（机械电子工程专业论文）高温高压高产高酸性深井测试技术研究.pdf

中文摘要 论文题目：高温高压高产高酸性深井测试技术研究 硕士生：高辉( 签名) 舀盟 指导教师：窦益华( 签名) ! 聋益孥 摘要 随着高温高压高产高酸性油气田的开发，其高温、高压、高产、高酸性的复杂特点， 给测试作业带来许多问题，研究发现：套管磨损、测试安全设计、地面设备冲蚀损坏、 测试电缆断裂是面l 插的主要问题。为确保测试安全，应对这些主要问题进行研究，并针 对性地加以解决。 本文分析了套管磨损机理和影响套管磨损的因素；通过套管磨损效率实验研究，找 出了磨损量、磨损效率与压力、转速的关系，转速、压力和温度的关系；应用套管磨损 程度软件实例计算分析发现：在狗腿度较大、受力较大的井段套管磨损比较严重。 通过分析国内外气井关井最高井口压力、温度的预测方法，编制了关井最高井口压 力、温度预测程序，与油田结果比较发现，结果基本一致；借鉴国内高温高压高产高酸 性( 主要是硫化氢) 井的测试经验，设计出了更为安全、可靠的地面流程。 通过冲蚀的机理分析、影响因素分析，及其发生过程中的流体力学分析、预测方法 分析，编制了冲蚀预测程序，提出了预防冲蚀的措施。 通过电缆断裂原因分析，推出了流体对电缆的横向作用力，并找出了在油嘴管汇处 进行降压时电缆不容易断裂，而在手动平板阀处进行降压时电缆容易断裂的原因。 关键词：试油安全评价深井高产硫化氢 论文类型：应用研究 i l 英文摘要 s u b j e c t ：as t u d yo nt e s t i n gt e c h n o l o g yo ft h eh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r e ， h i g ho u t p u ta n dh i g ha c i dp e r c e n td e e pw e l l s p e c i a l i t y ： m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ：g a o h u i ( s i g n a t u r e ) 丘丝f 盘： l n s t r u c t o r ：d 。uy m u a ( s i g n a t u r e ) 纽丛幺五些 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r e ，h i g ho n t f i u ta n dh i g ha c i d p e r c e n to i l f i e l d ，t h ep r o p e r t i e so fh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r e ，h i g hp r o d u c t i o n ，a n dh i g h a c i dp e r c e n tr e s u l ti nas e r i e so fp r o b l e m s t h er e s e a r c h e si n d i c a t e ：c a s i n gw e a r ，t e s t i n gs a f e t y d e s i g n ，e r o s i v ed a m a g eo fs u r f a c ee q u i p m e n t sa n df r a c t u r eo ft e s t i n gc a b l ea r em a i np r o b l e m s t ob es o l v e d i no r d e rt oe n s u r et h es a f e t yo fw e l lt e s t i n g ，t h e s em a i np r o b l e m ss h o u l db e s t u d i e dd e e p l y ，a n db es o l v e da c c o r d i n g l y t h em e c h a n i s ma n di n f l u e n t i a lf a c t o r so fc a s i n gw e a ra r ea n a l y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h er e l a t i o n s h i p so fw e a r i n gc a p a c i t ya n dw e a re f f i c i e n c yw i t hp r e s s u r ea n dr o t a r ys p e e da s w e l la st h er e l a t i o n s h i p so fr o t a r ys p e e da n dp r e s s u r ew i t ht e m p e r a t u r ea r eo b t a i n e db yt h e c a s i n gw e a re x p e r i m