140V套管在高性能水基泥漿中的磨損行為研究

婁爾標(biāo) 王子逾 周波 郭夢龍 劉川福

摘 要：分別針對套管磨損試驗后套管磨損體積、磨損系數(shù)、摩擦系數(shù)及微觀磨損機理進(jìn)行了分析討論。結(jié)果表明：高性能水基泥漿的密度越大，磨損越嚴(yán)重。在磨損進(jìn)行一段時間后，磨損體積、摩擦系數(shù)和磨損系數(shù)均呈現(xiàn)減小的趨勢并趨于穩(wěn)定。在低泥漿密度條件下，主要為磨粒磨損，隨著泥漿密度增加，發(fā)生磨粒磨損的同時會伴有部分黏著磨損。

關(guān)鍵詞：高性能水基泥漿;140V套管;鉆桿接頭;套管磨損;磨損機理

1 引言

鉆井過程中套管磨損問題一直是石油天然氣行業(yè)急需解決的技術(shù)難題。西部某油公司自勘探開發(fā)以來出現(xiàn)了許多井套管磨穿情況。這些井發(fā)生的套管磨損失效事故造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失，引起了不必要的監(jiān)控與測量、補救、回接等施工作業(yè)。對于該油公司而言，針對套管磨損問題進(jìn)行研究能夠在很大程度上降低施工成本。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外油田技術(shù)人員與科研工作者對套管磨損問題的研究方向大多集中在摩擦接觸力、鉆桿接頭耐磨帶和套管材質(zhì)來展開的[1-4]，Bradley和Fontenot[5]早在1975年便考察了鉆桿等部件的主要運動型式及其對套管磨損的影響。認(rèn)為套管磨損主要產(chǎn)生于鉆桿/工具接頭對套管壁的相對轉(zhuǎn)動過程中。J.P. White和Dawson[6]通過分析認(rèn)為磨損量與正壓力成正比關(guān)系，并提出“套損效率模型”。黃偉和[7]認(rèn)為套損原因主要有井身質(zhì)量、鉆井液密度、鉆柱拉力與側(cè)向力及鉆井時間等。有學(xué)者分析了P110套管在低密度油基泥漿中的磨損機理，認(rèn)為側(cè)向力是影響套管磨損機理的主要原因，且側(cè)向力越高套管磨損越劇烈[8]。有的學(xué)者研究了N80、P110、VM140和TP140套管在聚磺體系鉆井液中，套管硬度、鉆井液密度對套管磨損的影響。認(rèn)為在聚磺鉆井液中，套管硬度越高，其耐磨性能越好，泥漿密度越高，套管的耐磨性能越差，然而有的學(xué)者在KCL鹽水泥漿中，卻得到了不同的結(jié)論：認(rèn)為隨著泥漿密度的升高，套管磨損率先迅速減小再緩慢增大。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在套管磨損方向已經(jīng)做出了很多努力，不僅對現(xiàn)場工況進(jìn)行了深入的討論，也通過各種分析手段對磨損機理進(jìn)行了研究。但是在此前的工作中，罕有學(xué)者針對泥漿密度對套損的影響進(jìn)行研究討論，出于對套損情況研究的進(jìn)一步完善和深入了解，本次研究主要針對高性能水基泥漿密度對140V套管的磨損進(jìn)行分析。

3 套管磨損試驗設(shè)備和試驗材料

3.1 套管磨損試驗設(shè)備

本次套管磨損試驗所用設(shè)備為從美國Maurer公司引進(jìn)的套管實物磨損試驗機，試驗開始前，先要將套管試樣和鉆桿接頭試樣安裝在磨損試驗機上，安裝順序如下：

（1）將套管試樣裝夾于試驗機套管夾持裝置內(nèi);

（2）將鉆桿接頭試樣安裝在試驗機旋轉(zhuǎn)心軸上，驅(qū)動電機帶動鉆桿接頭旋轉(zhuǎn)，接頭與套管內(nèi)壁發(fā)生接觸摩擦，構(gòu)成摩擦副;

（3）控制泥漿循環(huán)系統(tǒng)將泥漿由管嘴噴射到摩擦副。

套管夾持裝置壓在空氣彈簧上，通過改變氣壓泵的壓力可以控制空氣彈簧頂起、落下，從而控制其對套管加載壓力的大小。

3.2 試驗材料

本次試驗所用高性能水基泥漿由該油公司提供。

本次試驗所用鉆桿接頭試樣表面敷焊有Arnco100XT耐磨帶，其寬度為82.09 mm，外徑為174.72 mm。套管試樣規(guī)格為Φ244.5×11.99 mm。對套管試樣分別進(jìn)行拉伸、硬度及化學(xué)成分檢測。經(jīng)試驗測定，其屈服強度為1020MPa;套管試樣橫截面四個象限外、中、內(nèi)硬度的平均值分別為35.5 HRC、35.7 HRC、35.6 HRC?；瘜W(xué)成分測試結(jié)果見表1。根據(jù)理化性能測試結(jié)果可以看出，本次試驗所用140V套管滿足該鋼級材料性能要求。

