（材料加工工程专业论文）套管磨损影响因素和磨损机理研究.pdf

中文摘要 翥士兰懈銎嚣韵习鱼硕士生：肖国章( 签名)! 墨：型刍 指导教师：赵国仙( 签名) 生q 监 摘要 随着深井、超深井、大位移井及水平井钻井技术的发展，因钻井时间延长、钻杆作 用在套管上的侧向力增高等因素，使套管和钻柱的磨损问题越来越突出。套管磨损轻则 降低套管柱的抗挤毁、爆破强度，影响随后的钻井、完井及采油作业质量和安全性；重 则造成套管柱挤毁、变形及泄漏，甚至全井报废。 本文在对塔里木油田几口套管磨损井调研的基础上，建立了套管磨损模型，并采用 m a 眦r 全尺寸套管磨损试验机对影响套管磨损的主要因素及磨损机理进行了系统地 研究。试验表明：侧向力是造成套管磨损的重要因素，随着侧向力的增加，套管磨损量、 磨损系数、摩擦系数都增加；钢接头对套管的磨损严重，且在表面产生了热裂纹；w c 接头对套管的磨损主要为切削磨损，套管磨损比较严重；国内外几种新型耐磨带对套管 的防磨效果相当；橡胶保护器八小时试验对套管的磨损一般为l 一3 之间，减磨效果 达到8 0 左右，且螺旋式比直式防磨效果要好，但套管表面状态对橡胶保护器的磨损量 影响很大；重晶石和铁矿粉以2 ：1 和1 ：1 比例加重能使套管磨损减小到最小；在非加 重泥浆中尤其是清水中，加入减磨剂对减小套管磨损具有明显的作用，而在加重泥浆中 减磨效果不明显。 关键词：套管磨损；磨损机理；影响因素；侧向力；加重剂 论文类型：应用基础研究 i i 英文摘要 s n b j e e t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： s t u d y0 1 1w e a rm e c h a n i s m sa n da f f e c t i n gf a c t o r so fc a s i n gw e a r a b s w a c t a st h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to fd r i l l i n gd e e pw e l l s ，s u p e r - d e e pw e l l s ，e x t e n d e d - r e a c h w e l l sa n dh o r i z o n t a lw e l l s ，d r i l l i n gt i m ep r o l o n g s ，l a t e r a lf o r c eb e t w e e nc a s i n ga n dd r i l ls t r i n g i n c r e a s e s ，t h ew e a rb e t w e e nc a s i n ga n dd r i l ls t r i n gb e c o m e sm o r eo b v i o u s l i g h t l y , i tc a l l d e c r e a s eb u r s ta n dc o l l a p s es t r e n g t ho fc a s i n gs t r i n g s ，a f f e c t i n gt h eq u a l i t ya n ds a f e t yo f d r i l l i n g ，w e l lc o m p l e t i o n p r o d u c t i o n s e r i o u s l y , i tc a nc a u s ec o l l a p s e ，d e f o r m a t i o na n dl e a k o f c a s i n gs t r i n g s ，e v e nm a k et h ew e l ld i s c a r d i nt h ep a p e r , t h em o d e lo f c a s i n gw e a ri sf o u n d e da n dt h ef a c t o r so fa f f e c t i n gc a s i n g w e a ra n dw e a rm e c h a n i s m sa r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y , u s i n gm a u r e rf u l ls c a l ec a s i n gw e a r m a c h i n e n ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a t ，l a t e r a lf o r c ei st h em a i nf a c t o ro f c a s i n gw e a r w i l t h ei n c r e a s i n go fl a t e r a lf o r c e ，c a s i n gw e a r , w e a rf a c t o r sa n df r i c t i o nf a c t o rr i s e s t