油氣井套管磨損規(guī)律試驗(yàn)研究

梁爾國(guó)， 李子豐， 王金敏， 周麗軍

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2.燕山大學(xué)車(chē)輛與能源學(xué)院，河北秦皇島 066004)

油氣井套管磨損規(guī)律試驗(yàn)研究

梁爾國(guó)1， 李子豐2， 王金敏1， 周麗軍1

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2.燕山大學(xué)車(chē)輛與能源學(xué)院，河北秦皇島 066004)

為增強(qiáng)油氣井套管減磨設(shè)計(jì)的針對(duì)性，對(duì)套管磨損規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究。利用模擬井下工況的鉆桿/套管摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)改變?cè)囼?yàn)載荷，首先分析了接觸力對(duì)套管磨損的影響；再以S45C、S55C、N80和P110等鋼級(jí)套管在不同密度鉆井液中進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比分析了各材質(zhì)套管在不同加重劑條件下的磨損特性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在非加重鉆井液中，套管的磨損率普遍較高；隨著鉆井液密度增大，套管磨損率先快速降低后又緩慢上升；重晶石粉與鐵礦粉的質(zhì)量比為2∶1時(shí)，加重劑的減磨效果最顯著。研究表明：套管磨損率與接觸力呈近似線性關(guān)系；將接觸力控制在一定范圍內(nèi)并合理選配加重劑和套管材質(zhì)，可使套管磨損降至最低水平；套管磨損效率與其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的比呈冪函數(shù)關(guān)系，并給出了計(jì)算套管磨損效率的經(jīng)驗(yàn)公式。該研究結(jié)果可為套管磨損預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

套管磨損 磨損規(guī)律 接觸力 加重劑 套管材質(zhì) 磨損效率

在深井、超深井和大位移井鉆井過(guò)程中，都不同程度地存在著套管磨損問(wèn)題[1-3]。近年來(lái)，雖然國(guó)內(nèi)外在鉆井液潤(rùn)滑劑和固體減磨材料研究方面進(jìn)展較快[4-5]，但由于對(duì)油氣井套管磨損規(guī)律認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致防磨減磨措施的可靠性和有效性無(wú)法完全滿足工程要求[6-8]。掌握套管磨損規(guī)律是防磨減磨和預(yù)測(cè)磨損的基礎(chǔ)，建立套管磨損效率的數(shù)據(jù)庫(kù)或經(jīng)驗(yàn)公式是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)套管磨損的前提。目前，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員在進(jìn)行套管磨損預(yù)測(cè)時(shí)，磨損效率、磨損系數(shù)等參數(shù)多采用20年前國(guó)外文獻(xiàn)給出的數(shù)據(jù)[9]，但這些文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)因?yàn)樵囼?yàn)中存在大量的動(dòng)壓潤(rùn)滑現(xiàn)象而往往失真。因此，通過(guò)試驗(yàn)分析不同工況下套管磨損的特性、規(guī)律以及磨損參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)套管防磨減磨和套管磨損預(yù)測(cè)都具有重要意義。因?yàn)樘坠苣p主要由鉆桿旋轉(zhuǎn)造成，接觸載荷、套管材質(zhì)、鉆井液加重劑是套管磨損的主要影響因素[10-14]，所以，為增強(qiáng)套管減磨設(shè)計(jì)的針對(duì)性，筆者采取試驗(yàn)分析方法，分析了套管磨損隨各因素的變化規(guī)律，初步探討了套管的磨損機(jī)理，擬通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)得出套管磨損效率的經(jīng)驗(yàn)公式，為不同工況下的套管磨損預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 套管磨損試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

采用自行研制的MZM-500型鉆桿/套管旋轉(zhuǎn)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)由主機(jī)、試樣及加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成[13，15]。套管磨損原理如圖1所示。鉆探過(guò)程中，由于存在鉆桿自重、軸向載荷、井眼彎曲以及鉆柱剛度較大等原因，某些井段的鉆桿接頭緊靠套管內(nèi)壁，并存在著一定的接觸力。摩擦副的接觸狀態(tài)如圖1(a)所示(T為鉆柱軸向力，N；ω為鉆柱旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s;v為鉆速，m/s)。鉆桿接頭旋轉(zhuǎn)與套管產(chǎn)生摩擦，由此導(dǎo)致套管不斷磨損。套管磨損形態(tài)以月牙形為主，如圖1(b)所示(N為鉆桿接頭與套管的接觸力，N；h為套管磨損掉的壁厚，mm)。