e n t s i ti sf o u n dt h a tt h ew e a ri sm o r es e r i o u sw h e r et h ed o g l e gd e g r e e a n dp r e s s u r ea r eg r e a t e rb yt h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fc a s i n gw e a rs o f t w a r e b ya n a l y z i n go fs e v e r a lp r e d i c t i n gm e t h o d so ft h em a x i m u mo ft e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r eo fg a sw e l lh o m ea n da b r o a d ，ap r o g r a mo fp r e d i c t i n gt h em a x i m u mo ft e m p e r a t u r e a n dp r e s s u r ei s d e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h er e s u l t sc o m p u t e da r ec o n s i s t e n tw i t ht h e r e s u l t so fo i l f i e l d f u r t h e r m o r e ，as u i to fc o m p a r a t i v e l ys a f ea n dr e l i a b l es u r f a c ep r o c e s si s d e s i g n e db yc o n n e c t i n gw i t he x p e r i e n c e so fs o m eo i l f i e l d s t h r o u g ht h ea n a l y s i so fm e c h a n i s mo fe r o s i o n ，i n f l u e n t i a lf a c t o r sa n df l u i dm e c h a n i c s ， t h i sd i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dt h em e a s u r e m e n t so fp r e v e n t i n gf i o me r o s i o na n dd e v e l o p sa p r o g r a m f o rp r e d i c t i n ge r o s i o nb yc o n s u l t i n gt h er e l e v a n tm e t h o d s t h et r a n s v e r s es t r e s so ff l u i do nt h ec a b l ei sd e d u c e di n t h i sd i s s e r t a t i o nt h r o u g h a n a l y z i n gt h er e a s o no fc a b l ef r a c t u r e t h er e a s o nw h yt h ec a b l ei sm o r ee a s i l yf l a c t u r e da s d e p r e s s u r i z a t i o na tm a n u a lw a f e rv a l v et h a na tb e a nm a n i f o l di sa l s of o u n do u t k e y w o r d s ：w e l lt e s t i n g ，s a f e t ye v a l u a t i o n ，d e e pw e l l ，h i g ho u t p u t ，h y d r o g e ns u l f i d e t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 主要符号表 主要符号表 e 一磨损功 v 一磨损体积 玎一磨损效率 f 一套管与钻杆接头滑动摩擦系数( 无量纲) 珊一转速； 矽一套管、管子直径 ”? 一质量 f 一时间； p 一压力： r 一温度； z 一压缩系数； e 一自然对数( e = 2 7 1 8 ) 。 e r 一冲蚀率 “一粘度 一冲蚀失重量 f 一作用力 “一流体流动速度 p 一密度 w 一产砂率 m 一动量 v i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 盘竖日期：卫“函 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名 导师签名 盘监 嘎渗啤 日期：丝6 ，6 坦 日期：z 垒生：生：翌 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题提出 对高温高压高产高酸性深井测试而言，高温、高压、高产、高酸性的复杂特点，给 测试作业带来许多新的问题。