钻井液密度对高钢级套管磨损量的影响研究

现有研究较少涉及高密度钻井液作用下高钢级套管的磨损程度分析,缺少高密度钻井液作用下预测和计算高钢级套管磨损所需的磨损效率和摩擦因数。为此,模拟井下工况,在高密度聚磺体系钻井液中进行了非API标准的TP140钢级套管磨损试验,分析了聚磺体系钻井液密度对TP140套管磨损性能的影响。分析结果表明,在聚磺体系水基钻井液中,当正压力和转速一定时,钻井液密度越大,TP140钢级套管的磨损效率、摩擦因数和套管磨损综合评价因子越大;采用套管磨损综合评价因子衡量套管耐磨性能更为合理。     

深井和超深井套管磨损研究现状及发展趋势

在深井、超深井、大斜度井、大位移井及水平井钻井中,钻井时间延长,钻杆运动复杂,使其作用在套管上的侧向力增大,因此套管和钻柱的摩擦与磨损问题越来越突出。概述了近年来国内外深井、超深井套管磨损机理及预测技术的研究动态,讨论了套管磨损的机理及其影响因素,指明今后关于深井、超深井套管磨损研究的发展趋势。     

全尺寸套管磨损试验研究

在超深井、大斜度井、大位移井和水平井或狗腿度严重的井段和套管下入后的长期裸眼钻井过程中,经常会出现套管磨损问题,降低了油气井寿命甚至造成油气井报废。采用美国Maurer公司的全尺寸套管磨损试验机,在泥浆中加入不同加重剂——铁矿粉和重晶石、减摩剂,施加不同侧向力,对采用不同钻杆接头的套管进行了磨损试验,分析了不同情况下套管的磨损,并提出了预防套管磨损的措施。     

钻杆防磨技术的现状和发展

在深井超深井勘探过程中，由于径向力、涡动、横向振动等因素的存在，随着钻井时间的增长，钻柱作用于套管内壁的侧向力增大，导致套管磨损的问题越来越严重。介绍了近年来钻杆防磨技术的发展，主要从钻杆接头表面处理和钻杆保护器2方面来研究防磨减磨措施的现状和发展。     

基于钻杆检测的套管磨损监测技术研究与试验

鉴于目前钻井现场缺乏有效的套管磨损监测技术的现状,建立了利用钻杆接头磨损量、钻柱组合和钻时数据反算套管磨损量的计算模型,编制了相应的计算程序,形成了一套可计算任意井深处套管磨损量的现场监测技术。建模时假设套管与钻杆接头的磨损量与磨损时间成正比,套管磨损量与钻杆接头磨损量成比例。现场试验结果表明,钻杆接头外径检测方法可以计算出各井深处套管磨损的体积,而且监测和计算过程不复杂,操作过程对钻井作业不产生影响,是适合现场操作的套管磨损监测方法。     

深井套管磨损几何力学模型及计算分析

在深井、超深井钻井过程中,套管磨损有可能导致套管封隔失效和油气井的早期报废.建立了深井钻杆与套管之间磨损模型,对深井套管磨损机理进行分析,研究钻杆本体与套管的接触情况,计算钻杆与套管之间的接触力.讨论了井眼曲率、套管钢级、钻杆轴向拉力、钻井时间对套管磨损的影响.应用所建的模型分析了不同因素对套管磨损厚度的影响,预测了深井套管磨损厚度.     

钻井液黏度对套管磨损影响的实验研究

在深探井钻井过程中，套管磨损问题越来越引起广泛重视。钻井液作为套管和钻杆之间的介质，研究其黏度对套管和钻杆磨损的影响具有重要的现实意义。采用磺化水基钻井液，针对钻井液的黏度进行了一系列不同工况下的套管和钻杆磨损实验。结果表明，清水在钻杆接头和套管之间的磨损中，减磨效果最差，套管磨损表面呈现大量的剥落坑；套管和钻杆的磨损主要是接触疲劳磨损和磨粒磨损共同作用的结果，出现了大量的剥落和球状颗粒；高黏度钻井液比低黏度的钻井液润滑作用强，因此钻井液黏度越高，套管和钻杆的摩擦系数越低，减缓了套管和钻杆的磨损，延长了套管和钻杆的使用寿命。     

重晶石和铁矿粉对套管磨损的实验研究

在深井和超深井钻井过程中，为提高钻井液密度经常使用重晶石和铁矿粉加重，造成了套管和钻杆的磨损。利用美国Maurer公司引进的全尺寸套管磨损试验机，对比考察了钻井液中所含的重晶石和铁矿粉对套管和钻杆试件摩擦摩损性能的影响，并采用扫描电子显微镜观察分析了磨损表面形貌，探讨了其磨损机理。结果表明，随着钻井液中铁矿粉含量的增大，磨损机理由磨粒磨损转变为黏着磨损；随着铁矿粉含量减小、重晶石含量增加、套管的磨损变为磨粒磨损；重晶石和铁矿粉混合以一定比例加入钻井液作为加重剂时比单纯地使用铁矿粉或重晶石作为钻井液加重剂效果要好。     

