钻杆防磨技术的现状和发展.docx

钻杆防磨技术的现状和发展韩秀明 ,樊建春(中国石油大学 机电工程学院 ,北京 102249)摘要 :在深井超深井勘探过程中 ,由于径向力 、涡动 、横向振动等因素的存在 ,随着钻井时间的增长 ,钻柱作用于套管内壁的侧向力增大 ,导致套管磨损的问题越来越严重 。介绍了近年来钻杆防磨技术的发展 ,主要从钻杆接头表 面处理和钻杆保护器 2 方面来研究防磨减磨措施的现状和发展 。关键词 : 深井 ;套管磨损 ;保护器 ;钻杆接头中图分类号 : T E921 . 202文献标识码 : AResearc h Technology Mea sures Use on Dr ill Pipe to Protect WearH A N Xi u2mi ng , FA N J ia n2c h un( Col le ge o f M ec ha nic al a n d Elect roni c En g i nee ri n g , Chi n a U ni ve rs i t y o f Pet role u m , B ei j i n g 102249 , Chi n a) Abstract : D uri ng deep & ult ra2deep well e xp lo ratio n p roce ss , wit h drilli ng ti me bei ng lo nge r , t he bigge r i n si de fo rce of drill pip e to ca se , t he ca si ng wea r p ro ble m beco me s mo re se rio u s. Ba se d o n ca si ng wea rmecha ni sm , t hi s p ap e r a nal yze s t wo mai n t ech nolo gy mea sure s to p ro t ect ca se wea r , fo r i n st a nce , drilli ngpip e joi nt surf ace p roce ss , drilli ng pip e p ro t ecto r . The se t ec h nolo gy s app licatio n , i n oilfiel d , re duce s t he ti me s of ca si ng rep ai ri ng o r wo r ko ve r op eratio n s , e xt e nds t he lif e of drill pip e , bri ngs a bo ut re ma r ka ble p rofit .Key words : deep well ; ca si ng a bra sio n ; p ro t ect ; drill pip e joi nt在油气田勘探开发钻井中 ,尤其是在深井 、大位移井 、水平井 、大斜度井中 ,钻杆和套管的磨损严重 , 给油田带来重大损失 。因此 ,钻井过程中钻杆和套 管的磨损及防磨问题已引起钻井界的密切关注 。作 好钻井过程中套管的前期防护工作是今后开展套管 综合防护工作的前提和基础 ,是石油公司和钻井承 包商共同关注的现实问题 ,也是事关油井使用寿命和开发效果的重要因素之一 。探井安参 1 井 、河坝 1 井 ; 塔里木油田的圣科 1 井 、英科 1 井等 10 余口井在施工过程中均出现了不同 程度的 套 管 磨 损 问 题 。套 管 磨 损 主 要 以 244 . 