近年来，高温高压高产高酸性深井测试中，经常发生井下 管柱、地下、地面设备损坏( 如管柱刺漏、测试电缆断裂) 的情况，有时还会出现测试 工作人员和周围居民中毒( 特别是罗家1 6 井的井喷事故) 的恶性事故，这样既影响了 测试作业也给油田的正常生产带来不便。总结原因主要有以下几个方面：一是由于施工 前井筒评价不够完善、准确；二是由于井下酸性气体( 主要是硫化氢和二氧化碳) 的腐 蚀性，即使h 2 s 、c 0 2 含量不太高，其分压也普遍超过了最低腐蚀界限。因此，硫化氢、 二氧化碳对井下工具、井下管柱、井口设备及地面流程也会造成很严重的腐蚀；三是由 于高产量下高速流体对管壁的冲蚀；四是由于高速流体的速度变化而产生的横向作用力 的变化；而人员中毒现象则是由于硫化氢的剧毒性引起。为了弥补国内外在这些方面研 究的不足，对高温高压高产高酸性深井测试进行进一步的研究( 包括井下套管磨损分析、 管柱的安全性设计、地面流程设计、井内流体流动特性分析等) ，为此类油气田测试作 业提供参考依据。鉴于以上考虑，提出了“高温高压高产高酸性深井测试技术研究”课 题。 高温高压高产高酸性深井测试技术研究涉及的内容很多，主要研究内容包括：高温 高压高产高酸性深井测试中的井筒评价、材料选取、井下测试管柱组合、地面流程安全 性设计、井口最高关井压力、温度预测、井下管柱和地面设备的冲蚀研究、井内流体的 作用力分析等。通过对以上内容的研究，可以及时地发现问题、分析问题、解决问题， 从而确保测试作业顺利进行。 通过与现场实际进行结合，我们发现井筒评价涉及的因素很多，而套管磨损程度分 析又是其中的首要内容，我们应用“效率一磨损”模型进行了理论上计算，但是它的结 果还需用实验来进行验证。为此，本文着重对测试过程中井内套管的磨损程度进行理论 和实验研究；对高温高压高产高酸性( 主要是h 2 s ) 深井测试中地面流程安全性设计、 关井最高井口压力、和井口温度进行预测，对井内流体对管件的冲蚀进行研究；同时对 测试中不同情况下井内电缆的断裂原因进行分析讨论。在此基础上对测试作业提出指导 性意见，以便降低测试风险，确保测试安全。 1 2 国内外研究现状 目前国内外对高温高压高产高酸性深井的测试都进行不同层次的研究，但是，由于 各个油田的情况不同，所以侧重点也有所不同。然而，我们仍可以从中得到一些启发。 1 2 1 套管磨损程度实验研究 文”1 概述了近年来深井、超深井套管磨损机理及预测技术的研究动态，讨论了套管 西安石油大学硕士学位论文 磨损主导机理及其影响因素的几种观点，重点分析了磨损效率模型的特点，明确了深井、 超深井套管磨损研究的主要发展方向。文”1 别以水基泥浆、油基泥浆清水作为润滑介质， 用实验手段分别研究了法向载荷、温度、转盘转速、摩擦副材料特性对套管磨损的影响。 文。1 介绍了套管磨损在钻井和完井中的危害和造成的井下事故情况，并对原因进行了 分析。文”1 介绍了国外套管磨损研究的进展，提出了预防磨损的新方法。文” 于旨出引起 套管柱磨损的因素很多，着重概述了钻杆柱的旋转及起下钻、井壁狗腿严重度和泥浆成 分等几种主要影响因素；指出套管磨损的主要形式是月牙型磨损，介绍了月牙型磨损对 套管的抗挤毁、抗内压强度的影响，并提出了两种磨损预测公式以及减少套管磨损的措 施。文“”在对现场回收的套管磨损试样测定后认为，大部分磨损是由钻杆旋转，而不 是钻杆往复运动造成的。文“”指出表征套管磨损速率的主要因素是钻杆柱和套管之间 的接触压力，并用磨损实验机对其进行了实验研究。文o ”介绍国外在套管磨损方面( 磨 损预测模型、预防磨损，试验研究) 研究的成果。文“3 1 详细介绍套管磨损预测技术发 展的三个阶段一初步试验及简单数学模型预测阶段、有限模拟试验及客观数学模型预测 阶段、大量模拟试验及计算机模拟预测阶段。文“们对2 4 4 5 m m 套管磨损前后进行了有 限元分析，结果表明套管的抗挤毁强度与不均匀磨损量近似呈线性关系。文“”中用硬度、 摩擦因数、侧向力、钻柱接头外径、钻速和磨损时间建立起套管磨损速度模型，建立并 推导了套管磨损面积的关系式及任意给定位置磨损套管的剩余壁厚的表达式。文“7 ”1 也对磨损机理进行了研究，并提出了预防措施。 1 2 2 高温高压高产高酸性( 主要是h ：s ) 深井测试中的安全设计 高温高压高产高酸性( 主要是h 2 s ) 深井测试中，安全设计极为重要( 尤其是气井) ， 其中包括地面流程的安全设计，而设计的依据就是要对其中的某些关键性因素进行预 测，如气井关井时井口的最高压力、温度。 a 高温高压高产气井关井最高井口压力、温度预测文”介绍了美国预测 深气井测试时的井口最高温度的经验公式。文o “州给出了预测气井关井时最高井口压力 的精确公式和近似公式。文”通过对关井后井筒压力温度变化的分析，详细研究了瞬变 过程以及达到稳定后关井最高井口压力的预测方法。文。”3 ”都分别介绍了更加准确的气 井关井最高井口压力、温度预测方法。 