e e lt o o l j o i n tb r i n g ss e r i o u s l yw e a rt oc a s i n g ，a n dm i c r o c r a c ko nt h es u r f a c ec a nb ef o u n d 1 1 1 ew e a r m e c h a n i s mo ft u n g s t e nc a r b i d et o o lj o i n tt oc a s i n gi sm a c h i n i n gw e a r , w h i c hr e s u l t sm o s t s e r i o u s l yw e a r t oc a s i n g 1 1 尬n e wh a r d - b a n d i n g sf r o mn a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a la r et h es a m e a n dg o o dt oc a s i n g n 地w e a ro fc a s i n gi sa b o u t2 t o3 a f t e r8h o u r se x p e r i m e n t 、) i r i t l l m b b e rp r o t e c t o r s ，t h ep r o t e c t i o nt oc a s i n gi so b v i o u sw h i c hc a nd e c r e a s e8 0 w e a ro fc a s i n g ， a n ds p i r a lp r o t e c t o ri sb e t t e rt h a ns t r a i g h tp r o t e c t o r ，b u tt h es u r f a c eo fc a s i n ga f f e c t st h ew e a r o fp r o t e c t o r , am i x t u r eo fb a r i t ea n di r o no x i d ep o w d e r si nas p e c i f i e dr a t i o nw h i c hi s2t o l a n d1t 01c a nm a k et h e 嘲l o w e r i nu n - w e i g h t e dm u de s p e c i a l l yi l lw a t e r , t h ep r o t e c t i o n e f f e c t t oc a s i n go fl o wf r i c t i o nc o m p o u n di so b v i o u s ，b u ti i lw e i g h t e dm u di ti su n o b v i o u s k e y w o r d s ：c a s i n gw e a r , w e a rm e c h a n i s m ，a f f e c t i n gf a c t o r ；l a t e r a lf o r c e ，h e a v yl o a d e r t h e s i s ：a p p l i c a t i o na n df u n d a m e n ts t u d y 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。 论文储虢盟吼递矿 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，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。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：皿 日期：丝2 墨堑互， 日期：童堕： 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 1 1 套管磨损的定义 第一章绪论 在钻井过程中，由于井斜、钻杆弯曲、地质等因素，造成钻杆与套管接触，钻杆在 旋转过程中与套管产生摩擦，造成套管的磨损，这称为套管磨损。 套管磨损是一种复杂的磨损，有很多影响因素。套管磨损主要产生于钻杆钻杆接 头对套管壁的相对转动过程中，而钻杆的起下钻过程引起的往复磨损相对要小的多。在 狗腿度严重处，钻杆与套管之间接触力较大，易引起大的磨损，较大狗腿度是导致套管 磨损加剧的重要原因。实际上，钻杆的运动状态非常复杂，在正常钻井过程中，有自转、 公转( 涡动) 、纵向振动、扭转振动、横向振动等运动方式。电缆等也会对套管造成磨 损，钻杆接头与套管接触表面的复杂相对运动和受力状况以及表面间介质的相互作用， 决定了套管在磨损型式上的多样性。将套管磨损简单化，建立了套管磨损模型，如图 1 1 和图1 2 【1 1 。此种套管磨损定义由于忽略了一些难以使套管磨损模型化的因素，只涵 盖了套管磨损的主要原因，钻杆接头对套管的磨损占到了套管磨损的8 5 ，抓住了套管 磨损的主要因素，使套管磨损容易模型化。