王家強(qiáng)

（長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

1 概述

在進(jìn)行石油鉆探過程當(dāng)中，除了設(shè)計好井深、井軌跡以避開危險區(qū)之外，使用合適的鉆桿、套管；設(shè)計優(yōu)良的套管性能也相當(dāng)重要。伴隨著石油工業(yè)的飛速發(fā)展，面對大位移井、水平井、深井都需要有足夠優(yōu)良性能的鉆井套管。所以，分析石油鉆井套管磨損十分重要，設(shè)計合理的防磨措施也成為了研究人員在科研工作當(dāng)中尤為需要注意的問題[1]。

2 套管磨損的影響因素

一般而言，影響套管柱磨損的成因主要分為鉆桿運(yùn)動形式不同、井壁狗腿角的大小、鉆井液的成分不同、套管材料不同等多種情況，以下就將對這些情況簡要分析[2]。

2.1 鉆桿柱的運(yùn)動形式不同時對套管磨損的影響

鉆桿柱在進(jìn)行起鉆和下鉆過程當(dāng)中，無可避免的將會對套管的內(nèi)壁產(chǎn)生一系列的影響，對此研究人員在做了大量研究后得到結(jié)論：鉆桿在往復(fù)移動時使得套管發(fā)生的磨損量要比鉆桿以旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動方式運(yùn)動時產(chǎn)生的磨損量小很多；并且鉆桿對套管的磨損程度也與接觸角的大小有關(guān)，接觸角越大時，其導(dǎo)致磨損量增大[3]。

2.2 井壁狗腿角的大小對套管磨損的影響

當(dāng)面對大位移井時，鉆桿在通過彎曲位置時，鉆桿的一部分就會和管壁接觸，從而產(chǎn)生正壓力，伴隨著狗腿度的增大，拉力也逐漸增大，這也會加快鉆桿和套管的磨損度。除了這些顯而易見的影響之外，井下的鋼絲繩、電纜等設(shè)施都會在一個很小的范圍與套管壁反復(fù)接觸，從而產(chǎn)生局部磨損，局部磨損的大小要取決于井壁狗腿度的大小。這些磨損對于套管承受擠壓強(qiáng)度的下降也會起到一個負(fù)面的作用[4]。

2.3 鉆井液成分對套管磨損的影響

鉆井液的成分對套管的磨損也是需要研究人員著重考慮的關(guān)鍵點(diǎn)之一，通過在實驗室內(nèi)對多種不同類型的鉆井液進(jìn)行套管磨損對比后可以發(fā)現(xiàn)，對于套管磨損效果最為顯著的是清水，在實驗室條件下會使得套管壁厚減少一半左右，而使用水基鉆井液對于套管磨損程度的改善最為明顯，大概也只有清水磨損套管的一半左右[5]。

2.4 套管材料對套管磨損的影響

套管材料對于套管的磨損程度也有著較大影響，通大量的實驗研究可以發(fā)現(xiàn)，在相同的實驗室環(huán)境之下，P110的材料磨損程度要遠(yuǎn)高于N80 材料的套管，而N80 材料的套管磨損程度要高于N50 套管。因此選擇合適鋼型的套管材料，對于減小套管磨損也有著及其重要的作用。

3 實驗方案

筆者通過以非加重水基鉆井液作為試驗介質(zhì)，分析套管磨損隨接觸載荷、摩擦行程、鉆桿轉(zhuǎn)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。

3.1 試驗裝置及工作原理

這是一臺MZM-500 型鉆桿／套管旋轉(zhuǎn)摩擦磨損試驗機(jī)，這套實驗裝置的具體結(jié)構(gòu)由圖1 所示，整個運(yùn)行原理由圖2 所示，可以通過大量的數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)溫度、摩擦因數(shù)、扭矩等數(shù)據(jù)的自動輸出。

圖2 實驗機(jī)器運(yùn)行原理

1-光電編碼器；2-轉(zhuǎn)矩傳感器；3-彈性連接軸；4-主軸箱；5-滑動座；6-腐蝕箱；7-試樣固定夾具；8-連桿；9-滑動導(dǎo)軌；10-主軸電機(jī)；11-小帶輪；12-主軸（花鍵軸）；13-內(nèi)試樣；14-外試樣；15-水泥環(huán)；16-加載砝碼；17-施力杠桿；18-加載輪。

3.2 實驗內(nèi)容

實驗主要通過改變接觸力、鉆桿的鉆速、鉆井液粘度、摩擦?xí)r間等實驗參數(shù)，通過設(shè)置不同實驗室條件對實驗進(jìn)行控制變量，鉆桿鉆速的實驗范圍在60-180r/min 之間，鉆桿總鉆速高于10 萬轉(zhuǎn)，接觸力在90-450N 之間。最終通過目視測量、計算測量等方式，定性、定量的對比對套管的磨損程度。

4 結(jié)果分析

4.1 套管磨損隨摩擦行程的變化趨勢

通過對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，可以通過控制變量的方法排查得到結(jié)果，實驗室條件初步設(shè)置為140r/min、270N的條件下，得到了套管磨損的變化曲線，如圖3 所示。

