梁爾國，王仲民，劉　瑛，李國琴

實驗研究

鉆桿與套管摩擦磨損的試驗研究

梁爾國，王仲民，劉瑛，李國琴

（天津職業(yè)技術師范大學機械工程學院，天津300222）

模擬井下工況，利用鉆桿／套管摩擦磨損試驗機試驗分析了摩擦行程、鉆井液黏度、接觸載荷和鉆桿轉速等因素對套管磨損的影響規(guī)律。得出套管磨損量與摩擦行程、磨損率與接觸載荷均呈現(xiàn)近似的線性關系；接觸力增大，摩擦因數(shù)總體上有增大的趨勢；增加鉆井液黏度可以使摩擦因數(shù)有所降低，但不能大幅降低套管磨損；鉆桿轉速超過140 r／min時，轉速增加引起的摩擦副振動逐漸加劇直至共振，導致套管磨損率出現(xiàn)較大幅度的上升。該研究成果為鉆井參數(shù)優(yōu)選、套管磨損預測和減磨優(yōu)化設計提供了參考依據。

套管；鉆桿；磨損；試驗

在深井、超深井和大位移井的鉆探過程中，套管磨損問題一直很突出。套管磨損后其承載能力降低，給后續(xù)的鉆完井、采油及修井均帶來重大影響。準確把握套管的磨損規(guī)律對套管磨損預測和減磨設計都具有指導意義。研究表明，套管磨損是由鉆桿旋轉產生，主要受到接觸載荷、摩擦行程、鉆桿轉速、鉆井液性能等因素的影響［1-5］。目前，業(yè)內對套管磨損的具體規(guī)律還缺乏足夠的認識，導致防磨減磨措施的穩(wěn)定性和可靠性都達不到工程的要求，同一區(qū)塊的2口井采用相同的套管減磨措施，其減磨效果不同［6-8］。加強套管磨損原理的研究是上述技術得到突破的前提。

本文擬采取試驗研究方法，以非加重水基鉆井液作為試驗介質，分析套管磨損隨接觸載荷、摩擦行程、鉆桿轉速、鉆井液黏度等因素變化的一般規(guī)律；探討套管出現(xiàn)劇烈磨損的原因，對鉆井參數(shù)的優(yōu)選提出建議。研究結論為不同工況下的套管磨損預測和防磨減磨設計提供參考依據。

1　試驗方案

1．1 試驗裝置及工作原理

MZM-500型鉆桿／套管旋轉摩擦磨損試驗機由主機、試樣及加載系統(tǒng)、數(shù)據采集系統(tǒng)等組成。主體結構如圖1a所示。套管試樣與外框之間用水泥封固，整體再以夾具固定在滑動座上。鉆桿隨主軸轉動，在杠桿施力系統(tǒng)的載荷作用下，使套管和鉆桿接觸并產生磨擦磨損，如圖1b所示。通過數(shù)據采集系統(tǒng)和處理軟件實現(xiàn)轉速、溫度、摩擦因數(shù)、接觸力、扭矩等參數(shù)的自動輸出［9］。

圖1　試驗機原理

1．2 試驗方法

鉆桿試件從S135型鉆桿截取（規(guī)格?73 mm× 9．2 mm，長度50 mm）；套管試件從N80套管截取，外徑139．7 mm、長度60 mm。以取自油田的KCl聚合物鹽水體系泥漿為主要試驗介質，鉆井液塑性黏度為20mPa·s，動切力約為2．1 Pa，密度為1．06 g／cm3。

通過改變接觸力、摩擦時間、鉆桿轉速、鉆井液黏度等試驗參數(shù)，在不同的工況下分別進行單因素試驗。其中，接觸力為90～450 N；鉆桿轉速為60～180 r／min；調配的鉆井液塑性黏度約為20～70 mPa·s；鉆桿總轉數(shù)≥10萬轉，根據目測套管磨損狀況適當增加或減少磨損行程。

試驗考察的套管磨損指標主要為：磨損厚度、磨損率和摩擦因數(shù)。其中，磨損厚度數(shù)據在試驗過程中能夠得到自動記錄；精確分析采用高精密電子天平測量并計算出套管的磨損量。磨損率定義為每千米摩擦行程套管的磨損質量。

2　結果分析

2．1 套管磨損隨摩擦行程的變化趨勢

在140 r／min、270 N條件下進行套管磨損試驗。轉速一定的情況下，套管磨損過程描述就轉化為磨損隨時間的變化趨勢。圖2為套管磨損量變化曲線。可以看出，在磨損初期套管的磨損速度較快；隨著磨損壁厚的增加，鉆桿與套管的接觸面積增大，當磨損壁厚≥0．3 mm時，套管磨損壁厚隨摩擦時間呈現(xiàn)近似的線性趨勢增長；而磨損壁厚達到0．8 mm左右時，磨損速度略有降低。由此可見，套管磨損壁厚隨時間接近于線性趨勢變化。