大位移井套管柱磨损的探讨

套管磨损是钻井过程中必然存在的现象。进行套管磨损预防、预测与处理技术的研究具有十分重要的意义。文中用硬度、摩擦因素、侧向力、钻柱接头外径、钻速和磨损时间建立起套管磨损速度模型，建立并推导了套管磨损面积的关系式及任意给定位置磨损套管的剩余壁厚的表达式。     

钻杆与套管摩擦磨损的试验研究

模拟井下工况,利用钻杆/套管摩擦磨损试验机试验分析了摩擦行程、钻井液黏度、接触载荷和钻杆转速等因素对套管磨损的影响规律。得出套管磨损量与摩擦行程、磨损率与接触载荷均呈现近似的线性关系;接触力增大,摩擦因数总体上有增大的趋势;增加钻井液黏度可以使摩擦因数有所降低,但不能大幅降低套管磨损;钻杆转速超过140r/min时,转速增加引起的摩擦副振动逐渐加剧直至共振,导致套管磨损率出现较大幅度的上升。该研究成果为钻井参数优选、套管磨损预测和减磨优化设计提供了参考依据。     

油气井套管磨损规律试验研究

为增强油气井套管减磨设计的针对性,对套管磨损规律进行了试验研究。利用模拟井下工况的钻杆/套管摩擦磨损试验机,通过改变试验载荷,首先分析了接触力对套管磨损的影响;再以S45C、S55C、N80和P110等钢级套管在不同密度钻井液中进行试验,对比分析了各材质套管在不同加重剂条件下的磨损特性。试验发现:在非加重钻井液中,套管的磨损率普遍较高;随着钻井液密度增大,套管磨损率先快速降低后又缓慢上升;重晶石粉与铁矿粉的质量比为2:1时,加重剂的减磨效果最显著。研究表明:套管磨损率与接触力呈近似线性关系;将接触力控制在一定范围内并合理选配加重剂和套管材质,可使套管磨损降至最低水平;套管磨损效率与其抗拉强度和屈服强度的比呈幂函数关系,并给出了计算套管磨损效率的经验公式。该研究结果可为套管磨损预测提供依据。      

Experimental study of casing wear under impact-sliding conditions

Theoretical analysis and field monitoring show that lateral vibration has very important effect on casing wear in deep & ultra-deep well drilling.The wear mechanism ofcasing under impact-sliding work conditions has been investigated and many experiments have been completed with a newly developed full-scale casing wear test machine.Test results present that adhesion wear,contact fatigue,and grinding abrasion are the main wear mechanisms under impact-sliding test conditions.The friction coefficient and linear wear rate ofthe casing rise obviously with an increase in impact load.And the larger the impact load,the rougher the worn surface ofthe casing.The linear wear rate decreased slightly but the average friction coefficient increased slightly with an increase in impact frequency under an impact load of2,500 N.Both the linear wear rate ofthe casing and the average friction coefficient increased substantially with an increase in impact frequency under an impact load of4,000 N.Under lower impact load conditions,grinding abrasion and contact fatigue are the main mechanisms ofcasing wear;under higher impact load conditions,adhesion wear and contact fatigue are the main mechanisms ofcasing wear.     

南海西部油田高温高压气井套管磨损预测

为避免南海西部油田高温高压气井套管磨穿问题的发生,对套管磨损进行了预测。采用滑台式套管磨损试验机,在模拟工况下开展了系列磨损试验,得到了接触力、转速、钻井液密度等参数与套管磨损量之间的关系,求取了套管壁厚损失、抗内压强度、抗外挤强度及安全系数等参数。试验结果显示,接触力越大,转速越高,钻井液密度越大,则套管累计磨损量越大;不同耐磨带对应的套管磨损不同且差别较大,在设计工况下套管磨损系数小于2.0×10-14 Pa-1。以A7H井为例,造斜率为3°/30m,φ339.7 mm和φ244.5 mm套管磨损后壁厚分别减小8.5%和13.1%,抗内压强度分别降低8.0%和13.0%,抗外挤强度分别降低8.0%和13.0%,抗内压最小安全系数分别为1.41和1.47,抗外挤强度最小安全系数分别为1.22和1.20,强度满足相关标准的要求,现场作业中未出现套管磨损失效现象。研究表明,接触力、转速、钻井液密度相同的条件下,磨损量与磨损时间之间呈多项式关系;该预测方法可较为准确地预测套管磨损程度,从而决定是否采取防磨减磨措施,避免井下故障发生。      

套管钻井中套管柱疲劳可靠性及相关力学特性研究

利用CAE仿真技术和可靠性疲劳实验方法,研究了套管钻井中的有关力学问题.分析了不同径厚比套管的受力状态、磨损套管剩余强度、套管柱的振动模态和疲劳可靠度.研究结果表明,径厚比越大,套管管体Mises应力越大,套管发生失稳的临界荷载越小.对于均匀磨损,随着磨损长度的增大,套管的剩余抗拉和抗扭强度逐渐变大,并达到一个极限值;对于非均匀磨损,其剩余抗拉强度与磨损长度之间的关系均近似服从指数分布.两种磨损状态下,套管柱剩余抗拉和抗扭强度都随磨损量的增加而降低;套管柱外径对套管横向振动固有频率的影响大于径厚比对其的影响,纵向固有频率主要取决于管柱长度.运用可靠性方法,基于概率分析设计了单轴和双轴疲劳可靠性试验,得到了套管柱的单轴和双轴概率疲劳特性,推导出套管钻井的P-S-N曲线方程.     