圖3 套管磨損量變化曲線

通過分析圖3 可以得到結(jié)論，在作業(yè)的初期套管的磨損比較大，伴隨著套管的壁厚磨損增加，鉆桿和套管的接觸面積變大，在套管壁厚在0.3 毫米到0.8 毫米之間時，套管的磨損程度最大，當(dāng)磨損壁厚高于0.8 毫米時，套管的磨損程度呈現(xiàn)逐步下降的趨勢。整體來看，套管磨損壁厚隨時間接近于線性趨勢變化[6]。

通過分析圖4的曲線，可以發(fā)現(xiàn)套管與鉆桿間的摩擦因數(shù)隨著時間的推移會產(chǎn)生逐步的變化，在同樣的實驗室條件下，室內(nèi)得到的平均摩擦系數(shù)，在測試時間足夠長的情況下和井場的實際情況基本相同，因此可以得到結(jié)論：通過降低摩擦因數(shù)，可以有效的減少套管的磨損程度。

圖4 270N 接觸力作用下套管磨損量的變化曲線

4.2 接觸力對套管磨損的影響

接觸力對套管磨損的影響也十分顯著，實驗主要采用N80套管，使用非加重鉆井液進(jìn)行研究，最后得到套管磨損率隨接觸力的變化趨勢（見圖5），可以得到結(jié)論：當(dāng)接觸載荷比較小的時候，接觸力與套管的磨損程度呈現(xiàn)出正相關(guān)的近乎于線性的關(guān)系，而當(dāng)載荷過高，高于360N 時，非線性的趨勢將會越發(fā)的明顯。

圖5 套管磨損率隨接觸力的變化趨勢

通過研究套管摩擦因數(shù)隨接觸力的變化趨勢（圖6）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摩擦系數(shù)基本處于穩(wěn)定的狀態(tài)，接觸載荷過大時，摩擦因數(shù)也會顯著增大，尤其是載荷在270N 到360N 之間時，摩擦因數(shù)的變化幅度要高于其他情況。

圖6 套管摩擦因數(shù)隨接觸力的變化趨勢

通過研究可以得知，因為接觸力增大，鉆桿和套管所要承受的應(yīng)力也會逐漸增大，但是增大趨勢較為均勻，如果出現(xiàn)異常磨損，那么接觸應(yīng)力的分布非均勻性應(yīng)當(dāng)是主要原因。

4.3 鉆桿轉(zhuǎn)速對套管磨損的影響

通過采用非加重介質(zhì)的鉆井液進(jìn)行實驗，當(dāng)實驗條件調(diào)整為270N的載荷情況下，可以得到N80 套管在實驗室條件下套管磨損率隨鉆桿轉(zhuǎn)速的變化趨勢[7]。從圖中可以發(fā)現(xiàn)鉆書在60r/min 到100r/min 時，隨鉆桿轉(zhuǎn)速增高套管磨損率略有增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大直到140r/min 時，套管磨損率繼續(xù)以近乎線性的方式持續(xù)上升，而套管磨損率吧逐漸升高至180r/min 之上時，出現(xiàn)了套管磨損率下降的情況（圖7）。這些情況通過鉆桿鉆速與摩擦因素的曲線也可以發(fā)現(xiàn)（圖8）。

圖7 套管磨損量與鉆桿轉(zhuǎn)速關(guān)系

圖8 摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢

從實際情況的角度進(jìn)行分析，認(rèn)為在高鉆速下鉆井設(shè)備極有可能發(fā)生共振，當(dāng)發(fā)生共振時，就有可能發(fā)生上述情況，同時在這種情況下各類電子、機(jī)械儀器都會有著較高的故障率，各種實驗儀器的可靠性也會隨之降低，不會得出符合現(xiàn)場的結(jié)果。因此在后續(xù)的研究過程當(dāng)中，如何解決共振問題也將會是難點(diǎn)之一，同時在現(xiàn)有的工況之下，鉆桿鉆速也不應(yīng)當(dāng)高于140r/min，以保證工程的安全性。

5 結(jié)論及防護(hù)措施

綜上所述，受限于技術(shù)方法、應(yīng)用條件等要素的影響，套管磨損所造成的問題對于石油行業(yè)造成損失極大，解決問題刻不容緩，對于防護(hù)措施，業(yè)內(nèi)一般采用以下幾種手段予以防護(hù)[8-10]。

5.1 安裝耐磨帶

在實際的工作當(dāng)中，通常會采取安裝防磨帶作為防護(hù)措施，這一措施會有效的減緩鉆桿的扭矩。通過安裝在鉆桿的合適位置，可以實現(xiàn)鉆桿與套管的有效隔離，從而實現(xiàn)保護(hù)工具、增加使用壽命的意圖。

5.2 安裝鉆桿保護(hù)器

通過安裝鉆桿保護(hù)器，可以使用橡膠材料發(fā)揮作用。鉆桿保護(hù)器分為旋轉(zhuǎn)型與非旋轉(zhuǎn)型兩種，通過讓鉆桿與套管壁有足夠的空隙，最終達(dá)到減緩磨損、保護(hù)鉆桿與套管的作用。

5.3 旋轉(zhuǎn)鉆柱接頭

采取旋轉(zhuǎn)鉆柱接頭，可以有效的降低大斜度井、大位移井的扭矩?fù)p失，延緩鉆桿和套管磨損，將鉆柱與套管之前的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，減小摩擦系數(shù)。采取同等技術(shù)可以在降低磨損、延緩疲勞的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)節(jié)約能源的目的。