1.2 試驗(yàn)樣品

鉆桿試樣由S135鋼級(jí)的鋼材制成(φ73.0 mm×9.2 mm)；套管試樣由S45C、S55C、N80和P110等鋼級(jí)鋼材制成(φ139.7 mm×60.0 mm),其中，S45C鋼級(jí)的圓鋼經(jīng)機(jī)械加工后形成壁厚為10.0 mm的套管。套管試樣的機(jī)械性能見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)方法

用上述4種鋼材制造的套管在每種鉆井液中分別進(jìn)行試驗(yàn)。接觸力在90～450 N之間，鉆桿轉(zhuǎn)速為100 r/min，鉆桿總轉(zhuǎn)數(shù)15萬(wàn)～20萬(wàn)轉(zhuǎn)。根據(jù)目測(cè)套管磨損狀況適當(dāng)增加或減少摩擦行程，采用高精密電子天平測(cè)量并計(jì)算出套管的磨損量。

試驗(yàn)考察套管磨損的指標(biāo)主要為磨損率、摩擦系數(shù)和磨損效率。其中：磨損率定義為每單位摩擦行程套管的磨損質(zhì)量；摩擦系數(shù)用于判斷試驗(yàn)的有效性，分析磨損的機(jī)制、過(guò)程及特點(diǎn)；磨損效率為單位摩擦功套管磨損消耗所占的比例，可根據(jù)套管硬度、磨損率和摩擦系數(shù)等參數(shù)計(jì)算出。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 接觸力對(duì)套管磨損的影響

用N80鋼級(jí)套管在非加重鉆井液中進(jìn)行試驗(yàn)，套管磨損率隨接觸力的變化趨勢(shì)如圖2所示。

從圖2可以看出：接觸力較小時(shí)，套管磨損率隨接觸力呈近似線性變化；當(dāng)接觸力≥360 N時(shí)，套管磨損率上升較快，非線性趨勢(shì)明顯增強(qiáng)。

圖3為摩擦系數(shù)隨接觸力的變化趨勢(shì)。

從圖3可以看出：當(dāng)接觸力較小時(shí)，摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定，但總體有增大的趨勢(shì)；當(dāng)接觸力≥300 N時(shí)，摩擦系數(shù)明顯增大，其后又呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)；總體而言，接觸力在270～360 N之間時(shí)，摩擦系數(shù)的變化幅度較大。

在非加重鉆井液(即基漿)中，套管磨損主要為鉆桿接頭的表面凸起對(duì)套管的直接切削或犁削作用。在高接觸力作用下，套管磨損區(qū)不同部位的變形差異很大。圖1(b)中A，B和C點(diǎn)附近接觸應(yīng)力較大，所以彈性變形也最大[16]，導(dǎo)致套管對(duì)鉆桿形成一種“抱緊力”，機(jī)械互鎖效應(yīng)使摩擦系數(shù)增大。在此，金屬材料的宏觀摩擦磨損機(jī)理占主導(dǎo)地位。隨著接觸力的增大，鉆桿與套管之間的接觸應(yīng)力分布有均勻化的趨勢(shì)，但磨損量增大的結(jié)果卻使接觸應(yīng)力的非均勻分布程度進(jìn)一步增強(qiáng)。接觸應(yīng)力分布的非均勻性是摩擦系數(shù)呈現(xiàn)一定變化趨勢(shì)的根本原因。

2.2 加重劑對(duì)套管磨損的影響

在接觸力450 N、轉(zhuǎn)速100 r/min的條件下，對(duì)S45C、S55C、N80和P110等4種鋼級(jí)鋼材制造的套管分別進(jìn)行了套管磨損率和摩擦系數(shù)與鉆井液密度的關(guān)系試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。

從圖5可以看出，隨鉆井液密度的變化，摩擦系數(shù)有一定的波動(dòng)，但沒(méi)有明顯的規(guī)律。

套管磨損隨鉆井液密度變化，主要是由于加重劑參與摩擦、磨損和界面潤(rùn)滑的結(jié)果。加重劑含量增大對(duì)套管磨損的影響主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：首先，使磨粒磨損增大了；其次，增大了疲勞磨損；再次，加重劑通過(guò)參與摩擦改變了界面潤(rùn)滑狀況。結(jié)合文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果可知，重晶石粉對(duì)套管有明顯的減磨作用，重晶石粉與鐵礦粉以適當(dāng)?shù)谋壤旌峡梢允固坠艿哪p率降至最低。鐵礦粉的硬度與套管的硬度較為接近，少量的鐵礦粉存在于鉆桿與套管之間，能起到很好的支撐作用，再加上重晶石粉的有效隔離及潤(rùn)滑作用，會(huì)使減磨效果更好一些。