3.3 試驗方案

本次套管磨損試驗方案見表2。

4 試驗結(jié)果分析

在3組不同密度的高性能水基泥漿條件下，140V套管試樣磨損后的形貌一致為月牙形磨損溝槽。三組試驗套管試樣磨損后形貌如圖1所示。

4.1 不同密度高性能水基泥漿對140V套管磨損體積的影響

在三種不同密度高性能水基泥漿條件下，經(jīng)8h試驗后，套管磨損體積變化量見表3，磨損體積-時間曲線如圖2所示。

根據(jù)圖2可以看出，在三種不同密度的高性能水基泥漿條件下，隨著試驗時間的增加，套管磨損體積均隨之增大。在磨損初始階段磨損體積增大較快，當(dāng)持續(xù)試驗360min后，磨損體積增大速率呈逐漸降低趨勢。這是因為隨著試驗時間的增加，套管磨損面逐漸趨于光滑，磨損變緩慢。從圖中還可以看出，當(dāng)泥漿密度為1.73 g/cm3時，套管磨損體積最小，當(dāng)基泥漿密度為2.43 g/cm3時，套管磨損體積最大。這說明高性能水基泥漿密度的變化對140V套管磨損體積影響較大，磨損程度會隨著高性能水基泥漿密度的增大而變得嚴(yán)重。

4.2 不同密度高性能水基泥漿對140V套管摩擦系數(shù)的影響

在三種不同密度高性能水基泥漿條件下，經(jīng)8h試驗后，套管摩擦系數(shù)變化量見表4，摩擦系數(shù)-時間曲線如圖3所示。

根據(jù)圖3可以看出，在磨損初始階段，泥漿密度為2.43g/cm3時，摩擦系數(shù)最大，泥漿密度為1.73g/cm3時，摩擦系數(shù)最小，當(dāng)持續(xù)試驗360min后，三組試驗的摩擦系數(shù)趨于一致。這說明在磨損初始階段高性能水基泥漿密度對140V套管摩擦系數(shù)變化影響較大，泥漿密度越大，摩擦系數(shù)越大，磨損越嚴(yán)重，當(dāng)試驗進(jìn)行一段時間后，套管磨損面變光滑，磨損量減小，這時候泥漿密度對摩擦系數(shù)影響變小，逐漸趨于一個穩(wěn)定值。

4.3 不同密度高性能水基泥漿對140V套管磨損系數(shù)的影響

在三種不同密度高性能水基泥漿條件下，經(jīng)8h試驗后，套管磨損系數(shù)變化量見表5，磨損系數(shù)-時間曲線如圖4所示。

根據(jù)圖4可以看出，在磨損初始階段，相同時間內(nèi)，泥漿密度越大磨損系數(shù)越大，這是因為在磨損初始階段，由于鉆桿接頭與套管表面并不是絕對圓整，而是存在部分微凸體及其他表面缺陷，導(dǎo)致鉆桿接頭與套管內(nèi)表面接觸不均勻，泥漿密度越大，磨損越嚴(yán)重。當(dāng)持續(xù)試驗360min后，泥漿密度變化對套管磨損系數(shù)影響逐漸減小，磨損系數(shù)逐漸趨于某一定值。這是因為在磨損進(jìn)行一段時間后，摩擦副間接觸不均勻的部分被磨去，套管磨損面趨于光滑，泥漿的潤滑作用逐漸提高，磨損程度降低并趨于穩(wěn)定。這也與不同高性能水基泥漿密度對磨損體積的影響結(jié)果相一致。

4.4 不同密度高性能水基泥漿對140V套管磨損機理的影響

通過掃描電子顯微鏡分別對三種不同密度高性能水基泥漿中140V套管的磨損表面微觀形貌進(jìn)行觀察。140V套管磨損表面微觀形貌照片見圖5。

圖5-a為密度1.73g/cm3的高性能水基泥漿條件下140V套管磨損表面的微觀形貌照片。從圖中可以看出，套管磨損表面沿鉆桿接頭旋轉(zhuǎn)方向存在著大量的長而淺的磨損溝槽。圖5-b為密度2.26g/cm3的高性能水基泥漿條件下140V套管磨損表面的微觀形貌照片。從圖中可以看出，套管磨損表面沿鉆桿接頭旋轉(zhuǎn)方向不僅存在大量的長而淺的磨損溝槽且附著著少量磨屑。圖5-c為密度2.43g/cm3的高性能水基泥漿條件下140V套管磨損表面的微觀形貌照片。從圖中可以看出，套管磨損表面沿鉆桿接頭旋轉(zhuǎn)方向既存在大量的磨損溝槽，而且出現(xiàn)了部分黏著形貌。