5 mm 和 339 . 7 mm 技术套管最为典型 ,在这 2 层技 术套管之下 215 . 9 mm 和 30 %) ,大大减小了阻力和扭 矩 ,同时降低了转盘的能耗 。迄今为止 ,该技术已经 在世界各地得到了应用 ,在深探井 、特殊井技术套管 防磨方面起到了很好的作用 。随后 ,又开发出 A RN CO100 X T 钻杆接头耐磨 带材料 , A RCO100 X T 是 对 A RN C200 X T 的 改 进 。 因为 A RN CO200 X T 在敷焊过程中易产生微裂纹 , 虽然在使用过程中没有影响 ,但重新敷焊时则要将 有裂纹的部分全部铲掉 。而改进的 100 X T 耐磨带 不仅对套管磨损降为最低 ,而且在裸眼井中 ,它的耐 磨性与碳化钨相当 ,提高钻杆接头寿命 300 % ; 同时 保护套管与钻杆接头 ,并可在原先残存的碳化钨耐 磨带上继续加焊 100 X T ; 可用于新 、旧不同尺寸的 各种钻 杆 工 具 。在 美 国 权 威 机 构 MA U R E EN GI2N E ED EA242 套管 磨 损 研 究 中 证 明 , A RN CO 耐 磨 带技术既可以用于保护钻杆接头 ,延长其寿命 ,也能 保护套管 ,减小磨损 。实践证明 ,以尽量减少套管磨损为主 ,允许钻杆接头耐磨带适度磨损的材料设计原理是科学的 。工 程技术服务公司专门对安科耐磨带材料的耐磨性能 和对套管的保护性能作了专门的实验研究 。根据塔 里木探区泥浆体系的特点 ,选用 3 种不同的介质进 行试验 。试验结果证明 ,安科耐磨材料对钻杆和套管都具有良好的保护作用 。防磨带 3215 前人通过大量的实验数据分析得出 ,相同的摩 擦副在不同润滑介质下的摩擦因数差异较大 ,而且 在同一种润滑介质下 ,不同摩擦副的摩擦因数差别 也很大 。基于此实验理论 ,研制了在钻杆接头上敷 焊耐磨带的方法变钻杆接头与套管的摩擦副形式为 耐磨带与套管磨损 。最初钻具服务公司为了避免钻 杆的磨损 ,采用在钻杆接头上焊耐磨带的方法 ,当时 耐磨带材料主要 是钨 钴 系列 硬质 合 金 , 如碳 化钨 。 在现场使用中发现这种方式存在较大弊端 ,虽然保 护了钻杆 ,但硬质合 金耐 磨 带对 套管 的 磨损 较大 。 然而造成严重钻井事故的主要原因是套管磨损 ,因 此国内外的技术服务公司研制了一系列新型抗磨材 料来替代硬质合金 ,其主要目的是利用新型合金和 套管的减磨性来防止套管磨损 。据统计 ,应用新技 术在钻井过程中 ,可减少套管磨损 90 %以上 , 钻杆 接头的使用寿命提高了 3 倍 ,同时降低井下钻具旋 转阻力 ,降低扭矩达 30 % 。但是采用合金材料充当 减磨介质 ,对于套管的磨损仍然不可避免 ,只是相对 钻杆接头和硬质合金有大幅度的降低 。2 . 1安科耐磨带耐磨带起源于一种耐磨接头 ,其安装简单 ,用于2韩秀明 ,等 :钻杆防磨技术的现状和发展19 2003 年 初 安 科 公 司 推 出 了“第 3 代 ”产 品300 X T 钻杆接头耐磨带 。这种耐磨带不 同于 早 期 的 100 X T 和 200 X T 耐磨带 , 属于无铬金属的铁基合金 ,含有镍 、硼 、铌等元素 ,并有一些其他的合金成分 ,能形成很好的熔池效果 ,特别适应于在极度研磨 的裸眼地层钻进 。能将 套管 磨 损状 态降 至最 低 程 度 ;以耐磨带的磨损代替了钻杆接头和套管的磨损 ,并在裸眼井钻进时的抗磨效果几乎等同于碳化钨 , 确保钻杆接头和套管之间的理想摩擦和均衡保护 , 采取高度为 2 mm“凸起”堆焊方式 ,使摩擦由耐磨 带负担 ,并且 300 X T 可以堆焊在过去原有的 100 X T 和一些其他公司出产的耐磨带之上 ;耐磨寿命长 ,大 大减少了起下钻 、重新修焊和往返运输的时间及成本 。