此种套管磨损的定义是美国d e a 4 2 项目1 2 1 中提出的套管磨损模型，是美国及全球石油行业中都承认的比较权威的套管磨损模型。 以下全尺寸磨损试验就是按照此磨损模型进行的，全尺寸磨损机就是利用m a u r e r 公 司在d e a - 4 2 项目中的试验机。 i l 1 匕l 拉力 图1 - 1 钻杆接头受力示意图图1 - 2 钻杆接头与套管磨损截面示意图 1 2 套管磨损的国内外研究进展 国外从二十世纪七十年代开始较系统地研究套管磨损问题，其最初思路是利用实验 室小型试验机，如a p ib a r i o d 试验机、f a l e x 试验机和t n o 试验机 3 1 ，研究模拟实际工 况下的套管磨损。这些实验方法较简单，考虑因素较少，一般是考察了浸在钻井液中的 钢与钢的摩擦与磨损情况，而与实际钻井条件下的磨损工况存在较大差异。为此，研究 西安石油大学硕士学位论文 人员开始使用全尺寸试验机尽可能模仿套管实际工作条件来进行试验研究，详细考察与 套管接触部件的运动形式、套管结构、材料、受力条件以及钻井液类型等因素对套管 磨损的影响；利用有限元方法分析磨损对套管接头泄漏、抗挤毁强度和抗爆强度的影响； 同时，以已有的磨损理论为指导，研究降低套管放磨的措施和现场套管磨损检测方法。 1 2 1 套管磨损机理研究进展 b r a d l e y 和f o n t e n o t h i 早在1 9 7 5 年便考察了钻杆等部件的主要运动形式及其对套管 磨损的影响，认为套管磨损主要产生于钻杆s e 具接头对套管壁的相对转动过程中。他 们的工作还表明，在狗腿度严重处，钻杆与套管之间接触力较大，易引起大的磨损，较 大狗腿度是导致套管磨损加剧的重要原因。实际上，钻杆的运动状态非常复杂，在正常 钻井过程中，有自转、公转( 涡动) 、纵向振动、扭转振动、横向振动等运动方式。钻 杆的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。钻头在破碎 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 动和横向振动的主要原因。显然，钻杆接头与套管接触表面的复杂相对运动、作用力状 况以及表面间介质的相互作用，决定了套管在磨损形式上的多样性。b e s t b 【5 】等人的试 验研究结果表明，钻井工具接头与套管之间磨损的主要型式为粘着磨损、切削磨损和磨 蚀磨损。其中，粘着磨损体现为钻具接头与套管内表面金属直接接触，发生局部微凸体 峰粘焊、撕裂引起的表面材料损失或转移；切削磨损则由工具接头表面硬质点或岩石碎 粒对套管软表面的微切削作用引起；磨蚀磨损则表现金属磨损与来自地层( 如盐膏层、 高压盐水层) 中腐蚀性介质的腐蚀交互作用。 钻井液是套管与钻杆工具接头接触表面间的主要介质。对于钻井液在套管摩擦磨损 过程中所起的作用，欧美及俄罗斯的研究人员开展过一系列的研究。b e s t 和b o l t 6 】等人 的研究结果证实，加重泥浆中的固相物质、重晶石以及岩屑中不产生研磨作用的颗粒等， 可将工具接头和套管表面隔开，有效减少套管的磨损。但对未加重钻井液中泥砂的作用， 还存在着认识上的分歧。未加重钻井液中泥砂的存在将使粘着磨损加重，并存在某种正 比关系。但是，j e w h i t e 等【3 】通过试验考察了含砂量为0 5 到2 的泥浆对套管磨损的 影响，认为套管与钻杆接头之间间隙太小，泥砂不能进入摩擦面，因而套管磨损对泥浆 含砂量是不敏感的。对于不同泥浆类型对套管磨损的影响，j p w h i t e 等人【3 j 通过试验和 实际测量发现，油基泥浆能在减少摩擦的同时增大磨损，然而，他们对此未能作出理论 上的解释。另一方面，r u s s e l l t7 】等人的实验研究却表明，油基泥浆能大幅度地降低套管 磨损。显然，人们对钻井液在套管磨损过程中所起的作用已经予以了足够的重视，但尚 未得到令人满意的研究结论，现有的一些研究结果还存在着较大分歧。 在有关套管磨损的力学分析上，目前国外研究最多的是钻具接头在狗腿处对套管施 加的侧向正压力。w i l l i a m s o n t 8 j 认为工具接头与套管之间的接触压力是影响套管磨损的 2 第一章绪论 关键因素，而且套管的磨损率是接触压力的二次函数。j p w h i t e 和d a w s o n t 3 1 贝l j 认为磨 损量与侧向力成正比，并提出套管的磨损量与旋转钻杆接头传递给套管的摩擦能量成正 比，即所谓“磨损效率模型”，为实验室数据分析和现场套管磨损预测提供了重要理论依 据。 近两年国内也进口和研发了全尺寸套管磨损试验设备，以研究套管的磨损。西安摩 尔石油工程实验室 9 h j i 进了美国摩尔公司的全尺寸套管磨损试验机，此试验机为国外研 究套管磨损较多的试验设备，可以试验得到各种复合磨损条件下的磨损参数以输入 c w e a r 软件以预测套管的磨损程度，同时该试验机可以评价钻杆耐磨带的耐磨性、套 管的耐磨性、泥浆加重剂和泥浆润滑剂对套管磨损的影响等；燕山大学的李子丰教授【l o l 研制出了m z m 一5 0 0 型油井钻杆套管摩擦磨损试验机，通过选择钻杆、套管、钻井液、 温度等参数的不同组合对钻杆外壁沿套管内壁的摩擦旋转进行了有效模拟，该机能够实 时显示正压力、摩擦因数、磨损量、温度等试验数据。