b 高温高压高产高酸性深井地面流程安全性设计文”2 1 以苏5 0 井( 此井为 高含硫化氢气井) 为例，对测试施工设计、测试管柱及地面流程特点进行了分析，同时 指出了保证安全施工的关键所在和施工中的注意事项。文。介绍了大港油田在国内外进 行了广泛的调研和论证，并结合现场施工，形成了套防硫化氢试油的地面流程、试油 及改造管柱。乌深1 井的现场施工操作，证明该技术系列安全可靠，能满足含硫化氢油 气井的试油及改造施工。文”也介绍了苏5 0 井在测试过程中的井下管柱，地面流程设 计情况。文。j 。3 ”也都从不同程度上介绍了测试过程中井下管柱和地面流程的一些安全保 护办法。文。”主要介绍了含硫化氢井测试过程中的地面流程设计。文o “”介绍了高温高 第一章绪论 压井的地面流程设计。书“”给出了一些塔里木油田的高温高压高产气井的地面流程安全 设计方案。 1 2 3 测试过程中地面设备的冲蚀预测与防护 文章“2 1 综述了材料内在因素和环境因素变化对冲蚀的影响，韧性材料的硎冲蚀性能 优于脆性材料，脆性材料仅在1 0 。冲蚀角以下才表现出较好的耐冲蚀性；冲蚀下的脆 性材料和塑性材料的区分不仅与材料的韧脆性有关，还与冲击粒子的动能有关。当粒子 质量发生变化时，材料的冲蚀机理随之变化；影响材料耐冲蚀磨损的重要内在因素是弹 性模量而不是硬度；各种冲蚀机理都有一定的适应性和局限性。文章”简要介绍了冲蚀 磨损问题，综述了冲蚀磨损基本规律的研究概况，提出了改善冲蚀磨损的途径。文章”4 删对液固两相流中材料的冲刷腐蚀情况进行了研究。文章“1 对冲刷腐蚀的影响因素进 行了研究。文章“”介绍了冲刷腐蚀的原理，并提出了一些防护措施。文章“9 。“中介绍了 油田上一些冲刷腐蚀破坏类型。文章。”介绍了高压、高产井为解决油管冲蚀问题和油管 尺寸优化、完井管柱、生产套管尾管结构、井口采油树、安全控制系统等设计问题的解 决方案。文章提出了对a p ir p l 4 e 中预测流体速度的改进公式，并提出了在弯头处 的冲蚀模型。文章 5 5 】分析了弯头的冲蚀问题并给出了预测方法和预防措施。 1 2 4 井下电缆断裂原因分析 书”1 中从流体力学的角度出发，分析了由于流体速度变化而引起的动量变化，会在 其方向上产生作用力。 1 3 本文主要研究工作 如上所述，高温高压高产高酸性( 主要是h z s ) 深井测试涉及的内容很多，本文根 据国内外研究现状、现场实际和现有条件，将着重研究以下几个方面的内容。 1 3 1 套管磨损效率理论和实验研究 本文将利用套管磨损程度软件对塔里木油田迪那1 0 2 井的套管磨损程度进行理论分 析，并根据塔里木油田常用套管的材料型号、泥浆类型，对其在测试过程中的磨损程度 进行实验研究，得出不同转速和压力下的磨损量，并根据“效率一磨损”模型计算出磨 损效率，以验证理论计算结果。 1 3 2 高温高压高产高酸性( 主要是h 。s ) 深井测试中的安全设计 本文根据国内外在高温高压井测试过程中对关井最高井口压力、温度的预测方法， 编制出关井最高井口压力、温度预测软件。借鉴国内相关油田在测试过程中的地面流程 安全性设计方案，提出适用性更强的、安全性更好的地面流程设计方案。 1 3 3 测试过程中地面设备的冲蚀预测与防护 本文分析了油田地面设备的主要冲蚀破坏形式，冲蚀机理、影响因素，分析了圆管 内流体的流动模型，给出了流体中颗粒冲蚀的预测模型，编制了冲蚀预测程序，并提出 了一些预防冲蚀措施。 西安石油大学硕士学位论文 1 3 4 井下电缆断裂情况分析 本文对塔里木油田在测试过程中，如果在油嘴管汇处进行降压，几乎没有发生电缆 断裂。但是，如果在手动平板阀处进行降压，电缆却比较容易断裂。这一情况进行了分 析，找出了电缆容易发生断裂的原因。 第二章套管磨损程度实验研究 第二章套管磨损程度研究 2 1 引言 井筒是诱导油流的主要通道，是下入测试工具的唯一空间，测试方案( 方式) 、试 油替浆密度、环空平衡压力、封隔器型式、坐封位置、坐封载荷、井下工具、井下管柱 组合等必须根据现有井筒状况来选择。钻井交试油的井，井筒状况已经是既成事实，试 油工作只有将就事实，在确保井筒安全的前提下完成试油任务。套管是井筒的主要部分， 井下套管的工作条件极为苛刻，深井、超深井作业、复杂的地应力作用、岩层腐蚀性介 质的作用：较大井斜等诸多因素使得套管毁损问题时有发生。其中套管磨损尤为突出， 已经成为导致井下事故多、测试周期长、测试成本居高不下的重要原因。测试过程中， 套管的磨损一方面可直接导致套管壁厚减薄、强度降低，在井控及中途测试时，将造成 严重后果，要么冒套管破裂、地面窜气的风险，要么提前下套管或下套管后再测试；一 方面，套管柱在复杂地层应力作用下易于发生变形或破损，造成井下作业发生卡堵，或 使进一步的测试工艺复杂化，大幅度增加了测试成本，严重情况下还可能导致整口井报 废，带来巨大的经济损失；另一方面，发生过磨损的套管井即使成功地通过回接油管进 入采油生产，也一样会成为采油过程中井下事故的隐患。国内外均有大量的例子，我国 典型的技术套管的磨损的油井如表2 - 1 所示。目前，我国正大力发展和提高套管磨损预 测和套管柱设计水平，对于减少套管磨损及其井下失效事故，节省套管成本和补救、回 接等作业费用，延长油气井使用寿命具有重大的经济效益和技术价值。