2 . 2 钻杆接头 PT100 型耐磨带合金焊丝是一种新型的耐磨带材料 ,与合金粉 相比硬度相当 、耐磨性更好 ,现在已经广泛应用于各 油田 。这种材料敷 焊的 钻杆 接 头耐 磨带 摩擦 因 数小 ,可以在钻杆接头与套管间形成摩擦副 ,不仅有效 地保护钻杆接头和套管 ,而且降低了钻具旋转阻力 , 增大钻杆的扭矩 。由于进口焊丝价格很高 ,不适应 国内油田 ,中原石油勘探局钻井管具工程处与国内 研究焊接材料的院所合作开发出具有与国外优质焊丝同等性能 的耐 磨材 料 P T100 , 价格 低 廉 , 焊 接 工 艺简单 ,只要在传统焊机的基础上进行改造即可进 行生产 ;焊件无需预热 ,焊后不保温并具有重复可焊 性 。P T100 耐磨带经过试验和现场使用证明 ,与钢 质钻杆接头相比 ,套管磨损减少 86 % ; 与经过碳化钨处理的钻杆接头相比 , 套管磨损降低 76 % ; 摩擦 因数的减小 ,使钻具旋转阻力 、扭矩增大 30 % ,节省 燃料消耗 10 % ; 在裸眼钻井环境下 , 更有效地保护 钻杆接头 ,减小磨损 。2 . 3 等离子体浸没离子注入( P) 技术为克服传统离子注入技术的限制 ,1987 年研制 开发了等离子体浸没离子注入 ( P) 技术 , 应用此技 术可以得到较厚的表面改性层 ,并提高改性层的承 载能力 ,能适用于苛刻的摩擦磨损工况 。在此基础 上发展起来的高频低电压等离 子体 浸没 离子 注 入( P) 技术 ,采用高频低电压脉冲方式 ,等离子体的产 生几乎不依赖于工作气压和注入电压 ,可得到均匀 的改性层且工艺灵活 。采用该技术对 A ISI304 不锈 钢进行了表面改性 ,其室内台架实验结果表明 , A I2SI304 不锈 钢 表 面 形 成 了 高 氮 浓 度 层 和 膨 胀 奥 氏体 ,提高了表面硬度 ,降低了表面粘着和塑性流动倾向 ,使摩擦因数减小 ,耐磨性比未采用此技术的试件提高 210 倍 ,效果非常显著 。2 . 4 Gendalen2200 型耐磨材料中国石油天然气集团公司研制的 Ge ndale n2200 为高铬合金材料 。该材料敷焊的耐磨带与套管组成 摩擦因数较小的摩擦副 ,因此钻杆接头和套管的磨 损量减小 ,可使钻杆和套管的使用寿命延长 1 倍以上 ,性能可与国外同类产品相媲美 ,而价格仅为国外 同类产品的 1/ 3 1/ 2 。并且喷焊钻杆由于在接头 外径部分敷焊耐磨带 ,不但在钻井过程中可大幅度 提高接头的耐磨性 ,同时喷焊钻杆的使用寿命提高4 倍 。根据各油田喷焊钻杆磨损情况统计 , 使用此 技术大大节约了钻井成本 。敷焊耐磨带虽然减轻了套管的磨损 ,但由于耐 磨层与钻杆接头本体间材质特性差异大 ,焊后二者 结合力差 ,且易形成裂纹 。在深井中由于地层温度 高 ,导致本体与耐磨层的热变形不一致 ,钻进中耐磨 带材料易发生局部脱落 ,甚至全部脱落 ,导致钻杆接头上部和套管内壁磨损加剧 ,所以对现有的耐磨带 材料进行改进 ,提高其与钻杆接头本体的熔合性和 热力学特性 。采用更合理的工艺避免或减少加工时 出现裂纹是一项急需深入研究的工作 。钻杆保护器 426 , 829 钻杆保护器是利用橡胶材料来避免套管磨损 。 通常钻杆接箍和稳定器的外径大于钻杆本体 ,最先 和套管接触 ,对套管磨损很严重 。如果安装上比钻 杆接头外径更大的钻杆保护器就能避免套管与钻杆 接头的直接接触 , 降 低 了摩 擦因 数 , 减小 了 套管 磨 损 。