中国石油大学的张来斌等【l l 】研制 一种石油钻井杆管摩擦磨损试验机，该试验机可以实现钻井杆管“冲击滑动”复合磨损 行为的模拟，并可对多个参数进行在线测量，通过使用振动位移传感器，测取钻杆试样 振动幅值的变化，从而可以在线获得综合磨损量的变化。 石油大学( 北京) 的樊建春、余磊等【1 2 。1 6 】对通过磨屑分析预测套管磨损机理、进 行磨损预测等做了较多的研究。西南石油大学林远华等【l 1 8 】也对套管磨损机理等进行 了初步的研究。西安石油管材所林凯等【1 9 】利用改进的m l1 0 0 型试验机，分析对比几 种泥浆加重剂的减磨性能，认为通过在钻井液中加入活性减磨加重剂可改善钻井液的润 滑性能，有效降低套管与钻柱的磨损。石油大学( 北京) 余磊等 2 0 1 利用m g 2 0 0 型高温 高速摩擦磨损试验机对比考察了钻井液中重晶石和铁矿粉对套管和钻杆试件摩擦学性 能的影响，结果表明，钻井液中的重晶石使得套管钻杆磨损机理由严重塑性流动转变 为磨粒磨损。随着钻井液中铁矿粉含量的增大，磨损机理由磨粒磨损转变为粘着磨损和 疲劳磨损当铁矿粉含量较低时，采用较高的转速更有利于减小摩擦。西安石油大学窦益 华老师【2 l l ，在2 o g c m 3 和1 8 9 e m 3 两种高密度钻井液中，进行了s 1 3 5 钻杆p l l o 套管 试件摩擦副摩擦磨损实验，考察了套管磨损速度和磨损效率与接触压力、转速之间的关 系。这些磨损机理大都以摩尔公司的套管磨损机理为机理。摩尔实验室韩勇瞄】采用有限 元法研究了不同载荷下接头与套管之间接触压力的分布规律，并建立了最大接触压力与 磨损量的数学模型，对钻杆接头摩擦热裂问题进行了深入的理论分析和试验研究，阐明 了钻杆接头热裂失效的机理和过程，提出了减少或防止接头热裂失效的措施，采用有限 元分析、实物试验及实验应变测量方法，研究了套管产生不均匀磨损时的挤毁失效机理 及其对套管挤毁性能的影响，确定了均匀磨损和不均匀磨损对套管挤毁性能的计算方 法，研究结果可直接用于套管柱强度设计和校核中。对耐磨减摩合金的工作原理进行了 研究，提出了新型耐磨减摩合金的筛选要以“平衡磨损设计”概念和“稳定性”原则为依 据。 西安石油大学硕士学位论文 1 2 2 磨损对套管使用性能的影响研究进展 b r a d l e y l 2 3 】研究套管爆破压力的变化与壁厚、套管直径、材料强度、缺陷长度和类 型的关系，预测了磨损套管柱的爆破失效。研究结果表明：( 1 ) 对于d t 在1 2 ：1 2 4 ： 1 范围的套管，将磨损剩余壁厚( w ) 代入厚壁压力容器应力公式和非均匀圆筒体公式 进行计算后得到的爆破压力接近，爆破压力与w t 基本成线性正比关系。这也与两个公 式均使用最大剪应力失效判据有关。( 2 ) a p i 内压设计在失效概率变大之前，可容限较 大的套管磨损。s o n g 2 4 】等人建立了月牙形磨损的极坐标复杂公式，用均匀管自然对数 破裂公式、有裂纹厚壁圆简体公式和极坐标公式计算了套管内压破裂强度。并通过 2 4 4 5 m m q l 2 5 套管的爆破试验对比了3 种公式的计算结果，说明了极坐标复杂公式具 有较高的精度，可用来评价已磨损套管柱的真实安全性。 k u r i y a m a l 2 5 等用实物试验和有限元分析( f e a ) 研究了磨损对套管挤毁强度的影响。 试验样品为1 3 9 7 m m 的n 8 0 钢级、1 7 7 8 m m 的n 8 0 和t p l l 0 钢级的套管，壁厚磨损 深度分别为2 0 、2 5 、3 0 、3 5 、4 0 和4 5 。研究结论表明：( 1 ) 套管挤毁强度 随着磨损深度的增加而减少，壁厚磨损比与挤毁强度的下降有很强的相关性。( 2 ) 用 a p i 理想管弹性挤毁公式和屈服压力公式计算的结果与试验数据有较大的偏差，尤其是 屈服压力公式计算值普遍较高。( 3 ) 用m a r c 程序进行的有限元分析结果与试验值吻 合较好。o t s 公司发现s o n g 2 6 】等人建立的月牙形磨损的极坐标公式与一些试验结果符 合性强，已为c w e a r 程序采纳。 b r a d l e y 2 3 】采用经典力学推导的a p i8 r 套管接头内压泄漏公式和外压泄漏公式研究 了磨损接头的泄漏问题。分析认为，套管的破裂抗力是决定接头内压泄漏抗力的主导因 素。接头的外压泄漏抗力与接头内径有关，随着磨损量的增加，外压泄漏抗力直线下降。 虽然外压泄漏抗力大于未磨损套管的挤毁值，但需要进一步研究磨损接头的外压泄漏抗 力是否低于已磨损套管的挤毁压力。t s u r u 【2 7 】等人用实物模拟试验研究了水平井载荷条 件下不同类型接头的性能。试样选用1 7 7 8 m m 的l 8 0 套管，接头类型为特殊螺纹( p j ) 、 a p i8 rl t c ，磨损深度分别为2 m m 和4 m m 。