解决套管磨损问 题是是我国油气田工程面临的一项紧迫任务。 不言而喻，研究复杂测试工况条件下套管磨损的机理是解决这一问题的基础。只有 认清在测试过程中套管磨损的发生、发展机理，才能从问题的源头上采取措施有效地防 止或降低磨损；只有在明确套管磨损的主要形式的基础上，才能有针对性地从摩擦元件 的结构、材料及表面改进方法、钻井液抗磨添加剂和钻井工艺等方面采取措施，减少套 管磨损。另一方面，以套管磨损机理分析为基础，对套管磨损程度及剩余强度所作的研 究，有助于在测试设计前，合理地评价不同井身结构、钻具组合、泥浆程序、钻进程序 等方案对套管磨损的影响，有针对性地采取防磨减磨设计，减少测试过程中事故的发生； 有助于在测试阶段，针对预测结果，及时调整测试工艺，采取措施，有效地减少套管磨 损带来的损失。 西安石油大学硕士学位论文 表2 1 我国典型的技术套管的磨损实例 井名磨损情况描述 圣科1 井套管磨损破裂后从井里返出1 米多长的条带碎片 英科1 井2 4 4 5 r a m 技术套管6 0 0 一7 0 0 m 处因长期磨损而破裂，采用挤水泥补救 克参1 井 17 7 8 r a m 套管在3 0 3 38 m 处磨穿并变形，多次挤水泥才补救成功 崖城1 3 1 3 井3 9 9 7 m m 套管磨损相当严重，套管最薄处仅有3 2 m 2 4 4 5 r a ms m l l 0 t t 套管多处严重磨损，在试油中用清水替换管内泥浆而造 阳霞1 井 成套管挤毁 由于技术套管磨损，高压气体使油层套管破裂，进而使技术套管破裂，导致 新8 5 1 井 井口冒气 在三开过程中多次出现钻井液中夹带大量磨屑的现象，同时有l 圭达2 0 0 0 m 的 东秋8 井钻柱发生严重偏磨，工具接头直径由1 6 8 m m 减至1 5 2 m m ，表明其技术套管 的磨损也很严重 柯深1 0 1 井 测井成像发现8 9 0 - - 3 8 5 0 m ，套管多处磨损严重 2 4 4 5 m m 套管在0 2 0 0 米起出套管内纵向有月牙形凹槽，经工程测量9 5 却勒l 井 一 s m 磨损严重，最薄壁5 r a m 迪那1 1 井2 4 4 5 m m 套管在2 2 5 9 - - 2 9 9 3 m 井段破裂 2 4 4 5 m m 套管在2 4 0 8 - - 2 4 1 8 m 处破裂，测井成像为2 4 0 6 - - 2 4 1 2 m 套管有纵 迪那2 井 向裂缝，后经4 次水泥浆堵漏 迪那2 0 2 井1 7 7 ，8 m m 套管在井口偏磨，壁厚由原来的1 2 6 m m 降到1 0 o m m 2 4 4 5 m m 套管沿轴向裂开长0 6 5 m 的裂缝，其最薄处仅3 r a m ，原因是井口 七里2 8 井钻具不断地偏磨井口套管，使其壁厚变薄，抗内压强度大为降低，在试压 2 0 m p a 的情况下挤裂套管 渡1 井在井深3 2 4 9 4 2 m 处套管发生了变形 曹妃甸卜2 - 1发生3 次套管磨穿现象 井 渤中1 3 一卜2 井发生3 次套管磨穿现象 6 第二章套管磨损程度实验研究 2 2 套管磨损机理分析 2 2 1 套管磨损发生发展的一般过程 磨损是摩擦物间接触表面由于发生相对运动，在接触应力下，表面发生损伤导致材 料流失的过程。套管磨损发生的一个先决条件是套管与钻杆工具接头之间相互接触并产 生摩擦作用。根据钻杆与套管的复杂受力情况以及钻杆的复杂运动形式来看，套管与钻 杆接头之间的接触与摩擦作用通常发生在如下几种情况： ( 1 ) 存在井斜或狗腿度； ( 2 ) 钻杆发生弯曲变形而与套管表面接触； ( 3 ) 钻杆发生公转与套管表面发生碰摩； ( 4 ) 钻杆产生横向振动，与套管表面发生周期性碰摩； ( 5 ) 套管发生变形。 情况井斜钻杆弯曲公转横向振动套管变形 损伤特性 套管偏磨 接头偏磨接头偏磨钻杆套管偏磨套管偏磨 图2 - i 发生套管和钻杆接触与摩擦作用的几种情况 在上述几种情况下，套管与钻杆接头表面的反复接触与摩擦过程，产生两表面问微 凸体的复杂作用，导致表面层在材料的组织结构、形貌、机械性能、表面膜、温度场及 成分等方面发生一系列的变化，这些变化使得套管与钻杆接头表面材料的性质相对本体 材料有了显著的不同，在进一步的载荷作用下，或者通过表层材料的微观断裂，或者以 微切削的形式，或者通过粘着与剪切作用，或以表面腐蚀的方式，使表层发生破坏，导 致表面材料损失，即成为磨损。但是，并非所有的接触摩擦过程都会产生显著的磨损， 磨损程度的大小，取决于摩擦表面的相互作用状况、表层结构和实际的表面层破坏机理 等多种复杂因素。一般来讲，如果初期的磨损，使得接触表面相互适应，摩擦功耗趋向 最低，在正常工况下进一步的磨损趋向稳定；然而，如果磨损过程使摩擦表面严重粗化， 表面工况更加复杂，则进一步的磨损会加剧。由于在上述几种情况下往往会导致套管与 钻杆接头偏磨，使钻杆的非正常运动加剧，钻杆与套管的载荷作用更加不均衡，磨损会 进一步加剧；因此，套管的摩擦磨损通常都是非f 常的磨损。 