L u bi n ski 分析了在平缓和急陡的狗腿下使用钢 制或橡胶保护器的有效性 ,认为保护器可防止钻杆 磨损并减少疲劳损伤 。Kevi n 和 Daw so n 讨论了橡 胶摩擦的理论 ,按能量消耗分粘着和滞后 2 种机理 , 粘着机理发生时摩擦因数高 ,滞后机理的摩擦因数 低 。从理论上证明了橡胶保护材料能有效避免套管 磨损 。3 . 1 钻杆胶皮护箍在钻杆本体上安装胶皮护箍 ,可达到防止钻进 时钻杆和套管之间的磨损 。钻杆保护器分为旋转钻杆保护器和非旋转钻杆保护器 。旋转式被刚性地固定在钻柱上 ,随钻柱的旋转而旋转 ;非旋转钻杆保护 器由内壁带槽的橡胶滑套 、金属加强衬管和 2 个铝 制止推轴承环 3 部 分组 成 。滑 套位 于 2 轴 承环 之间 ,轴向上有足够间 隙 , 允 许滑 套和 钻杆 有 相对 转320 OIL FIELDEQUIPMENT2007 Vol . 36 3应小于 81 9 kN ,否则会降低液体润滑的作用 ,对滑套端部造成过大的磨损 ,影响其工作寿命 。在普光1 井三开时 ,考虑到二开井眼斜井段长 ,井眼轨迹复 杂 ,施工时间长 ,施工中钻杆与套管之间的严重摩擦 势必造成摩阻和磨损的加剧 ,甚至可能造成套管磨 穿 ,形成 严 重 的 井 控 安 全 隐 患 。因 此 采 用 了 FM2197 型钻柱式防磨减扭接头 (如图 1) ,起到了很好的防磨作用 。动 。滑套内表面的槽可以保证钻井液进入滑套与钻柱的环形空间 ,起到润滑作用 。其减摩机理是 :胶皮 护箍的外径大于钻杆接头外径 ,以保证在钻进过程中 ,钻杆接头不和套管内壁接触 ,磨损作用在胶皮和套管上 ,由于胶皮比套管软得多 ,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 。近年来 ,国内也开发了各种钻杆橡胶护箍 ,有扩张式 、插销式和对开插销式等 。3 . 1 . 1 插销式钻杆橡胶护箍在普光 1 井钻井过程中 ,钻具与套管之间的摩 阻大 ,磨损剧烈 ,二开后该井表层套管即被磨穿 。三开时 ,为保护套管 ,采取优选防磨工具 、合理安放防磨减扭接头 、优化钻具组合和钻井参数等措施 ,施工 中扭矩和钻屑中的铁屑含量大幅降低 ,套管防磨效 果显著 。二开时为保护表层套管 ,自 2001212205 使用插销式钻杆橡 胶 护箍 , 套 管内 的钻 杆 每柱 1 只 。 该护箍虽然安装方便 ,但是使用寿命短 ,而且脱落的 橡胶易堆积在一起 ,堵塞泥浆出口管线 ,造成循环不 畅 ,如落入井底则影响机械钻速 ,甚至造成卡钻 ,施 工隐患很大 。使用表明插销式钻杆橡胶护箍套管防磨钻井的效果不好 ,尤其在深探井开采中 。3 . 1 . 2 整体式非旋转保护接头目前 ,许多石油工具公司研制了各种保护接头 ,直接连接在钻柱上形成支撑 ,避免钻杆接头与套管 的直接接触 ,并通过外滑套和心轴之间的轴承转动 来防止套管磨损 ,降低钻井扭矩 。另外 ,各石油工具 公司采取了不同的轴承设计 ( 滚动和滑动) ,应用了 不同的润滑方式 (开式和闭式) 。其中 , Weat herfo r d 的工具采用开式润滑方式的滑动轴承 ,DB S 的工具 则采用了闭式润滑的滚动轴承 。非旋转钻杆保护器与旋转钻杆保护器相比 ,使 用寿命更长 ,在西江 24232A14 大位移井钻井过程中 取得了令人满意的降低扭矩和 防止 套管 磨损 的 效 果 。非旋转钻杆保护器通常装在工具接头附近 ,滑 套的外径比钻杆工具接头的外径大 ,工具接头与套 管接触之前 ,非旋转钻杆保护器将先与套管接触 ,钻 柱旋转时 ,非旋转钻杆保护器相对于钻柱可自由转 动 ,相对于套管壁几乎不转动 。