试验结果表明，( 1 ) 在4 0 0 3 0 m 弯曲度下， 拉伸失效载荷随着磨损深度的增加降低，如磨损深度为4 m m 时，p j 接头下降4 ，l t c 接头下降1 4 。所以，a p il t c 接头不适用于水平井。( 2 ) 在0 0 、2 0 0 、4 0 0 3 0 m 弯曲度 下气体密封试验结果表明，泄漏与2 m m 的磨损深度无关，只与接头类型有关。p j 接头 无泄漏，l t c 接头部分泄漏。 国内对套管磨损的研究起步较慢，但对套管磨损引起的严重后果目前已有清楚的认 识，有关科研院所结合油井实际状况先后对套管磨损进行了调查和分析。西安石油管材 研究所高智海【2 s 1 曾研究了套管磨损对套管抗挤性能和抗内压性能的影响，认为在最小剩 余壁厚相同的条件下，均匀磨损比局部磨损对套管抗挤强度的降低程度要严重得多，即 月牙形局部磨损不是最危险的磨损形式。黄伟和【2 9 】通过对y k i 井的技术套管磨损情况 4 第一章绪论 进行力学分析，认为井身质量、钻柱拉力与侧向力、钻井时间、钻井液密度等是影响套 管磨损的主要因素，并计算了套管磨损量。高连新【3 0 1 等人对2 4 4 5 m m 套管在磨损前后 的性能进行了有限元分析，结果表明套管的抗挤毁强度与不均匀磨损量近似成线形关 系。覃成锦【3 l 】等人以1 2 7 m m 外径( 壁厚1 2 7 r a m ) t p l l 0 套管为对象，取3 0 , - 4 4 m m 缺 陷半径和3 5 1 m m 深度，进行了缺陷尺寸对套管挤毁强度影响的有限元分析。结果说明： ( 1 ) 计算得到的套管磨损后剩余挤毁强度比a p ib u l5 c 2 小，随磨损缺陷深度的增加 和半径减少而降低。( 2 ) 当缺陷在轴向长度增加时，挤毁强度下降。当大于1 5 0 r a m 时 下降趋于最小值7 6 。 1 2 3 套管防磨减磨技术研究进展 w i l l i a m s o n 和b o l t o n 3 2 j 研究了不同状态碳化钨耐磨带对套管磨损的影响，结果表明 光滑的、打磨平整的碳化钨硬化带既保护接头也减少了对套管的磨损，但是在较大的接 触力下套管磨损依然不能满足容限范围。为此，开发出新型金属耐磨带，该耐磨带可减 少套管磨损5 3 7 3 。这些专利产品有触m 执c o r - m 、触c 0 2 0 0 x t 和1 0 0 x t 、 n c h r o m e 、x m e t a l 7 0 0 0 、w o r k a 3 0 0 0 、w o r k a 6 0 0 1 等。m a r x l 3 3 1 等人在 2 4 4 5 m m c 9 0 套管和1 3 9 7 m m 钻杆组合、1 6 0 转分钟和4 4 8 k n 接触力下，对8 种新型 合金耐磨带进行了6 3 小时的磨损试验。试验结果表明，新型合金均对套管的磨损较低， 并提出了合金磨损接受容限，即在1 0 0 0 m 进尺( 1 1 5 转分钟) 下不超过l m m 外径磨损。 a 1 1 t i c o 公司开发了a r n c 0 2 0 0 x t 、1 0 0 x t 和4 0 0 x t 产品，对其进行试验的结果表明， ( 1 ) a r n c 0 2 0 0 x t 敷焊后硬度为h r c 5 0 ，在含7 砂的水基泥浆中和1 3 3 4 5 n 载荷下， 对n s 0 套管的磨损率为7 ，磨损系数为1 4 ，摩擦系数为o 1 4 。同样条件下，钢接头 对n 8 0 套管的磨损率为2 7 ，磨损系数为1 0 3 ，摩擦系数为o 2 2 。1 4 3 0 目的碳化钨接 头对套管的磨损率为1 5 ，磨损系数为5 8 ，摩擦系数为0 1 5 。可见，a r n c 0 2 0 0 x t 对套管的磨损率最低。( 2 ) 在含7 砂的水基泥浆和1 0 6 7 6 n 载荷下，以1 5 8 转分钟的 转速旋转1 5 分钟，a r n c 0 2 0 0 x t 自身磨损0 3 6 r a m ，钢接头磨损1 7 8 m m ，1 4 - , 3 0 目的 碳化钨磨损0 2 5 m m 。可见，a r n c 0 2 0 0 x t 自身磨损性可以接受。0 4 1 ( 3 ) a r n c 0 1 0 0 x t t 3 5 j 对套管的磨损率为4 5 ，自身磨损比a r n c 0 2 0 0 x t 低。g r a n tp r i d e e o 钻杆公司开发了 自己的x - m e t a l 7 0 0 0 专利，与碳化钨相比，减少套管磨损8 2 ，与钢接头相比，减少 套管磨损7 5 。耐磨带自身磨损与碳化钨接近，比钢接头耐磨1 3 9 。随后，该公司又 开发了敷焊性能好、结合力增加、剥落减小的x m e t a l 8 0 0 0 新耐磨带【3 6 1 。m a u r e r 公 司的试验1 3 7 1 显示，s m o o t h a l l o y 对套管的磨损系数为1 4 5 ，比钢和碳化钨的系数5 5 和 7 6 低得多，摩擦系数为0 1 8 ，合金本身径向磨损了0 1 6 m r n ，是钢接头0 0 5 m m 的3 2 5 倍。