圖2　270 N接觸力作用下套管磨損量的變化曲線

從圖3的摩擦因數(shù)曲線可以看出，在開始階段鉆桿與套管磨合，摩擦因數(shù)起伏很大，經過一段時間的磨合以后，曲線趨于平穩(wěn)。由于接觸面積不斷增大，摩擦因數(shù)有緩慢增大的趨勢。

圖3　270 N接觸力作用下摩擦因數(shù)曲線

通過分析可知，套管與鉆桿間的摩擦因數(shù)并不是一成不變的，它隨著工況、鉆桿與套管間的磨合而發(fā)生變化。在同等工況下，室內試驗得出的平均摩擦因數(shù)與井場實際測定值較為接近；從廣義范圍來看，摩擦因數(shù)減小，磨損總體上的趨勢也是減小。因此，降低摩擦因數(shù)多數(shù)情況下能達到減少套管磨損的目標。

2．2 鉆井液黏度對套管磨損的影響

在90 N、100 r／min的試驗條件下，分別以清水和2種黏度的水基泥漿作為介質進行試驗。水基泥漿1的黏度小于水基泥漿2。如圖4所示，相同時間內套管在不同介質中的磨損量為：清水大于水基泥漿1，水基泥漿1大于水基泥漿2；在水基泥漿2的條件下，鉆桿／套管摩擦副較另兩組試驗的磨合時間縮短，說明增加鉆井液黏度有助于降低套管磨損。

圖4　不同類型介質中套管磨損曲線的對比

在高黏度鉆井液介質中試驗的結果表明，鉆井液黏度增高到一定數(shù)值（試驗范圍內塑性黏度約為60 m Pa·s），套管磨損率將趨于穩(wěn)定，說明單純提高黏度達不到套管減磨的目的［6］。常規(guī)鉆井液黏度主要決定于造漿黏土、加重劑類型及含量、聚合物高分子的含量等，這幾種物質都是以物理吸附的方式參與界面潤滑，潤滑膜的強度一般較弱。鉆井液黏度對套管磨損的影響與接觸載荷密切相關，認為高黏度鉆井液能大幅降低套管磨損的觀點是不準確的。

實際鉆井中，鉆井液黏度多數(shù)根據地層情況進行調整，但總體上與密度保持一致。高黏度鉆井液不僅流變性差，消耗大量的能量，還容易引起井下事故。改善界面的潤滑性可以采用添加潤滑劑或減磨劑等多種方法，并且保持鉆井液的黏度基本穩(wěn)定［10］。套管磨損與鉆井液黏度之間沒有確定的函數(shù)關系。

2．3 接觸力對套管磨損的影響

以N80套管在非加重鉆井液介質中進行試驗，套管磨損率隨接觸力的變化趨勢如圖5所示。接觸載荷較小時，套管磨損率隨接觸力呈現(xiàn)近似線性趨勢變化；當接觸載荷≥360 N時，套管磨損率上升較快，非線性趨勢明顯增強。

圖5　套管磨損率隨接觸力的變化趨勢

圖6為對應摩擦因數(shù)的變化曲線，可以看出當接觸載荷較小時，摩擦因數(shù)基本穩(wěn)定，但總體有增大的趨勢；當接觸載荷≥300N時，摩擦因數(shù)明顯增大；其后又呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。載荷為270～360 N時，摩擦因數(shù)的變化幅度較大。

圖6　摩擦因數(shù)隨接觸力的變化趨勢

摩擦因數(shù)受多種因素影響，非加重鉆井液介質中，套管磨損的主要形式為鉆桿表面凸起對套管的直接切削或犁削作用。在高接觸載荷作用下，套管磨損區(qū)不同部位的變形差異很大，導致套管對鉆桿形成了一種“抱緊力”，機械互鎖效應使摩擦因數(shù)增大。在此，金屬材料的宏觀摩擦磨損機理占主導地位。隨著接觸力的增大，鉆桿與套管的接觸應力分布有均勻化的趨勢，但磨損量增大的結果卻使接觸應力非均勻分布程度進一步增大［11］。接觸應力分布的非均勻性是摩擦因數(shù)呈現(xiàn)一定趨勢變化的主要原因。

在深井和大位移井的鉆探過程中，鉆頭破碎巖石并不是連續(xù)的過程，鉆壓經常處于波動狀態(tài)。使鉆桿與套管之間的接觸力上下浮動，導致摩擦界面很難磨合。套管出現(xiàn)非正常的劇烈磨損，絕大多數(shù)是由于鉆桿與套管之間接觸力發(fā)生了變化引起的。保持鉆壓和轉速穩(wěn)定有利于控制套管磨損。

