两种主要高强度套管的耐磨性能试验

套管磨损是深井、超深气井钻井过程中困扰作业人员的突出问题,摸清P110和V140这两种主要钢级的高强度套管的耐磨性能对于钻井设计选用套管具有重要意义。为此,采用美国摩尔技术公司的全尺寸套管磨损试验机,模拟油气田现场的钻井作业参数以及钻井液配方,开展了钻杆接头与套管内壁间低、中、高3种典型的侧向力对P110和V140钢级套管的全尺寸实物磨损试验研究,检测并对比分析了磨损套管试样在不同磨损时间段的磨损沟槽深度、沟槽宽度、磨损系数、摩擦系数以及磨损体积等参数,并对套管摩擦表面进行了扫描电镜分析,进而探讨了不同工况条件下的套管摩擦机理。结果认为:在低侧向力的情况下,两种套管的磨损情况基本相当;在中等侧向力的情况下,V140套管的磨损比P110套管严重;在高侧向力的情况下,P110套管的磨损明显要大于V140套管;随着钻杆接头与套管内壁之间接触侧向力的增加,摩擦副之间的摩擦系数增大且处于黏着磨损状态。该研究成果对于在套管柱设计中根据不同井眼曲率考虑套管的耐磨性能选用套管具有参考价值。     

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。      

基于新型油井套管磨损实验机的钻井工况模拟

运用MZM-500新型油井钻杆-套管摩擦磨损实验机,针对转速、温度与正压力、钻井液性能、间歇负载等影响套管磨损量的因素进行试验。对更为精确的套管磨损量值的分析发现,钻杆试件在小转速时套管磨损体积与转速为线性关系,这种关系会被转速继续增加引起的振动所破坏,造成套管磨损体积急剧增加;多项式关系更符合磨损量随时间的实际变化;高于临界温度60℃会直接增大套管磨损;间歇负载对套管磨损影响不明显;高粘度的钻井液会大幅度减小套管磨损。研究成果可为建立正确的磨损模型来预测和计算钻井过程中的套损提供参考。     

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.     

磨损套管螺纹接头密封面力学特性

螺纹接头磨损是影响套管密封完整性的主要原因之一。由于套管螺纹接头结构特征复杂,常规计算模型无法得到解析解,实验研究也较困难,因此针对磨损条件下接头密封面力学特性的研究很少。鉴于此,建立了均匀磨损、偏心筒型磨损和月牙型磨损3种磨损形式的套管螺纹接头三维弹塑性有限元模型,基于ABAQUS软件分析了磨损深度为5 mm时套管螺纹接头在复杂载荷条件下的应力应变特征,研究了上扣扭矩、轴向拉力和弯矩作用下3种磨损形式对套管螺纹接头密封面力学特性的影响。研究结果表明,均匀磨损套管螺纹接头的密封面上存在较大塑性应变,且接触力比其他磨损形式大,密封失效风险较高。偏心筒型和月牙型磨损使得套管螺纹接头密封面接触面积、环形密封带最窄处接触宽度都有所降低,增加了接头局部漏失风险,影响套管螺纹接头的密封可靠性。     

纳米材料及化学改性对油井盘根耐磨性的影响

针对油田现场抽油机井在用盘根磨损情况严重、使用寿命短、更换频繁和员工劳动强度大的问题。应用纳米材料掺杂和化学改性技术对丁腈橡胶的材质和表面进行改性处理,提高盘根的耐磨性。室内试验证明:在不同载荷条件下,丁腈橡胶改性材料的摩擦因数较之前降低44%～67%,磨损量下降了59%,耐磨性提高显著。在现场5口井试验,盘根的平均使用寿命延长1.5倍。     

套管磨损防护技术应用研究

在大斜度井及大位移井钻井过程中,钻柱摩阻过大,常常导致送钻困难、顶驱能力超限、钻柱和套管磨损严重等复杂情况,给正常的钻井作业和完井作业带来很大困难。从套管磨损机理分析入手,研究了造成钻柱摩阻增大的主要因素。对各种方案和工具进行对比分析,重点阐述了几种用于减少钻柱摩阻的井下工具的工作原理及其使用条件,指出在大斜度井施工过程中使用减磨接头,能够大大降低钻柱的摩阻和扭矩。现场应用表明,在大斜度试验井施工作业过程中,使用井下减磨工具在钻井过程中可将钻柱扭矩降低10%~30%,减磨效果良好。井下防磨工具在防治大斜度井和大位移井套管磨损方面具有很好的效果和广阔的应用前景。     

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。      

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。     

液-液水力旋流器旋流管的磨损及减磨措施

由于油田采出液和含油污水中含有大量泥砂 ,用于油水分离的水力旋流器过流部件都存在严重的磨损 ,极大地影响设备的油水分离效率 ,严重时导致设备停产。通过对旋流管的磨损情况和磨损机理的研究 ,认为砂粒的切削磨蚀、摩擦磨蚀和冲击磨蚀是引起旋流管局部磨损的重要原因。据此 ,提出旋流管的减磨措施 :选择工程塑料和陶瓷等合适的耐磨耐腐蚀材料 ,提高旋流管过流件的内表面加工质量和设计合理的进口流道 ,可减轻旋流管的磨损 ,延长其工作寿命     