h a b c r e r 3 s 对应用新型合金耐磨带的利弊及成本进行了分析，认为只有少数合金在 裸眼中的径向磨损能达到碳化钨的8 0 ，更新一代的合金对降低套管磨损更为有效。 西安石油大学硕士学位论文 为了防止钻井过程中钻杆和套管之间的磨损，在钻杆本体上安装上一个橡胶质的钻 杆保护器。由于橡胶保护器的外径大于钻杆接头的外径，在钻进的过程中，钻杆接头不 和套管内壁接触，磨损作用在胶皮和套管上，由于胶皮比套管软的多，因此主要的磨损 由胶皮来承受而套管不会受到磨损，同时也避免了钻杆接头的磨损。使用橡胶钻杆保护 器既可以减少旋转扭矩，又可以将套管磨损量降低到最小程度。橡胶钻杆保护器主要存 在的问题是易于滑移与掉井，所以，人们研究制造了钢基波纹铰链式橡胶钻杆保护器等 产品。近十年来，为减少套管磨损、降低扭矩及摩阻，国外在改进型钻杆保护器或特殊 钻柱接头等工具方面申报的专利多于1 5 种【3 9 】。m o o r e h o 等人在a l a s k a 、g u l f o f m e x i c o 、 n o r t hs e a 和s e a n e wz e a l a n d 油田的大位移井钻井过程中使用了非旋转钻杆保护接头 ( n i m p p ) 。应用结果表明，n r d p p 通过避免工具接头与套管接触而防止套管磨损， 同时可减少钻柱扭矩1 0 一3 0 。但是，必须正确安装、安放和合理使用保护器才能达到 预期的使用效果。r o d m a n 4 i 】报道，采用一种新型的钻柱扭矩减少接头，可将大位移钻 井的扭矩损失和套管磨损减少到最小，并已在n o r t hs e a 大位移井中试用。r o d m a n h 2 i 在随后的研究中，详细介绍了钻杆轴承接头、耐磨带接头、非旋转钻杆保护接头、低扭 矩钻杆和钻柱扭矩减少接头( d s t r ) 一系列减少扭矩和摩阻的工具的结构与功用，并 经过d s t r 在3 口井的使用证实，在大位移井中采用d s t r 可扩延钻井设计，有效地 降低钻柱扭矩和套管磨损。m a s o n 4 3 1 等人设计出一种新型转动工具，以减少大斜度井的 摩擦。此工具是在接头上安装几个轴向转子，可有效地降低轴向摩阻。通过实验室全尺 寸试验和2 口井的试用说明，可降低轴向摩擦系数为o 1 2 ，并减少钻机提升载荷和扭矩。 a l l e m a n 4 4 1 等人开发了多功能固体润滑剂，成功地应用于l o u i s i a n a 、t e x a s 、 o k l a h o m a 、g u l f o f m e x i c o 、n o r t hs e a 油田的2 0 0 多口井。其中，弹性碳石墨( r g c ) 中含4 0 。8 0 石墨，依靠以下4 个方面降低钻井成本：( 1 ) 控制井眼环空损失：( 2 ) 防 止渗流和压差卡钻事故；( 3 ) 降低小井眼和下套管中的扭矩与摩阻；( 4 ) 减少金属表面 由机械滑动而产生的套管磨损。r g c 具有高达1 5 0 的弹性，经济性好，对所有泥浆都 适用，特别是在石灰基泥浆不能使用液体润滑剂的情形下具有明显效果。缺点是增加了 水基、油基和合成纤维基泥浆的重量。 n i p p o ns t e e l h 5 】曾试制了抗磨损的n 8 0 套管，与普通套管相比，磨损速率可降 低5 0 。另外，为减少弯曲段的套管磨损，目前有些开发人员正在开发内涂层套管。 在套管磨损预防预测和应用技术方面，国内引进了m a u r e r 公司c w e a r 软件和 l a n d m a r k 软件。国内钻杆制造厂和个别油田已经采用国外新型金属硬化带 ( 6 心c 0 2 0 0 x t 、i o o x t 和x m e t a l 7 0 0 0 ) 来减少套管磨损。海洋油田在水平井、大 位移井钻井中采用了具有新型的金属硬化带的进口钻杆。一些油田使用橡胶护箍和旋转 式钻柱接头等防磨减摩工具。国内一些厂家也研制了具有自主知识产权的耐磨带，并在 国内外一些油田取得了很好的效果，如n a t e 2 0 0 0 h 、n a t e 2 0 0 0 d 、b o t n l 0 0 0 、b o t n 3 0 0 0 、 金达陵等一系列产品。在套管磨损计算方面，国内钻井界的研究基本上是以j e w h i t e 6 第一章绪论 提出的磨损效率模型为基础确定磨损因子和套管与钻柱间的侧向力。显然，磨损系数的 确定需要相当大规模的试验工作，这在国内现有的条件下有较大的困难。为此，人们将 主要精力放在了各种条件下套管与钻柱间的侧向力分析计算上，如石油大学( 北京) 高 得利、高宝奎等人讨论了在钻柱屈曲条件下钻柱与井壁间的接触力计算问题m ，西南石 油学院陈浩等人分析了在水平井大位移井条件下套管与钻柱间侧向力的计算方法【4 7 】。显 然，国内目前的套管磨损研究，大多集中以力学分析为基础的计算讨论上，而在套管磨 损的试验研究、现场磨损监测技术和防磨减摩技术方面，无论是从规模还是从研究深度 上，均未得到充分的展开，与国外相比存在着较大的差距。 1 2 4 其它方面研究进展 t a r t j 4 8 1 探讨了大位移井和定向井用铝钻杆的磨损问题。铝钻杆由于外表磨损而降级 的判定条件之一是拉伸强度不超过管体屈服强度9 0 。