由于钻柱本体外径 小 ,钻杆旋转中摩擦面相对减少 ,以钻柱与非旋转钻 杆保护器滑套之间的摩擦代替了钻柱接头与套管壁 之间的摩擦 ,因此可以通过防止套管与钻杆接头直 接接触来防止套管磨损 。非旋转钻杆保护器不适用 于井温过高的工况 ,井温过高会损坏保护器附套使 用的聚合物材料 ;另外 ,每英寸 (251 4 mm) 的侧向力图 1 FM2197 型防磨减扭接头FM2197 型整体式非旋转套管防磨接头主要由 心轴 、上下挡环和外部非旋转防磨套组成 ,心轴和外 部非旋转防磨套之间 、外部非旋转防磨套和上 、下挡 环之间设 计 有 轴 承 摩 擦 副 。采 用 硬 质 合 金 TC 轴 承 ,钻井液开式润滑 ,寿命长 、风险小 ;下挡环和心轴 刚性联接 ,强度高 ,不易发生井下事故 ; 整套工具采 用高强度合金结构钢加工制造 ; 留有充足的大钳位 置 ,安装拆卸方便 。钻进过程中 ,钻柱和外部不旋转 防磨套之间相互转动 ,外部不旋转防磨套和套管之 间没有高速的相互转动 ,从而避免了钻柱旋转磨损 套管 ;另外 ,防磨接头采用轴承式防磨技术 ,摩擦因 数小 ,开式钻井液润滑 ,从而大幅度地降低了钻井扭 矩 ,较少套管磨损 。普光 1 井三开岩屑中基本未出现铁屑 ,钻进扭 矩降低约 20 % ,施工中没有因该工具的使用出现井 下复 杂 工 况 , 防 磨 减 扭 效 果 显 著 。车 古 204 井3391 7 mm 表层套管被磨穿 ,三开后发现转盘扭矩 较大 ,返出钻屑中铁屑较多 ,为防止技术套管磨损 ,在不同位置安放 4 只减磨接头 ,效果十分明显 ,钻屑 中的铁 屑 含量 减少 50 % ( 如图 2) ; 扭矩 由 10 11 kN m 降为 56 kN m 。图 2 车古 204 井铁屑返出量对比曲线FM 系列工具研制成功以来 , 已在国内大油田 应用 700 多套次 , 取得了明显效果 , 平均使用时间1 200 h以上 。但仍存在以下不足 : 如增加了钻柱长韩秀明 ,等 :钻杆防磨技术的现状和发展21 杆保护器在橡胶中加入细玻璃球 ( 约 100 目) ,这些细玻璃球可很快打磨套管 ,并且不会形成自身和套 管的明显磨损 。试验证明 ,其降低钻柱扭矩的速度比常规钻杆保护器快 5 倍 ,而摩擦因数仅为常规转动钻杆保护器的 1/ 2 左右 。度 ,安装拆卸较钻杆橡胶护箍复杂 ;增加了螺纹连接数量就增加了钻具事故隐患 ; 由于外部没有减磨材 料 ,不能有效降低起 下钻 摩 阻对 套管 的 磨损 ; 接 头上 、下挡圈都是死连接 ,给滑动轴承的维修保养带来不便 。3 . 1 . 3 分体式非旋转保护接头原理和整体式非旋转保护接头相同 ,使用过程 中套装在钻杆上 , 并 采用 了 减磨 的复 合 材料 , 质 量轻 、可钻性好 。其强度相对于整体式非旋转保护接 头要低一些 。3 . 2 旋转钻柱接头为减少大斜度井 、大位移钻井的扭矩损失 、降低 套管磨损 ,将钻柱与套管或裸眼壁的滑动摩擦转变为滚动摩擦 ,减小工具接头和套管或裸眼井壁之间的摩擦因数 。一些公司已成功地研制了特殊旋转钻 柱接头技术措施 ,例如滚轮扶正器 ,可分为整体式和 分体式 2 种 。通过滚轮将常规扶正器与井壁或套管的滑动摩擦转变为滚动摩擦 ,可以降低钻柱扭矩 ,减少套管磨损和扭 转振 动 。现 代 化的 旋转 钻柱 接 头 (D S T R) 主要包括心轴 、非旋转套筒 ,二者之间安装 有轴承 ,使其有较好的相对运动 ,其中心轴材料的力学性能比钻杆材料好 ,强度较高而不会成为钻柱中 的薄弱环节 。使用该工具后 ,可以节省驱动能耗 、减少套管和钻杆磨损和疲劳 。