复杂结构井磨损套管连接螺纹的三维力学行为

随着水平井、定向井、大位移井及大斜度井钻井技术在石油钻井工程中的广泛应用,由钻柱与套管间侧向接触力引起的套管连接螺纹磨损问题日益突出,导致了修井周期缩短,开采成本增加,成为制约钻采工程效益的主要因素之一。近年来,不少学者对套管磨损问题进行了大量研究,但均集中于套管非连接部分,而复杂结构井中磨损套管连接螺纹的三维力学行为研究鲜见报道。针对上述问题,基于虚功原理、Von Mises屈服准则以及接触非线性理论,建立了磨损套管连接螺纹的三维数值仿真模型,研究了复杂结构井中套管的上扣特性以及固井条件下磨损深度、磨损开度与井眼曲率对套管连接螺纹的影响。研究结果表明:磨损与井眼曲率对套管连接螺纹的应力状态影响极大,常见的某些工况会导致套管螺纹的连接性能和密封性能降低,考虑到服役后开采时的压力波动,常规的水平井、定向井、大位移井及大斜度井弯曲段套管连接螺纹的设计和选型应着重考虑磨损和井眼曲率的影响;针对设计曲率井眼中的每种待选螺纹类型,都应考虑可预见的磨损进行精细化数值计算,以确保其安全工作。     

月牙形和偏心圆筒形内壁磨损套管应力分析

为了分析偏心圆筒形磨损套管和月牙形磨损套管的等效应力,以177.8 mm×12.65mm的P110钢级套管为例,建立了月牙形磨损套管和偏心圆筒形磨损套管的有限元模型,用有限元法分析了内、外压作用下不同磨损深度套管的偏心圆筒形模型和月牙形磨损模型的等效应力,同时还分析了不同直径钻杆磨损后月牙形磨损套管的等效应力。分析结果表明,受磨损套管内部应力的影响,在内、外压作用下月牙形磨损套管的等效应力大于偏心圆筒形磨损套管的等效应力;将月牙形磨损模型转化为偏心圆筒形模型来分析磨损套管的等效应力是危险的,相同磨损深度和载荷作用下月牙形磨损模型的等效应力更大;将月牙形磨损模型转化为偏心圆筒形模型来分析磨损套管的剩余强度值偏大。     

Prediction of casing wear in extended-reach drilling

Intermediate casings in the build sections are subject to severe wear in extended-reach drilling. This paper presents a new method for predicting the depth of a wear groove on the intermediate casing. According to energy principle and dynamic accumulation of casing wear by tool joints, a model is established to calculate the wear area on the inner wall of the casing. The relationship functions between the wear groove depth and area are obtained based on the geometry relationship between the drillstring and the wear section and the assumption that the casing wear groove is crescent-shaped. The change of casing wear groove depth versus drilling footage under different-sized drillstrings is also discussed. A mechanical model is proposed for predicting casing wear location, which is based on the well trajectory and drillstring movement. The casing wear groove depth of a planned well is predicted with inversion of the casing wear factor from the drilled well and necessarily revised to improve the prediction accuracy for differences between the drilled well and the planned well. The method for predicting casing wear in extended-reach drilling is verified through actual case study. The effect of drillstring size on casing wear should be taken into account in casing wear prediction.     

非均匀套管磨损对套管强度的影响

在深井、大位移井钻井过程中,由于钻杆与套管长时间的接触会造成上层套管受到不均匀磨损,导致套管抗挤强度和抗内压强度降低,给安全钻井带来隐患。根据ISO 10400推荐的套管抗挤强度和抗内压强度计算模型,考虑磨损后套管壁厚不均度、内壁不圆度的影响,推导出了非均匀磨损套管抗挤强度和抗内压强度的计算模型,分析了套管磨损厚度对套管抗挤强度和抗内压强度的影响。计算结果表明,非均匀磨损套管的抗挤强度和抗内压强度降低百分比随套管磨损厚度的增加而增加;在相同的磨损厚度情况下,磨损后套管的抗挤强度比抗内压强度降低得更快;与磨损后CS 110T套管抗挤强度试验数据相比较,由理论计算出的非均匀套管磨损抗挤强度与实测值的相对误差在5%以内。该计算模型为深井、大位移井钻井过程中非均匀套管磨损提供了新的评价方法。     

YK1井技术套管磨损分析

通过对ＹＫ１井技术套管磨损进行力学分析，认为井身质量（尤其是全角变化率）、钻柱轴向拉力及侧向力、钻井时间、套管强度、套管内外钻井液密度、固井质量等是影响深井（超深井）套管磨损的主要因素。计算了该井技术套管磨损量并描述了套管磨损形状。