如对于1 3 0 8 1 m m 9 、径的2 0 1 4 t 6 合金，外径磨损的容限是3 1 8 m m 。另一个判定条件是用a p ir p7 g 中的上扣扭矩来确 定外螺纹接头的外径磨损容限，如对1 5 8 4 m m 外径，优质级可允许最大磨损5 9 8 m m 。 在b e r y lb 油田使用经验证实，铝钻杆可减少钻柱周向载荷和表面扭矩。f e 珂例等人 研究了磨损对钛合金钻杆强度降低的影响。研究表明，钢或铝钻杆的使用极限为1 0 7 8 0 m 井深，主要原因是钢钻杆不能承受太高的周向载荷、高温会造成钻杆强度下降。钛合金 钻杆具有高强度和低重量的特点，并且区别与铝钻杆的是，它可通过焊接而采用钢接头。 为研究钛合金钻杆与套管的磨损性，选用1 4 3 k s i 钢级的t i 6 a i - 4 v 和1 6 0 k s i 钢级的 b e t ac 钛合金钻杆与t p ll o 套管组合，用水基和油基泥浆介质，在接触载荷小于1 5 5 7 n 的条件下进行实验室试验，试验结果表明：( 1 ) 钛合金自身磨损与接触载荷成线形关系，。 磨损速率比钢接头高得多，其中b e t a c 磨损速率最高。( 2 ) 钛合金对套管的磨损与接触 载荷相关性不大，磨损速率远小于钢接头对套管的磨损速率，其中t i 6 a i - 4 v 合金最低， 约是钢接头磨损率的1 1 0 。( 3 ) 油基泥浆下，b e t ac 合金的磨损速率明显下降。 k i r m e l 和c o l v a r d 5 0 】为减少大斜度井和水平井的扭矩、摩阻和磨损，对扶正器的材 料选择进行了研究。通过对s t w 2 2 钢、a i s i 9 c u 3 铝合金和z n a l l 4 锌铝合金三种材料 的摩擦系数和磨损系数的实验室试验说明：( 1 ) 在不同泥浆条件下，3 种材料的摩擦系 数变化不大，基本在0 0 7 4 ) 0 9 范围。( 2 ) 钢的磨损速率低。结论认为，三种形式的扶 正器最合适的材料是钢。 w i s n i e w a k i 和t u m l i n s o n 5 i 】从钻井设计角度介绍了如何减少套管磨损和采取预防措 施。认为在设计阶段，就应考虑套管磨损，包括进行磨损预测、井身设计、狗腿度极限 设计、钻杆保护器加载程序和套管磨损检测，用套管磨损研究结果来形成最终的钻井设 计，这叫做灵活设计( f l e x i b l ed e s i g n ) 。例如，一口井事先曾使用了钻杆保护器，根据 钻井参数预测在旋转2 4 0 0 小时后4 0 6 r n m 套管磨损低于3 5 ，则可以确定3 0 1 m m 套管 7 西安石油大学硕士学位论文 不用回接到井口。在2 4 4 5 m m 套管下继续钻进7 2 小时，发现套管磨损严重，实测达2 0 ， 因为扭矩和流动性问题而取出了钻杆保护器。再使用改进后保护器程序，钻进1 0 2 6 小 时后实测套管磨损未超过2 0 。 另外，j e l l i s o n 和k l e m e n t i c h 5 2 1 等认为，在套管柱设计系统时应要考虑磨损产生的 壁厚损失百分比。p a y n e t 5 3 】等人在o c t g 可靠性设计中，用了三个公式预测磨损后剩余 壁厚对套管爆破压力的影响。 林其伟、冯桂等【”l 对基于相关性判断测井套管磨损状况计算机解释处理系统，系统 可实现对八臂井径磁测井组合仪数字化采集的数据进行计算机自动解释和处理。中国石 油勘探开发研究院和胜利油田管理局等多家单位都有自己的防磨接头产品和专利，并在 胜利、四川等油田上应用且效果很好。 5 5 - 5 s l 综上所述，国内外钻井技术领域通过模拟试验研究与现场分析相结合的方法，对套 管的磨损机理、规律以及相关影响因素开展了初步研究，取得了一些能有效控制套管磨 损的成果。但由于钻井过程中套管磨损的影响因素十分复杂，特别是在深井、超深井作 业时，井下地质情况极端复杂，现有的套管磨损理论及预测软件在许多方面无法给出令 人信服的解释和预测结果。 1 3 研究的目的与意义 随着深井、超深井、大位移井及水平井钻井技术的发展，因钻井时间延长、钻杆作 用在套管上的侧向力增高等因素，使套管和钻柱的磨损问题越来越突出。套管磨损轻则 降低套管柱的抗挤毁、抗内压强度，影响随后的钻井、完井及采油作业质量和安全性； 重则造成套管柱挤毁、变形及泄漏，有时造成全井报废。 据报导，国外一口井因技术套管磨损可造成了约1 0 0 多万美元的修井费。哥伦比亚 一个油公司因套管磨损造成5 0 0 多万美元的修井费。m o b i l eb a y 两个油公司的超 厚壁套管被磨穿，每起事故需采取回接套管措施花费1 0 0 万美元以上。 近年来，我国已经发生多口井的套管磨损问题。尤其是塔里木油田，由于钻井时间 长，转速大，套管的磨损问题已经成为严重困扰油田勘探开发的重要问题。例如，英科 l 井2 4 4 5 m m 的技术套管在6 0 0 7 0 0 m 处因长期磨损而破裂，克深1 井1 7 7 8 m m 套管 在3 0 3 3 8 m 处磨穿并变形，多次挤水泥才补救成功。