2．4 鉆桿轉速對套管磨損的影響

在非加重介質中，在270 N載荷作用下進行試驗。圖7為N80套管磨損率隨鉆桿轉速的變化趨勢。可以看出當轉速從60 r／min變化到100 r／min時，隨鉆桿轉速增高套管磨損率略有增大；當轉速從100 r／min變化到140 r／min時，套管磨損率上升幅度較大，磨損率絕對增加值接近40 mg／km；之后，當轉速從140 r／min增加到180 r／min時，套管磨損率的上升速度又變得較為緩慢。一定的轉速范圍內套管磨損出現(xiàn)較大的攀升，估計是由于原有的界面潤滑失效引起的。重新建立起潤滑平衡后，磨損速率會逐漸趨于穩(wěn)定。

圖8為摩擦因數(shù)隨轉速的變化曲線。摩擦因數(shù)的變化趨勢是先減小后增大，轉速超過140 r／min以后，摩擦因數(shù)明顯增大。

圖7　套管磨損量與鉆桿轉速關系

圖8　摩擦因數(shù)隨轉速的變化趨勢

套管磨損率隨轉速增大的現(xiàn)象很難用轉速引起溫度升高來解釋，因為實際鉆井過程中，正常的鉆桿轉速很少超過200 r／min，從滑動摩擦磨損的角度來說，仍屬于低速摩擦磨損。即正常的轉速不會導致接觸區(qū)的溫度明顯升高。進一步試驗分析發(fā)現(xiàn)，轉速超過140 r／min時鉆桿與套管間的振動加劇，振幅隨轉速而變大；當轉速達到180 r／min時，共振現(xiàn)象已經非常明顯，鐵屑明顯增多。

從實際井場發(fā)生共振的情況來看，在高轉速下深井鉆具設備發(fā)生共振的幾率較高［12］。發(fā)生共振時套管處于非正常磨損狀態(tài)，套管磨損預測精度和各種減磨措施的可靠性都會大幅降低。因此，采取措施避免鉆柱和鉆井設備的共振不僅可以延長鉆具使用壽命，還能有效防止套管磨損情況的發(fā)生。實際鉆井中，鉆桿轉速以不高于140 r／min為宜。

3　結論

1） 通過室內模擬試驗，分析了套管磨損隨摩擦行程和鉆井液黏度的變化趨勢。得出套管磨損壁厚與摩擦行程呈近似的線性關系；增加鉆井液黏度有助于改善界面的潤滑狀況，但不能實現(xiàn)大幅降低套管磨損的目標。

2） 深入分析了接觸載荷對套管磨損的影響。得出接觸力較小時，套管磨損率與接觸力接近于線性關系；隨著接觸力的增大，摩擦因數(shù)有增大的趨勢，套管磨損的非線性趨勢增強。保持鉆壓穩(wěn)定有利于控制套管磨損。

3） 當鉆桿轉速從100 r／min變化到140 r／min時，鉆桿與套管之間的潤滑平衡易被打破，導致套管磨損加??；轉速過高所引起的系統(tǒng)振動是套管劇烈磨損的主要原因。實際鉆井中鉆桿轉速以不高于140 r／min為宜。

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Experimental Research of Friction and Wear for Drill Pipe and Casing

LIANG Erguo，WANG Zhongmin，LIU Ying，LI Guoqin
（College of Mechanical Engineering，Tianjin Uniuersity of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

The friction and wear between drillpipe and casing down hole were simulated under different condition，on the basis of drillpipe／casing friction and wear testing machine test friction stroke，contact force，rotational speed the of drillpipe，viscosity of drilling fluids，penetration rate and other factors on casing wear．The casing wear and friction stroke were obtained，the wear rate and contact force showed a linear relationship．Contact force increases，an increasing trend in the overall coefficient of friction．The increased drilling fluid viscosity helped to shorten the runningin period and reduce casing wear．Drill pipe rotation speed of more than 140 r／min，the speed increase caused by vibration of the friction pair was gradually intensified，resulting that a substantial growth exited in casing wear rate．Preliminary study of the casing wear mechanism is for the casing wear prediction and antifriction to optimize the design to provide a reference．

casing；drill pipe；wear；testing

TE931．20

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．02．010

1001-3482（2015）02-0047-05

2014-08-06

梁爾國（1970-），男，山東鄆城人，工程師，博士，1995年畢業(yè)于北京理工大學機電工程專業(yè)，主要從事油氣井管柱力學方面的理論與試驗研究，E-mail：liangerguo＠163．com。

2014-08-12

中石化江蘇油田分公司科研項目“?139．7mm套管水平井連續(xù)油管找水工藝研究與應用”（JS14029）

徐貴春（1980-），男，江蘇興化人，工程師，2005年畢業(yè)于西安石油大學石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事水平井完井、找堵水的研究工作，E-mail：xugc．jsyt＠sinopec．com。