西安石油大学硕士学位论文 2 2 2 套管磨损机理分析 从套管与钻杆工具接头之间的相互作用以及工作环境条件来看，油气井套管可能存 在的主要磨损机理有磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损和冲蚀磨损。这几种形 式在许多情况下完全可能同时存在，当套管与钻杆接头表面不能被润滑剂有效分开且存 在研磨机制时，粘着磨损和磨粒磨损占主导地位；当接触表面受到复杂的交变或脉动应 力作用，局部达到接触疲劳极限并发生材料剥落时，接触疲劳磨损的地位便会十分突出； 而钻井液中腐蚀性介质在强烈的摩擦作用过程中，对摩擦表面产生交替腐蚀时，腐蚀磨 损的地位便不容忽视。 a 磨粒磨损 套管的磨粒磨损存在两体磨料磨损和三体磨粒磨损两种表现形式： 套管局部 接头局部表面硬质凸点 ( 1 ) 二体磨粒磨损 ( 2 ) 三体磨粒瘩损 图2 - 2 磨粒磨损的两种形式 ( 1 ) 两体磨粒磨损 所谓两体磨粒磨损是指仅由两个摩擦元件参与的微切削性质的磨粒磨损。这种磨 损通常发生在两个摩擦元件表面或局部表面存在明显硬度差别的情况下，当一个摩擦元 件表面较硬而锋利的微凸体峰在法向正压力作用下与另一个摩擦元件的软表面接触时， 很容易刺入软表面，并在两表面的相对运动中对软表面材料产生犁沟作用，进行微切削； 被切削部分材料脱离原表面；成为切削( 磨粒) 即导致另一摩擦元件表面上的材料损失。 对于钻杆接头一套管摩擦副而言，当钻杆接头敷焊硬度较高的耐磨材料或者存在较硬的 局部质点时，硬度相对较低的套管表面很容易在相互接触过程中受到微切削作用而发生 磨损。在较高的钻杆侧压力作用下，这种两体磨粒磨损发生的几率会很高，当接头的焊 接表面较为粗糙时，磨损会更加严重。一般情况下，两体磨粒磨损形成的磨损产物为尺 寸较宽、偏短的切削磨粒。 ( 2 ) 三体磨粒磨损 三体磨粒磨损是指由两个摩擦元件以及夹杂在这两个摩擦元件表面间的外来磨料 参与的磨粒磨损。对套管磨损系统来说，外来磨料磨粒主要来自于钻井液中的固相成分、 岩屑、钻头磨损产物和钻杆套管磨损后的形式的磨屑等。当钴杆旋转时，混入钻井液 中的这些磨粒硬颗粒的尖锐部分在法向压力的作用下压入金属材料的表面，随着钻杆的 旋转运动向前移动，在金属表面犁出沟槽，严重时使金属材料脱落。虽然磨料的犁耕作 用不一定使材料直接脱落，但可以促使形成更加严重的粘着磨损和腐蚀磨损。三体磨粒 第二章套管磨损程度实验研究 磨损所形成磨损产物通常为细而长的切削磨粒。 磨粒磨损的发生会导致摩擦表面进一步粗化，加剧粘着类磨损的发生。在实际测试 工况条件下，一旦存在套管与钻杆之间的接触摩擦，磨粒磨损的发生几乎很难避免。但 磨损的程度，与载荷、磨料的性质( 锐度、大小、硬度等) 以及套管和钻杆接头的材料 特性有着密切的关系。合理选择钻杆接头与套管材料配对及硬度匹配、使用强度较高的 套管材料或对套管表面进行强化处理，增强表面的抗切削、挤压和疲劳破坏的能力，有 助于提高套管的耐磨性。 b 粘着磨损在钻杆对套管表面作用的法向压力较大处，两摩擦表面的微凸体相 互接触，并在微凸体项部发生塑性变形，形成粘着点或结合焊点，随着两摩擦元件的相 对运动，表面滑动的剪切力作用使粘着点或焊合点与材料的基体金属发生脱落，导致表 面材料损失，形成所谓粘着磨损。不同程度的粘着造成擦伤、胶合、咬死等不同程度的 磨损。严重的粘着磨损会使套管钻杆的材料大量从表面脱落，是一种非常有害的磨损 形式，是进入严重磨损阶段重要标志。 研究表明，粘着磨损与摩擦表面的氧化膜或污染膜的厚度有很大关系，厚度越小， 表面微凸体越容易透过氧化膜形成粘着磨损。因此，在套管与钻杆接头表面形成稳定的 足够厚的保护膜，是防止粘着磨损的重要举措；选择有效强润滑作用的钻井液、采用合 理的表面结构形式( 包括合理的表面微观形貌) 和改善钻杆接头与套管间的液体或固体 润滑膜的保持能力均可提高套管的抗粘着磨损能力。 在另一方面，表面微凸体峰发生粘着焊合的倾向或者结合强度与粘着磨损程度有密 切关系，粘合点的结合强度( 亲和力) 越高，表面发生胶合与咬死的几率就愈大，粘着 磨损越严重。而粘合点的结合强度主要取决于套管与钻杆接头材料的相容性，从这个意 义上来讲，套管与钻杆接头材料的合理匹配，对于防止套管与钻杆接头发生严重粘着磨 损有着特别重要的意义，因此，当确定在钻杆接头敷焊某种耐磨材料时，必须首先考虑 该材料与套管材料的匹配性。 不言而喻，在过于粗糙的摩擦表面上，微凸体很容易穿过保护膜而发生金属材料问 的直接接触，导致粘着的发生。因此，适当控制钻杆接头与套管表面的粗糙度是非常必 要的。 c 表面接触疲劳磨损 摩擦副表面相对滚动或滑动时，周期性的载荷反复作用 的表面接触区产生很大的应力，并发生塑性变形，在表面薄弱点处引起裂纹，逐渐扩展， 最后金属断裂剥落下来，造成点蚀和剥落。这样的磨损形式称为表面接触疲劳磨损。 在钻杆接头与套管的滑动接触过程中，由于涡动、横向振动和钻杆动载荷的存在，相对 运动表面接触区通常处于循环变应力状态，完全存在发生接触疲劳磨损的条件；此外当 套管与钻杆之间的磨粒为圆钝颗粒时，金属表面材料在颗粒的反复的碾压下产生很大应 力，发生塑性变形并形成小的裂纹，钻井液高压作用下进入裂缝，接触面将裂缝封住后， 使裂缝内液体压力升高，促使裂纹向纵深方向发展。在裂纹根部强度不足时便折断成小 西安石油大学硕士学位论文 坑，形成为点蚀。