在分析泥漿密度對磨損機理的影響前，首先應(yīng)明確配置泥漿時的加重方法。本次研究所用泥漿加重劑成分主要為重晶石和鐵礦粉。重晶石粉主要成分為BaSO4（密度4.35 g/cm3），莫氏硬度在2.5～3.5之間，其顆粒形狀呈片狀;鐵礦粉主要成分為Fe3O4（密度為4.7g/cm3），莫氏硬度在5.0～6.0之間，其顆粒形狀呈塊狀。在密度為1.73g/cm3泥漿條件下，從圖5-a中可以看出，磨損機理主要為磨粒磨損。這是因為泥漿中的加重劑顆粒伴隨鉆桿接頭的轉(zhuǎn)動，在套管磨損表面發(fā)生相對滑動，形成長而淺的磨損溝槽。當(dāng)泥漿密度增加至2.26g/cm3時，從圖5-b中可以看出，磨損機理依然主要為磨粒磨損，但此時在發(fā)生磨粒磨損的同時，磨損表面伴有少量的磨屑堆積，這是因為隨著泥漿密度的增加，泥漿中加重劑顆粒的量增加，導(dǎo)致摩擦副間能量交換變大，磨損程度也隨之提高。當(dāng)泥漿密度增加至2.43g/cm3時，從圖5-c中可以看出，磨損機理為磨粒磨損與黏著磨損共存，此時在發(fā)生磨粒磨損的同時，磨損表面出現(xiàn)了部分黏著形貌，這是因為隨著泥漿密度的進(jìn)一步增加，導(dǎo)致摩擦副間能量交換進(jìn)一步變大，磨損表面因為摩擦熱導(dǎo)致材料軟化，在摩擦副間接觸力的作用下，加重劑中的磨粒被擠壓進(jìn)磨損表面，形成黏著結(jié)點。當(dāng)鉆桿接頭旋轉(zhuǎn)時，在套管磨損表面形成了較大的剪切作用力，剪切力會將磨損表面的黏著結(jié)點撕裂，形成黏著形貌。綜上所述，高密度泥漿對套管磨損面的磨損程度影響較大，實際應(yīng)用中應(yīng)選擇合適的泥漿密度及加重方法，以此控制長時間鉆井作業(yè)導(dǎo)致的套管磨損。

5 結(jié)論

（1）高性能水基泥漿密度對140V套管磨損初始階段的磨損體積、摩擦系數(shù)及磨損系數(shù)影響較大。泥漿密度越大，磨損越嚴(yán)重，在磨損進(jìn)行一段時間后，磨損體積、摩擦系數(shù)和磨損系數(shù)均呈現(xiàn)減小的趨勢并趨于穩(wěn)定。

（2）高性能水基泥漿密度對140V套管磨損機理影響較明顯，在低泥漿密度條件下，主要為磨粒磨損，隨著泥漿密度增加，發(fā)生磨粒磨損的同時會伴有部分黏著磨損。

參考文獻(xiàn)：

[1]王中華.國內(nèi)外油基鉆井液研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].斷塊油氣田，2011，18（04）：533-537.

[2]R.W.Hall，Jr.，Ali Garkasi，Greg Deskins，and John Vozniak.1994.Recent Advances in Casing Wear Technology. SPE27532.

[3]韓勇，歐陽春，肖國章，唐繼平，張斌，梁紅軍.深井套管磨損的全尺寸模擬試驗[J].鋼管，2010，39（S1）：1-10.

[4]張建兵，韓勇，肖國章.兩種主要高強度套管的耐磨性能試驗[J]. 天然氣工業(yè)，2015，35（02）：64-69.

[5]J.M.Schoenmakers，Casing wear during drilling： simulation， prediction，and control，SPE Drilling Engineering，Dec.1987，pp375-381.

[6]Hall W R Jr，Garkasi Ali，et al.Recent Advances in Casing Tech-nology [C].The 1994 IADC/SPE Drilling Conference，Dallas，Texas，1994：15-18.

[7]黃偉和.YK1井技術(shù)套管磨損分析[J].石油鉆探技術(shù)，1997，25（04）：27-28.

[8]李國亮，米紅學(xué)，王小增，竇益華.油基泥漿中P110套管磨損機理和耐磨性能[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2015，15（02）：83-87.