阳霞1 井因t 9 2 4 4 5 m m 套管多处严 重磨损，在试油中用清水替换管内泥浆而造成套管挤毁，最后该井报废损失近亿元人民 币。 所以，积极开展套管磨损机理和影响因素的研究对于搞清造成套管磨损造成的主要 原因并且采取适当的防护措施具有重要意义。只有搞清钻井过程中套管磨损发生发展机 制，明确套管磨损的主要形式，才能有针对性地从摩擦副的结构、材料及表面改性方法、 减磨剂和钻井工艺等方面采取措施，减少套管的磨损。在另一方面，以套管磨损机理分 第一章绪论 析为基础，对套管磨损预测方法所做的研究，有助于在钻井设计阶段，合理地评价不同 井身结构、钻具组合、泥浆组成等方案对套管磨损的影响，有针对性地采取防磨减磨设 计，减少钻井事故的发生。 1 4 本文的主要工作任务及构思 本论文的主要工作任务及构思如下： ( 1 ) 套管磨损机理研究 通过四种单一磨损机理的实验室试验，说明各种磨损机理和不同机理下套管磨损的 宏观和微观特征。 ( 2 ) 侧向应力对套管磨损影响的研究 采用1 1 0 0 0 0 和1 4 0 0 0 0 k s i 钢级的套管进行实物模拟试验研究，研究在侧向力分别 为1 0 0 0 、3 0 0 0 和5 0 0 0 l b s f t 时套管的磨损情况，并结合套管磨损机理进行分析。 ( 3 ) 钻杆耐磨带对套管磨损影响的研究 采用1 1 0 0 0 0 和1 4 0 0 0 0 k s i 钢级的套管进行不同钻杆耐磨带的全尺寸磨损试验，研 究不同钻杆耐磨带对套管磨损的影响，并对钻杆耐磨带的成分进行分析，确定造成这种 影响的原因。 ( 4 ) 橡胶保护器对套管磨损影响的研究 采用1 1 0 0 0 0k s i 钢级的套管进行全尺寸磨损模拟试验，研究直式和螺旋式的橡胶保 - 护器对套管磨损的影响，并对两种保护器的形态对套管保护的影响效果和原因进行分 ；析。 ( 5 ) 减磨剂对套管磨损影响的研究 用1 1 0 套管在不同铁矿粉和重晶石复合配比状态下进行全尺寸磨损模拟试验，并从 磨损机理进行分析，研究减磨剂的不同配比对套管磨损的影响。 本论文的创新点如下： ( 1 ) 采用全尺寸套管磨损试验机进行试验，试验条件更加接近油田现场； ( 2 ) 首次在国内对套管磨损的影响因素进行系统研究； ( 3 ) 将磨损实验的研究结果引入m a u r e r 套管磨损预测软件预测套管的磨损将对现场施 工具有一定的参考价值。 1 5 课题的来源与背景 本课题来源于塔里木高密度泥浆对套管磨损的全尺寸试验研究。 塔里木油田引进了c w e a r 套管磨损预测软件，但是，由于数据库中的参数和塔里 木油田现状差别较大使得预测结果的准确度较差，采用全尺寸磨损试验机获得磨损参 数，可有效使用c w e a r 套管磨损预测软件，对套管的磨损量、套管强度的变化进行实 9 西安石油大学硕士学位论文 时分析，为钻井和试油工程提供技术指导，同时，还可以评价苛刻井的防磨工艺，以便 及时采取预防和补救措施。 l o 第二章套管磨损模型及实验方法 第二章套管磨损模型及实验方法 套管磨损主要产生于钻杆钻杆接头对套管壁的相对转动过程中，根据第一章中套 管磨损的定义建立了套管磨损模型并选择了相应合适的试验设备。 2 1 套管磨损模型的建立 旋转的钻杆接头对套管施加侧向力，结果使得在套管上磨损出月牙形沟槽，该过程 的示意图见图2 1 。根据模型可计算月牙形沟槽中材料磨损体积，由此可计算磨损沟槽 的深度。 2 1 1 体积磨损率 图2 1 套管的月牙形磨损沟槽 根据磨损模型，旋转的工具接头磨损的套管体积为： 单位长度的磨损体积= 单位长度的能量输入名义能量值 式中，名义能量指磨损单位体积的套管材料所需的能量。 工具接头旋转施加在套管上的摩擦能为： 单位长度上的能量输入= 单位长度上的摩擦力x 滑动距离 单位长度上的摩擦力= 摩擦系数x 单位长度工具接头的侧向力 滑动距离= 兀工具接头的直径x 旋转速度接触时间 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 _ 4 ) 工具接头接触时间= 差差囊霪曼丢磊燃 c 2 5 ， 单位长度钻杆上的侧向力= 堂垡塑曼生萼雾篙蓦等器蓦妻掣燮( 2 - 6 ) 决定磨损效率的磨损系数可定义为： 磨损系数= 摩擦系数名义能量( 2 7 ) 结合上述各式得到磨损体积： 第二章套管磨损模型及实验方法 v = 6 q 霭f l d n s 其中，v 一磨损体积( i n 3 f t ) ； f - 一磨损系数( i n 2 i b ) ： 嘣杆施加在套管上的侧向力( 1 b f i ) ： d 一工具接头的直径( h a ) ； n 一转速( r p m ) ； 卜钻进的深度( 哟； p l 钻进速率( r h r ) 。 2 1 2 磨损深度 磨损沟槽的几何形状如图2 2 ( 磨损沟槽几何形状) 所示。 ( 2 8 ) 图2 - 2 磨损沟槽几1 可形状 磨损体积随着磨损深度的增加非线性增加，因为随着磨损深度增加时，磨损沟槽变 宽。 磨损深度和磨损体积之间的关系： v = 1 2 ( 2 + r ( s - i - h ) s i n 口一础2 ) ( 2 9 ) 角度仅和d 图中已经表示出，计算公式如下：