí)，摩擦因數(shù)也會(huì)顯著增大，尤其是載荷在270N 到360N 之間時(shí)，摩擦因數(shù)的變化幅度要高于其他情況。

圖6 套管摩擦因數(shù)隨接觸力的變化趨勢(shì)

通過(guò)研究可以得知，因?yàn)榻佑|力增大，鉆桿和套管所要承受的應(yīng)力也會(huì)逐漸增大，但是增大趨勢(shì)較為均勻，如果出現(xiàn)異常磨損，那么接觸應(yīng)力的分布非均勻性應(yīng)當(dāng)是主要原因。

4.3 鉆桿轉(zhuǎn)速對(duì)套管磨損的影響

通過(guò)采用非加重介質(zhì)的鉆井液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件調(diào)整為270N的載荷情況下，可以得到N80 套管在實(shí)驗(yàn)室條件下套管磨損率隨鉆桿轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)[7]。從圖中可以發(fā)現(xiàn)鉆書(shū)在60r/min 到100r/min 時(shí)，隨鉆桿轉(zhuǎn)速增高套管磨損率略有增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大直到140r/min 時(shí)，套管磨損率繼續(xù)以近乎線(xiàn)性的方式持續(xù)上升，而套管磨損率吧逐漸升高至180r/min 之上時(shí)，出現(xiàn)了套管磨損率下降的情況（圖7）。這些情況通過(guò)鉆桿鉆速與摩擦因素的曲線(xiàn)也可以發(fā)現(xiàn)（圖8）。

圖7 套管磨損量與鉆桿轉(zhuǎn)速關(guān)系

圖8 摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)

從實(shí)際情況的角度進(jìn)行分析，認(rèn)為在高鉆速下鉆井設(shè)備極有可能發(fā)生共振，當(dāng)發(fā)生共振時(shí)，就有可能發(fā)生上述情況，同時(shí)在這種情況下各類(lèi)電子、機(jī)械儀器都會(huì)有著較高的故障率，各種實(shí)驗(yàn)儀器的可靠性也會(huì)隨之降低，不會(huì)得出符合現(xiàn)場(chǎng)的結(jié)果。因此在后續(xù)的研究過(guò)程當(dāng)中，如何解決共振問(wèn)題也將會(huì)是難點(diǎn)之一，同時(shí)在現(xiàn)有的工況之下，鉆桿鉆速也不應(yīng)當(dāng)高于140r/min，以保證工程的安全性。

5 結(jié)論及防護(hù)措施

綜上所述，受限于技術(shù)方法、應(yīng)用條件等要素的影響，套管磨損所造成的問(wèn)題對(duì)于石油行業(yè)造成損失極大，解決問(wèn)題刻不容緩，對(duì)于防護(hù)措施，業(yè)內(nèi)一般采用以下幾種手段予以防護(hù)[8-10]。

5.1 安裝耐磨帶

在實(shí)際的工作當(dāng)中，通常會(huì)采取安裝防磨帶作為防護(hù)措施，這一措施會(huì)有效的減緩鉆桿的扭矩。通過(guò)安裝在鉆桿的合適位置，可以實(shí)現(xiàn)鉆桿與套管的有效隔離，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)工具、增加使用壽命的意圖。

5.2 安裝鉆桿保護(hù)器

通過(guò)安裝鉆桿保護(hù)器，可以使用橡膠材料發(fā)揮作用。鉆桿保護(hù)器分為旋轉(zhuǎn)型與非旋轉(zhuǎn)型兩種，通過(guò)讓鉆桿與套管壁有足夠的空隙，最終達(dá)到減緩磨損、保護(hù)鉆桿與套管的作用。

5.3 旋轉(zhuǎn)鉆柱接頭

采取旋轉(zhuǎn)鉆柱接頭，可以有效的降低大斜度井、大位移井的扭矩?fù)p失，延緩鉆桿和套管磨損，將鉆柱與套管之前的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，減小摩擦系數(shù)。采取同等技術(shù)可以在降低磨損、延緩疲勞的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目的。