超深定向井钻井中钻井参数对套管磨损量的影响

由于超深定向井井深较深,在技术套管封固之后下部地层钻进时间长,期间钻具与套管发生接触磨损,套管强度降低。在套管钢级一定的条件下,影响套管磨损的钻井因素主要有转盘转速、机械钻速、钻井液密度与类型、钻具组合等。以XG-X井为例,研究了这些重要因素对磨损量的定量影响。计算结果表明转盘转速、机械钻速对套管磨损影响最大;定量计算了该井当前条件下在不同的机械钻速、转速下的套管磨损量,给出了机械钻速—转速—磨损量关系图版,由于机械钻速和转速在一定范围内可以调节,实际钻井过程中可根据本研究结果合理地搭配机械钻速与转速,以减少套管磨损,提高套管寿命,延长油井使用年限。     

脲基脂润滑下的钢材料微动磨损研究

采用微动摩擦磨损试验机进行了脲基脂润滑下的GCr15 钢/45号钢摩擦副摩擦磨损试验。利用激光三维共焦显微镜、EDX元素分析等方法研究了脲基脂润滑减缓钢微动磨损的机理。结果表明：在微动滑移区脂润滑下摩擦系数和磨损远低于干态下的值,且磨损主要发生在微动的早期阶段。在微运初期,脂因微动被排出接触区,高摩擦力导致白层和磨坑的形成;接触区周围的脂剪切分离的油浸入到磨坑中,形成混合润滑状态,摩擦系数降低到较低的稳态值;接触区周围的脂和磨痕上油的存在阻止了空气进入,氧化磨损得以降低。低稳态摩擦力、高硬度白层的存在和低氧化磨损是脂润滑减缓微动磨损的主要因素。     

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。     

深水铺管张紧器橡胶材料静摩擦行为研究

张紧器是深水油气管线铺设的核心装备之一,能够保证管线铺设过程中管道以平稳的速度及适中的张紧力水平下放入水中。张紧器上橡胶垫块与管道外壁受压接触,所产生的静摩擦力对维持管线受力平衡起到至关重要的作用。利用自制的试验装置,测试了不同试验载荷条件下橡胶材料与管道试样间的最大静摩擦力,并对接触区变形进行分析。试验结果表明,最大静摩擦力水平随法向载荷增大而上升,静摩擦因数则逐渐下降; 在同一法向载荷条件下,最大静摩擦力随切向载荷增长率的增加而波动; 接触系统静摩擦因数的波动受接触面间的粘性接触力水平与橡胶材料本身粘弹特性共同影响,而粘性接触力水平的作用占据首要位置。因此,在铺管过程中,应重点关注静摩擦因数随管道夹持力变化的规律,同时应选择合理的铺设速度,使静摩擦因数处于较小的波动范围内,防止发生脱管事故。     

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。     

度量牙轮钻头滑动轴承粘着磨损失效的新准则

以现场失效的牙轮钻头滑动轴承解剖分析为依据 ,从理论上分析了其磨损失效过程 ,然后分析了影响牙轮钻头滑动轴承失效的主要因素 :摩擦系数、轴承配合接触表面压力的大小和分布以及相对运动速度等。最后对经典的混合摩擦滑动轴承的失效校核条件进行了改进 ,针对低速重载的牙轮钻头滑动轴承的特殊工况 ,提出了一种度量其失效的新判据。该判据的理论依据是牙轮钻头滑动轴承的局部摩擦能量损失不能超过其材料所规定的能量集度。     

影响薄膜润滑摩擦系数的主要因素

在自制的摩擦试验机上进行了3组长时间的薄膜润滑实验，测量在不同压力、承载面积、转速等实验条件下的摩擦系数。实验结果表明，在轻载条件下，薄膜润滑的摩擦系数受转速、面积的影响显著；而在重载时，转速和面积表现出对摩擦系数的不敏感性。另外，参照薄膜润滑的有序模型，提出了在正常磨损情况下，摩擦系数和油膜厚度之间具有单向的对应关系。     

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.     

南海流花超大位移井套管磨损预测方法

在超大位移井的钻进过程中,造斜段的技术套管会发生严重的磨损问题。建立了超大位移井技术套管磨损后剩余壁厚的定量预测方法。根据能量原理,即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,建立了技术套管磨损体积与井眼轨迹、钻具组合、机械钻速、转速、钻进井段长度及套管磨损系数之间的函数关系。在假设磨损截面为新月形的条件下,根据磨损截面的几何关系,建立了套管磨损深度与体积之间的关系。应用一口超大位移井的实测数据对建立的模型进行验证,结果表明该模型可以用于超大位移井技术套管磨损深度的预测。根据研究结果,简要说明了套管防磨技术的主要方法。     

基于ANSYS抽油泵筒-柱塞摩擦副磨损规律分析

针对缺少在模拟工况下对抽油泵摩擦副进行优化分析的现状,研究了抽油泵泵筒-柱塞摩擦副在模拟工况下的磨损状态,建立了泵筒-柱塞模型,设计正交试验研究了摩擦副在不同配合间隙下,不同因素水平对其磨损状态的影响程度,确定了磨损最优的因素水平组合。研究结果表明:摩擦副的配合间隙越大,其摩擦应力和磨损体积均显著增大,配合间隙减小后,整体磨损体积减小了10.05%且磨损状态有所改善;当单边间隙为0.05 mm时,60 s内泵筒涂覆层表面磨损体积为0.184 13~0.376 83 mm³,当液体压力为10 MPa,涂覆层硬度为1 150 MPa,抽油杆冲程为300 mm,液体润滑摩擦因数为0.11时,摩擦副减摩抗磨效果最好。所得结论可以为抽油泵的合理选用提供技术指导。