接触疲劳磨损通常形成轴状磨粒和片状磨屑。 显然，表面接触区的应力分布状态对接触疲劳磨损的发生有重要意义。因此通过改 变钻杆接头的结构，降低接触表面的应力集中程度有助于防止疲劳磨损的发生；此外， 通过机械强化措施减少表面层材料缺陷，也有利于降低接触疲劳磨损发生的几率。 d 腐蚀磨损 套管与钻杆表面发生的腐蚀磨损表现为表面材料与钻井液中腐蚀 介质间的化学电化学反应与机械磨损的交替作用过程。 在钻井液中，往往混合有来自地下盐水层的盐水，并溶解有氧气、二氧化碳和硫化 氢等腐蚀性介质，这些介质易于和金属表面发生化学或电化学反应并形成疏松的表面反 应膜，而这种膜很快在进一步的表面摩擦过程中被磨除，而摩擦形成的新表面又与这些 腐蚀性介质发生反应，在此形成新的表面反应膜，这样的膜又被磨除，如此反复交替， 使摩擦表面材料逐渐减少。对于钻杆而言，他在腐蚀环境中还同时受到交变应力作用， 这种疲劳和腐蚀同时发生的腐蚀疲劳增强了疲劳的作用，也加快了腐蚀引起的磨损，容 易使钻杆表面产生疲劳裂纹，因此腐蚀磨损对套管是使其材料损失，对钻杆则引起裂纹， 危害更为严重。 提高套管与钻杆材料的耐腐蚀性，增强钻井液对腐蚀性介质的中和能力，是防止套 管表面发生腐蚀磨损的根本措施。 e 冲蚀磨损冲蚀磨损也是磨粒磨损的一种表现形式，在套管与钻杆间隙较大 处，钻井液中磨料还以一定速度向上运动，对套管壁和钻杆造成冲蚀作用。在钻井液中 大量磨粒的连续冲击下，金属表面发生塑性变形，变的凹凸不平，形成封闭型圆坑。圆 坑之间金属在多次反复变形、低周疲劳作用下被剥离下来。冲蚀磨损的发生与井筒中流 体的运动速度、磨料的入射方向、磨料的性质有很大关系。 2 3 套管磨损的主要影响因素 影响套管磨损的因素很多，可分为外部因素与内部因素。外部因素即磨损时的工作 条件，包括载荷、速度、温度、相对运动及受力状态、磨料、介质与环境因素等；内部 条件包括受磨材料的化学成分、组织和机械性能等。 2 3 1 外部因素 a 相对运动的种类和形式套管与钻杆接头之间的相对运动完全取决于钻杆 的运动状态。而在实际的井下测试工程中，钻杆的运动状态十分复杂。在正常的井下测 试过程中，存在着自转、公转( 涡动) 、纵向振动、扭转振动、横向振动等多种运动形 式；而在起下钻过程中，钻杆的主要运动形式为沿井眼轴向的滑动。钻杆的自转是一般 旋转钻井的主要运动方式，通过钻杆的自转可将能量从地面传递给钻头。钻杆在绕自身 轴线旋转的同时，由于钻杆弯曲、钻杆与井壁或套管的摩擦力作用等因素的影响，有时 会产生绕井眼轴线的公转( 涡动) 。涡动很容易导致强烈的横向振动，加速钻杆和套管 的磨损和疲劳破坏。钻杆在破碎岩石时所产生的周期性作用力、周期性位移和周期性扭 矩是诱发钻杆纵向振动、扭转振动、横向振动的主要原因，钻杆接头相对于套管的小振 1 0 第二章套管磨损程度实验研究 幅周期性振动，还可能导致套管的微动磨损( 微动腐蚀与微动疲劳) 。国外现有的研究 的表明，套管的磨损主要是在钻杆旋转滑动过程中产生的，而起下钻过程中的轴向滑动 所产生的磨损很小。 现有的摩擦学研究清楚地表明，摩擦表面间的相对运动形式对磨损的性质有着十分 重要的影响。不同的运动形式下的接触表面的应力状况、摩擦性质和润滑状况会存在显 著的区别，从而使磨损破坏的性质和程度也存在较大的差异。因此，分析钻杆接头与套 管间的相对运动状态是判断套管可能发生磨损型式的一个基本前提。表2 2 列出了在 钻杆的不同运动形式下，可能会发生的几种磨损形式。事实上，在井下测试过程中，钻 杆的几种运动形式往往同时存在，即以复合运动方式在发生作用，因此这几种磨损形式 完全可能同时发生。 表2 - 2 钻杆运动形式与套管磨损之间的关系 钻杆运动形式可能出现的套管磨损形式 旋转( 自转与公转)滑动磨损 横向振动接触疲劳磨损 小振幅周期性横向振动微动磨损( 微动腐蚀与微动疲劳) b 载荷如图2 3 所示，处在中和点以上部分的钻杆在正常情况下主要受拉力的 作用，在与套管发生接触时对套管施加压力。般认为，钻杆对套管的接触力是影响套 管磨损行为的主要载荷来源。接触力越大，套管磨损也越严重。在钻杆的复杂运动条件 下，实际套管所受的载荷呈现复杂变化；此外在地层压力作用下以及套管存在某些缺陷 发生变形的条件下，这种载荷作用将进一步加剧。 由于载荷的作用，套管与钻杆接头的接触表面发生复杂的弹性和塑性变形，在接触 及相互摩擦的过程中，摩擦表面的微凸体受到强烈的挤压和剪切作用，挤压足以使两个 微凸体发生粘焊，而粘结的微凸体由于受到进一步的剪切，当这种剪切力超过其剪切强 度时即发生微观断裂，粘结微凸体便与表面脱离；此外，表面较硬质点对软表面的微观 切削作用、表层微观裂纹在载荷作用下的扩展也会使表面部分材料发生脱离，导致磨损 的发生。应该说，载荷的存在是造成磨损发生的最直接原因。 降低和均化套管表面所承受的接触正压力是降低套管磨损的重要途径，改善井身质 量，降低狗腿度以及在钻杆上加装保护器都能得到降低和均化接触正压力的效果。 c 速度由于套管的磨损主要发生在钻杆旋转过程中，因此，在速度方面主要考 虑的是钻杆表面的线速度的影响，而不是钻杆的垂直运动速度。在井下测试过程中，钻 杆表面线速度由钻秆的转速决定；实际上，这一转速通常取决于工艺的需要，而很少考 虑对套管磨损的影响。