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。     

钻井时效对长水平段页岩气井套管磨损影响因素分析

深层页岩气井钻井施工时,由于水平段长度及钻井作业周期均比较长,套管磨损现象相对严重,不合理的钻井设计还会加剧套管的磨损,导致套管强度下降,严重威胁页岩气井的安全经济生产。为此,基于磨损效率模型,建立了相应的磨损预测计算方法,重点探讨了页岩气水平井钻井时磨损的影响因素与规律,并给出相应的减磨防磨方案,保障钻井施工安全。研究表明:总进尺量与磨损量成正比;过低的机械钻速会明显增加磨损量;造斜段狗腿度与套管磨损量成正比;磨损量会随着井斜角的增加而增加,但增加速度会逐渐减小。     

套管外表面均匀磨损和偏磨后的挤毁试验研究

在套管钻井中,由于套管外表面被磨损后外径、壁厚和径厚比等都发生了改变,抗挤强度下降,严重影响整口井的安全。为了模拟套管外表面在井下受到的均匀磨损和偏磨情况,选择同一规格的7根套管试样对其外表面进行小磨损量的均匀磨损和偏磨挤毁试验、对比分析和研究。结果表明,径厚比是影响套管磨损后抗挤强度的主要因素;随着磨损量的增加,试验值与API挤毁公式计算值差值增大,表明套管局部长度外表面磨损量较大时API公式不再适用,需要修正。     

磨损对套管接头拉伸与内压强度的影响

采用弹塑性有限元方法 ,建立了套管接头磨损拉伸与抗内压的有限元力学模型。对套管接头处内壁不同磨损量时的抗内压强度和抗拉强度进行了计算分析 ,得出了磨损量与套管接头抗内压系数的定量数据和磨损量与套管接头抗拉系数的定量数据。同时 ,在不同磨损量下 ,分析了套管接头内VonMises应力和套管接头内的变形 ,所得出的抗内压强度系数kp和抗拉强度系数kt为磨损套管柱的强度设计和校核提供了定量的理论数据。     

两种套管剩余强度计算方法的对比与应用

在深井、超深井的钻探过程中,套管磨损问题越来越突出,严重影响了钻井施工和后续的开发生产。以X井为对象,在分析套管磨损量的基础上,分别运用最小壁厚法和弹塑性有限元分析法对磨损套管的剩余强度进行了计算。计算分析表明,弹塑性有限元分析法计算的剩余抗内压和抗外挤强度比最小壁厚法的结果均稍大,且更贴近实际,该方法的计算结果对现场选择套管及采取防磨措施具有重要的指导意义。     

山前地区深井超深井套管防磨与减磨技术研究

针对山前地区深井超深井钻井过程中套管磨损严重的问题,在分析套管磨损机理的基础上,开展了山前地区套管防磨与减磨技术研究,基于技术研究成果及应用实践,得到如下结论:1应用Power V等垂直钻井系统控制井眼轨迹,特别是上部井段的狗腿度和井斜,可明显减小侧向力和磨损量,缩短套管磨损时间;2应综合考虑套管磨损率、磨损系数以及钻杆耐磨带本身的磨损量,优选出效果最优的耐磨带;在狗腿度严重的位置,可考虑采用一定数量的橡胶钻杆卡箍来减轻对套管的磨损;3山前地区钻井液采用CX-300减磨剂能够显著降低磨损速率,减轻套管磨损程度,但在不同钻井液体系使用之前应进行优化分析以确定最佳使用量;4在迪那204井使用高密度钻井液体系,全部采用优选的高密度重晶石粉代替铁矿粉作为加重剂,整个钻进过程中未出现钻具及套管磨损,迪那204井易损件消耗量仅为邻井迪那203井的左右,防磨减磨效果非常显著。     

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用弹塑性有限元方法 ,建立了套管的有限元力学模型。给出了磨损量、抗内压强度系数的确切定义。对套管内壁不同磨损量的抗内压强度系数进行了分析计算 ,得出了套管的抗内压强度与内壁磨损量成抛物线关系。并分析了不同磨损量时 ,在内压作用下 ,套管管体达到屈服时 ,磨损量与抗内压系数、套管内VonMises应力以及套管内的位移变化关系。并得出了P110× 2 4 4 .4 8mm× 11.99mm套管结构尺寸下 ,磨损套管抗内压系数与其磨损量的经验公式 ,为磨损套管柱设计提供理论数据。     

磨损套管抗内压强度试验与有限元分析

当套管受到严重偏磨时,套管抗内压和抗外压能力显著下降。鉴于此,从理论和试验2个方面分别研究了磨损套管的抗内压强度,研究结果表明:(1)在内压作用下,磨损套管的周向应变发生局部变化,最大值主要发生在磨损与未磨损的过渡区,最小值集中在磨损最严重的区域,因此套管截面在磨损区域"内凹";(2)在相同内压力作用下,随着磨损量的增大,磨损最严重处先周向变形减小且内收缩,继而周向变形增大,与磨损区相对的另一侧,从向外鼓胀变形转而向内收缩,套管截面出现椭圆变形;(3)在套管内壁的磨损初期相对磨损量对套管的初始抗内压性能影响相对较大。     

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。      

大位移井套管磨损量分析模型

在大位移井钻井过程中,由于裸眼井段长、井斜角大、井眼曲率变化大,从而使得钻柱与套管之间的接触力较大,导致套管会发生严重的磨损。根据套管内表面的磨损体积与旋转钻柱在相同位置所作的功成正比的原理,建立了、套管磨损厚度与井眼曲率、钻具组合、机械钻速、钻井时间及套管磨损量之间的关系,计算出了大位移井井筒内钻杆与套管之间的接触力沿井深分布,分析了机械钻速和钻井时间对套管磨损厚度的影响。计算结果表明,井眼曲率越大、钻井时间越长、机械钻速越低,套管磨损越严重。     

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.     