以往多數(shù)研究中，很少注意到鐵礦粉的潤(rùn)滑作用和重晶石粉的磨粒磨損效應(yīng)。分析認(rèn)為，高接觸力下，高含量的重晶石破碎后會(huì)導(dǎo)致鉆井液流變性變差，加重劑的“軸承”效應(yīng)減弱，套管磨損反而會(huì)有所增大。

2.3 套管材質(zhì)對(duì)其磨損的影響

低強(qiáng)度套管(如S45C鋼級(jí)套管)對(duì)鉆井液加重劑比較敏感，加入少量的重晶石粉就可以大幅降低套管的磨損率；而隨著鐵礦粉含量增大，套管磨損率又呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。S45C鋼級(jí)套管的硬度和屈服強(qiáng)度均較低，在高接觸力下鐵礦粉含量較高時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重的磨粒磨損。因此，在高密度鉆井液中采用低強(qiáng)度套管，磨損不會(huì)降低。

3 套管磨損效率經(jīng)驗(yàn)公式

摩擦功主要包括以熱能形式損耗的功、轉(zhuǎn)化為材料磨損的功、材料亞表面變形能等3部分。套管磨損消耗的能量與摩擦功近似成正比。如果已知摩擦功和磨損消耗的能量，則可以求出套管的磨損效率[13]，即：

(1)

式中：η為磨損效率；U為磨損一定體積套管所消耗的能量，J；W為總的摩擦功，J；Vw為被磨損掉的套管體積，m3；Hb為套管的維氏硬度，N/m2；μ為摩擦系數(shù)；L為滑動(dòng)距離，m。

根據(jù)式(1)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。4種鋼級(jí)套管在接觸力450 N、轉(zhuǎn)速100 r/min試驗(yàn)條件下的磨損效率見(jiàn)表3。

注：1) 接觸力為270 N、轉(zhuǎn)速100 r/min條件下的試驗(yàn)結(jié)果。

從表3可以看出，在270和450 N接觸力作用下，N80鋼級(jí)套管的磨損效率相差不大，這說(shuō)明接觸力對(duì)磨損效率沒(méi)有明顯影響。

對(duì)比表2、表3可知，套管磨損效率與套管抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的比值呈對(duì)應(yīng)關(guān)系。

不妨設(shè)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的比值為λσ，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸可得出套管磨損效率與λσ的關(guān)系式。

非加重鉆井液：

(2)

加重鉆井液：

(3)

式中：η1和η2分別為套管在非加重鉆井液和加重鉆井液中的磨損效率；λσ為套管抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的比值，λσ=σl/σy；σl和σy分別為套管的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，Pa。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(通過(guò)單位換算)，對(duì)式(2)、式(3)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。選用φ244.5 mm的TP110鋼級(jí)套管，帶敷焊XT100耐磨帶的工具接頭，套管機(jī)械性能指標(biāo)為：維氏硬度3 300 N/mm2，屈服強(qiáng)度780 MPa，抗拉伸強(qiáng)度880 MPa。試驗(yàn)鉆井液為KCl聚磺欠飽和鹽水鉆井液。試驗(yàn)參數(shù)為：接觸力43.8 kN/m，轉(zhuǎn)速158 r/min，試驗(yàn)時(shí)間8 h。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

注：1)指質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的某國(guó)產(chǎn)減磨劑A；2)指某國(guó)外減磨劑B;3)指重晶石粉與鐵礦粉按質(zhì)量比為2∶1混合后的混合粉。

從表4可以看出，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的套管磨損量與試驗(yàn)測(cè)量值基本吻合。此外，依據(jù)表3對(duì)井場(chǎng)實(shí)例的計(jì)算結(jié)果表明，建立磨損效率模型的源數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的[19]。在鉆井工況、摩擦副及鉆井液等發(fā)生變化的情況下，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算磨損效率，能夠減少人為的估計(jì)誤差，提高套管磨損的預(yù)測(cè)精度。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1) 套管磨損率與接觸力呈近似線性關(guān)系；重晶石粉與鐵礦粉的質(zhì)量比為2∶1時(shí)，加重劑對(duì)套管的減磨效果最為顯著；在套管具有較高硬度的前提下，提高其抗拉強(qiáng)度有利于降低磨損。