3 . 3 防偏磨器在套管防偏磨技术中 ,耐磨性设计是一个重要 环节 。例如 ,摩擦副材料的选择 、结构上防偏磨器与套管之间的作用力 、加载方式等都会影响套管的磨 损 。防偏磨器一般选用碳2碳复合材料 ,此类材料耐磨性好 、硬度相对较低 、耐高温 ,摩擦过程自润性可 以明显降低偏磨器与套管内壁的粘着磨损和磨料磨 损 。另外 ,运用热喷涂陶瓷涂层技术对偏磨器表面进行表面改性 ,减小偏磨器的外表面与套管内壁摩擦 ,如碳化 物 陶 瓷 WC + Co 、氧 化 物 陶 瓷 Al2 O3 + TiO2 等 。陶瓷涂层硬度强度高 、耐高温 、摩擦因数小 ,可以明显降低粘着磨损和磨料磨损 ,但套管内壁需要相应处理 。3 . 4 打磨式钻杆保护器( PD PP)常规的转动式钻杆保护器通过橡胶套筒与套管 内壁的接触运动 ,除去套管内壁的锈点和糙面 ,并在套管内壁和钻杆保护器之间形成薄层液体润滑膜 , 达到降低摩擦与磨损的目的 ,且在磨光套管粗糙表 面时 ,不会对套管产生磨损 。现场经验表明 ,这种磨光要达到减小钻杆扭矩阻力需要数天 ,而打磨式钻结语4钻杆接头 、扶正器与套管内壁之间有一定的间隙存在 ,钻柱在钻进过程中的横向振动使得套管与 钻杆接头 、扶正器在接触部位不是常压接触 ,其接触 压力是脉动的 ,峰值远比不考虑钻柱横向振动时大 得多 ,同时横向振动还使钻杆接头 、扶正器在与套管 接触过程中 ,对套管的接触部位产生一个冲击作用 , 因此横向振动会加速套管的磨损 。在以往的研究中 未考虑横向振动的影响 ,其结果还不能真实地反映 套管的磨损机理 。在磨损机理的进一步研究中 ,钻 柱横向振动对套管与钻杆接头之间的磨损机理的影 响有待深入研究 。钻进过程中套管的磨粒磨损是不可避免的 ,套管磨损的速度除与套管内壁和钻杆接 头表面之间的相对滑动速度有关外 ,还与磨粒的大 小 、硬度等密切相关 ,钻进不同地层时岩屑的粒度大 小和硬度都是不一样的 。通过对不同地层的钻进中 套管的磨损速度的研究 ,可为钻井的设计和套管的磨损预测提供依据 。参考文献 : 1 侯 勇 俊 , 王 文 武 . 套 管 磨 损 研 究 进 展 J . 钻 采 工 艺 ,2001 ,24 (5) :72274 .高智海 ,杨 勇 ,赵克枫 . 套管磨损的研究进展 J . 西 安石油学院学报 ,1998 (3) :41245 .林元华 ,付建红 ,施太和 ,等 . 套管磨损机理及其防磨措 施研究 J . 天然气工业 ,2004 (7) :58267 .曾鹏珲 ,徐常生 . 普光 1 井套管防磨技术研究 J . 西 部探矿工程 ,2005 (5) :40241 .王 卫 ,马清明 ,徐俊良 ,等 . 套管减磨接头的研制与应用 J . 石油钻探技术 ,2003 ,31 (3) :38239 .李玉民 ,李 飞 , 郭 建军 , 等 . 钻杆接头 P T100 耐磨带 的敷焊工艺与应用 J . 石油机械 ,2003 ,31 (5) :20222 . 莫伟和 ,高幼根 . 新型套管磨损保护技术实验研究 J . 石油专用管 ,1998 (4) :31233 .郭志梅 ,孟庆昆 ,谢正凯 ,等 . 新型防磨接头的研制与应 用 J . 石油矿场机械 ,2001 ,30 (6) :41243 .仵雪飞 , 林元 华 , 巫才文 , 等 . 套 管 防 磨 措 施 研 究 进 展J . 西南石油学院学报 ,2004 ,26 (4) :65269 .Ro dma n D W , Swietlik G. 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