受套管磨损约束的深井钻井延伸极限预测模型

深井超深井的套管磨损问题十分严重，严重制约了深井超深井延伸极限的增加。为了提高深井超深井的延伸极限，需要研究深井超深井套管磨损和延伸极限的关系，并明确建立以套管磨损为约束条件的深井延伸极限模型。建立了套管磨损能量方程，基于套管磨损截面几何方程，引入套管截面磨损深度极限值，并考虑井下管柱在钻进过程中的载荷传递，采用迭代法反演出深井超深井在套管磨损条件下的延伸极限值，结合塔里木某超深井的数据资料进行实例计算，并通过和该井的井径测试数据进行对比，验证模型的合理性。研究结果表明，实测该塔里木超深井3 070 m处套管磨损最严重，磨损量为3.15 mm，将其代入建立的套管磨损延伸极限模型中，可得到该井的磨损延伸极限为7 812 m，这与该井实际井深7 500 m极为接近，验证了本文模型的合理性。该研究从套管磨损理论的角度，预测了深井超深井的延伸极限，并为深井超深井的安全作业和钻具选型提供了理论依据。     

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。     

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.     

双效防磨技术在川西深井的应用

川西深井钻井中存在套管严重磨损的问题,给后续施工和气井安全生产带来了隐患。为了保护套管,分析了川西深井套管磨损的原因,制定了相应的防磨方案,由此形成了双效防磨技术,并在2口深井开展了现场应用。结果表明,该技术使用后能明显减少套管磨损率,降低摩阻,确保井筒承压能力达到施工要求,同时具有安全可靠、操作方便等特点,建议推广使用。     

套管偏磨曲率对其抗挤毁强度影响的有限元分析

随着油田开采的不断深入,应用于深井、超深井的套管经常发生偏磨现象。套管偏磨降低了其使用性能,尤其降低了其抗挤毁能力,使石油套管经常因偏磨而损坏,严重影响了原油的正常生产。文章主要运用有限元软件,研究了不同钻杆直径造成的套管偏磨对套管抗挤毁能力的影响。结果表明,随着钻杆直径增大,偏磨区域增大,但偏磨区域曲率变小。其综合影响是偏磨“月牙形”的曲率对套管的挤毁能力影响很小,而偏磨深度对套管的挤毁压力影响很大,因此实际钻井时,钻杆直径对套管抗挤强度的影响可以给以较少的考虑。     

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随着石油工业的不断发展，深井、超深井、水平井和大位移井越来越多，而这类井由于其自身的特殊性，在钻井过程中钻具在井中旋转及起下钻对套管内壁造成磨损，导致其抗挤强度、抗内压强度等使用性能降低，对油气井的安全构成威胁，因此，套管设计时应当考虑磨损对抗挤强度的降低问题。API Bul 5C3挤毁压力公式没有考虑磨损对套管抗挤强度的影响。章主要通过有限元法并辅以理论分析，深入研究套管内壁磨损对其抗挤毁性能的影响规律，分别详细比较“月牙形”磨损模型与偏心筒近似磨损模型、最小壁厚均匀磨损模型之间的差异，并从挤毁强度降低的机理上阐述导致这些差异的原因所在。     

几种泥浆加重剂的减磨性能研究

在钻超深井、大斜度井、大位移井及水平井的过程中，套管和钻柱的磨损是必须考虑的问题。对套管磨损过程进行应力分析知，最大剪应力是造成套管磨损的主要原因；套管的磨损主要是接触疲劳磨损和磨粒磨损共同作用的结果。针对现有的减磨措施．文章利用改进的ML-100型试验机．分析对比几种泥浆加重剂的减磨性能．在钻井液中加入活性减磨加重剂，以改善钻井液的润滑性能．可方便有效地降低套管与钻枉的磨损。     

水平井套管磨损规律及防磨优化研究

在水平井钻井过程中,受造斜段井眼曲率大、水平段钻具受重力影响躺在井眼底边等原因,技术套管磨损问题极为突出,井筒完整性存在极大隐患,对水平井套管磨损及剩余强度的分析展开系统性的研究是非常有必要的。文章采用套管磨损实验和套管磨损效率预测模型相结合的方法,对技术套管的磨损厚度、磨损系数、磨损后套管的剩余强度进行了研究分析,得到了在水平井磨损系数为1.52×10^-13 Pa^-1、井眼曲率在(2～6)°/30 m时的套管磨损厚度、磨损后套管的剩余抗内压强度和剩余抗外挤强度,并对磨损后套管剩余强度进行安全评价。随后从井眼轨迹优化、套管内径及钻杆接头耐磨带选择等出发,总结出水平井技术套管防磨优化建议。此项研究结果对水平井技术套管防磨设计及防磨措施具有指导意义。