现有的套管磨损研究也并没有得出对生产有实际指导意义的转速 和套管磨损之问的关系曲线。 速度对磨损过程的影i 】i 匈主要体现在对表面材料的变形或剪切速率、摩擦温度等方 西安石油大学硕士学位论文 面。摩擦学研究表明，在一定载荷条件下，随着摩擦表面相对滑动速度的增加，钢表面 磨损呈现复杂变化，而这一过程中磨损起主导影响因素的是温度和表面氧化膜的变化。 当滑动速度很低的情况下，主要发生氧化磨损，此时的磨损率很小；随着滑动速度的增 大，存在于表面的氧化膜破裂，金属材料直接接触，此时的主要磨损形式为粘着磨损， 磨损量显著增加；但当滑动速度增加到一定范围时，由于摩擦温度上升，有利于形成黑 色四氧化三铁氧化膜，此时的磨损又转变为氧化磨损。磨损率下降；如果滑动速度继续 增加，则再次转化为粘着磨损，磨损率急剧上升，导致磨损失效。 显然，在井下测试过程中，完全可能存在一个合理的转速范围，在该范围内，套管 的磨损率较小。很有必要通过试验研究来寻求在测试工艺允许条件下的使套管磨损最小 的合理转速范围。 拉力 工具接头 拉力 套管 图2 - - 3 套管磨损示意图 d 温度温度是在讨论套管磨损时必须考虑的一个重要因素。事实上温度对磨损 第二章套管磨损程度实验研究 的影响与载荷及速度的影响存在某种耦合关系，随着载荷及滑动速度的改变，势必引起 摩擦表面温度的升降，从而造成粘着磨损特征的明显变化。已有的摩擦学实验表明，随 着温度的上升，存在着多个温度转变点，在这些转变点，金属表面磨损出现显著的变化。 摩擦表面温升的这种效应与金属组织结构及其性能的变化及氧化膜的形成有密切关系， 在有利于氧化膜稳定存在的温度范围里，轻微的氧化磨损起主导作用，此时的磨损量较 小；而当温度的上升足以使氧化膜破裂，粘着磨损起主导作用时，磨损量有显著增加。 井下局部摩擦部位的温度过高，不但会使本已在摩擦表面形成的润滑膜失效、表面材料 的性质发生变化，导致表面金属间的直接接触而产生粘着磨损，而且对于管柱变形及保 证合适的机械强度也是不利的。因此，有效降低这些部位的温度是必要的。 通过钻井液的循环能够带走相当一部分摩擦过程产生的热量；在套管和钻杆接头表 面使用低摩阻材料也能降低摩擦温度。此外，通过在钻井液中添加合适的润滑添加剂在 套管与接头表面形成具有较高热稳定性的润滑膜，也有利于降低温度对套管磨损的影 响。 e 井内介质实际井内介质主要由钻井液和混入钻井液中的地下水、泥沙、岩屑、 金属屑等组成。钻井液的除平衡地层压力外，还可携带岩屑出井，同时对井下摩擦副( 包 括钻头) 起到冷却、清洁、润滑等作用。由于面向多种目标功能的钻井液在组成成分上 十分复杂，同时还会受到遇盐水等地层物质的影响，加之高温高压等复杂条件的作用， 实际钻井液中完全可能同时存在着抑制和加速套管磨损的两种效应，正是由于这两种效 应的同时存在，使得目前对于钻井液中不同成分对套管磨损的影响产生了许多相互矛盾 的认识。因此，有必要针对油井的实际工程条件，对钻井液中不同成分的作用借以深入 的研究和分析。 f 其它因素摩擦时间或摩擦行程是影响套管磨损的另外一个十分重要的因素。 在测试过程中遇到复杂岩层或难破碎的岩层，出现井下事故或复杂情况，都会延长套管 与钻杆接头之间的摩擦时间或摩擦行程，从而增加套管的磨损。显然，采用优化的钻具 组合、降低井下事故的发生，对于减少套管磨损都是有利的。 另外，起下钻过程中钻头对套管的切削作用虽然不是主要磨损因素，但能在套管表 面形成小的沟槽，破坏套管内壁的表面氧化膜，促使腐蚀磨损和冲蚀磨损的进一步发生。 2 3 2 内部因素 a 套管从套管的自身结构来看，影响其磨损行为包括如下几个方面： ( 1 ) 几何形状 井下套管沿井身方向的几何结构的不合理是造成套管磨损的直接原因，由于套管井 斜的存在使钻杆与套管壁直接接触，产生摩擦；狗腿度的存在是使套管在空间上的呈扭 曲状态，钻杆在经过这些扭曲之处时必然会与套管接触并产生正压力，狗腿度越大，扭 曲得越厉害，正压力越大。目前的研究表面，当狗腿度小于2 - 。l o m 时套管只与工具接 头接触，这时的正压力不大，但当狗腿度大于2 9 l o m 时，工具接头和钻杆本体均和套 西安石油大学硕士学位论文 管接触，此时的正压力较大，由此导致的摩擦磨损将显著增加。此外，套管沿圆周的尺 寸变形，也会加大钻杆与套管表面之间的摩擦几率，导致磨损的发生。 保证井身质量，降低井斜与狗腿度是减少套管磨损的条根本途径。 ( 2 ) 套管材料 现有的套管磨损研究表明，不同材料的套管，其耐磨性存在着明显的区别。通过实 验证实，在相似条件下，p 一1 1 0 套管比n _ 8 0 套管磨损速率高，而n 8 0 套管比k 5 5 套 管磨损速率高，即高强度套管的磨损速率较高。显然，这种结论是在现有套管制造条件 下得出的。这种状况使得各油田的套管材料选择上产生了矛盾，一方面，井下复杂的地 层条件要求使用高强度套管，而另一方面，居高不下的磨损问题又要求尽可能采用高耐 磨性的套管材料。 ( 3 ) 套管内表面形貌 摩擦研究表明，粗糙表面通常具有较高的磨损率；而具有特定纹理的表面形貌，有 利于在摩擦表面形成较稳定的润滑膜，从而降低磨损。但对套管而言，如果在现有条件