王家強(qiáng)
(長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北 武漢 430100)
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]。
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]。
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]。
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]。
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]。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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]。
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。
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。
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。