2)將接觸力控制在一定的范圍內(nèi)，合理選配鉆井液加重劑和套管材質(zhì)可使套管磨損降至最低水平。以套管磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，注重套管磨損較為嚴(yán)重的非加重鉆井液和加重鉆井液，統(tǒng)計(jì)得出了套管磨損效率的經(jīng)驗(yàn)公式。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)驗(yàn)公式能提高套管磨損的預(yù)測(cè)精度。

3) 由于套管磨損試驗(yàn)的難度較大，有待于在不同鉆井液和摩擦副組合條件下進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)，以進(jìn)一步修正磨損效率模型。筆者在套管磨損機(jī)理方面僅做了初步探討，隨著海洋深井鉆探的逐年增多，深水井套管磨損機(jī)理研究將成為一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。

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[編輯 令文學(xué)]

新型高效環(huán)保樹(shù)脂覆膜砂

Preferredsands公司研發(fā)出一種不含酚的新型樹(shù)脂覆膜砂，該覆膜砂與常規(guī)酚基樹(shù)脂砂相比，更環(huán)保、防砂性能更好，性價(jià)比更高。 常規(guī)酚基樹(shù)脂中包含能溶于水的酚和苯酚甲醛，會(huì)對(duì)攜砂液的性能造成影響。此外，在裂縫開(kāi)始閉合并迫使支撐劑顆粒相互接觸之前，部分酚醛塑料就已完全凝固。因此，常規(guī)樹(shù)脂砂不能產(chǎn)生很強(qiáng)的固結(jié)或膠結(jié)效果。 該公司針對(duì)具體井況生產(chǎn)RCS石榴石型和RCS珍珠型2種樹(shù)脂覆膜砂：1)RCS石榴石型產(chǎn)品，用來(lái)控制低溫儲(chǔ)層中的回流問(wèn)題，能在低溫下固結(jié)，無(wú)需進(jìn)行額外的化學(xué)處理；2)RCS珍珠型產(chǎn)品，可在溫度較高、深度較大的井中產(chǎn)生更高的膠結(jié)強(qiáng)度和更強(qiáng)的回流保護(hù)能力。 新型樹(shù)脂覆膜砂已在美國(guó)的二疊紀(jì)盆地、巴肯、中部大陸、尤迪卡和鷹灘盆地及加拿大阿爾伯塔中部的100多口井進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好的防砂效果。

[供稿 石 鉆]

Experimental Study on Casing Wear Mechanism in Oil and Gas Wells

Liang Erguo1， Li Zifeng2， Wang Jinmin1， Zhou Lijun1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversityofTechnologyandEducation,Tianjin,300222,China; 2.CollegeofVehiclesandEnergy,YanshanUniversity,Qinhuangdao,Hebei,066004,China)

In order to improve the design of programs to reduce casing wear in oil and gas wells,an experimental study was conducted to evaluate mechanisms that relate to casing wear.Under simulated downhole conditions,the drillpipe-casing friction wear tester was used to identify how contact forces influence casing wear by changing test loads.Then,S45C,S55C,N80 and P110 casings were tested in drilling fluids with different densities,so as to compare their wear resistance with different weighting agents.It was found that the casings were seriously worn in non-weighted drilling fluids,but with the increase of drilling fluid density,the casing wear rate decreased quickly and then increased gradually.The weighting agent led to the most effective wear reduction when the mass ratio of barite and iron ore powder was 2∶1.The results showed that there is an approximate linear relation between casing wear rate and contact force.When the contact force is controlled in a certain range,the casing wear can be minimized by reasonably choosing weighting agent and casing materials.The casing wear efficiency relates to the ratio of tensile strength to yield strength in power function.The empirical formula of casing wear efficiency was given in the paper,it can provide a reference for predicting the casing wear.

casing worn;worn mechanism;contact force;weighting agent;casing material;wear efficiency

2014-07-29；改回日期：2014-12-07。

梁爾國(guó)(1970—)，山東鄆城人，1995年畢業(yè)于北京理工大學(xué)機(jī)電工程專(zhuān)業(yè)，2012年獲燕山大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位，工程師，主要從事石油鉆采機(jī)械的設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201501012

TE925+.2

A

1001-0890(2015)01-0069-06

聯(lián)系方式：(022)88181083，liangerguo@163.com。