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。     

一种新的深井套管磨损计算方法

根据深井、超深井钻柱的涡动特性提出了一种新的套管磨损计算方法。补充了磨损效率模型只能对狗腿处套管进行磨损预测的缺陷；并对套管和钻杆磨损进行了解析计算，可利用钻杆的实际磨损状况对计算参数进行调整。模型在塔里木油田多口油井的应用表明，钻柱涡动带来的套管磨损不容忽视，模型的计算结果与实际状况较符合，能为现场施工提供较好的预测数据。     

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。     

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。     

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。     

油管与套管抗内压强度研究

在深井、超深井钻井过程中,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,导致套管抗内压强度降低,给安全钻井带来隐患.文中针对API 5C3模型已不能准确预测套管实际抗内压强度的问题,研究了材料的屈强比对油、套管爆裂强度的影响规律,给出了具有更高精度的油、套管抗内压爆裂计算新模型.结果表明,该模型计算出的油管套...     

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。     

套管磨损研究进展

在深井、超深井钻井过程中, 套管磨损是个不容忽视的问题.分析了套管磨损的发展过程、机理、影响因素、预测方法与技术;指出了目前套管磨损理论及试验方法存在的问题;讨论了套管磨损研究的发展趋势.     

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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。     

油井钻杆-套管摩擦磨损试验机的研制

随着定向井、水平井、深井所占的比例增大,造成钻杆与套管磨损严重,摩擦阻力大,甚至发生卡钻事故,因此对钻杆与套管的摩擦磨损试验研究提出了更高要求,而插销式试验机不能有效地模拟现场工况,为此,研制了MZM—500型油井钻杆-套管摩擦磨损试验机。通过选择钻杆、套管、钻井液、温度等参数的不同组合对钻杆外壁沿套管内壁的摩擦旋转进行了有效模拟,该机能够实时显示正压力、摩擦因数、磨损量、温度等试验数据。应用表明,该机工作平稳、振动小、转速恒定,与设定值相同,钻井液温度与温度调控系统一致,取得了良好的试验效果。     

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。     

深井和大位移井套管磨损程度预测

为提高套管柱强度设计准确性,防止磨损失控情况发生,深入分析了套管磨损预测技术。结合定向井钻柱力学研究成果,考虑钻柱刚度和屈曲的影响,推导了深井和大位移井的钻柱拉力-扭矩方程,建立了基于能量原理的套管磨损程度预测模型,并编制了预测软件。该预测软件可以预测包括钻进、起下钻具等作业过程的,不同套管柱层次、钻具组合、井眼轨迹、钻井液类型和钻井参数等情况的全井段不同井深所对应的套管磨损量。实例计算结果表明,编制的预测软件减小了人为的估计误差,预测值更为准确可靠。研究成果为深井和大位移井安全高效钻进提供了新的技术支持。      

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。     

套管防磨保护措施

在深井,特别在高温高压深探井中,套管的磨损是一个比较突出的问题,且保护套管和保护钻杆往往是矛盾的。崖城4井采取控制平台漂移、钻直表层井段、采用合适的钻具来控制井斜和减小井斜变化率、选用合适的钻杆等作业保护措施非常成功地达到了既保护了套管,钻杆也没有出现过度磨损的目的。介绍了该井凭借有关资料制定的相应保护措施,通过与其他井的情况对比,分析总结了该井成功经验,可为以后钻探同类型的井提供一些启示。     

套管双效防磨技术在川西深井X202井的应用

针对常规防磨接头存在防磨套刚性强易磨损套管、镶嵌防磨套易脱落造成井下故障及安放位置难以确定的缺点,提出采用非金属防磨接头配合钻井液用耐磨减磨剂的双效防磨技术,非金属防磨接头耐磨且对套管磨损小,耐磨减磨剂入井后能够迅速吸附在钻具和套管表面形成高强度低摩阻有机耐磨层。利用计算出的套管内钻柱侧向载荷及现场测出的接头流阻增加值,确定入井防磨接头的数量和位置,根据耐磨减磨剂与钻井液相容性试验结果确定其加量。在X202井的现场试验表明,非金属防磨接头入井连续使用时间超过500 h,平均磨损率仅6.5%,平均返出铁屑量从124.64 g/h降至78.00 g/h,减磨效果显著。研究表明,采取双效防磨措施减缓深井套管磨损具有可行性,为深井、定向井和水平井钻井过程中的套管和钻具防磨提供了新的技术支持。      

KXS203井口设备偏磨原因分析

KXS203井在钻井过程中井架底座基础非均匀下沉,套管头和防磨套严重偏磨,随后套管柱试压发生了泄漏。为了搞清该井井口设备偏磨原因,防止此类事故再次发生,对该井井口设备和钻杆磨损情况进行了研究,对井架基础下沉造成的井口偏心程度进行了分析计算,并从钻杆接头与井口设备尺寸匹配、井口偏心、防磨套及顶丝性能、钻柱旋转和起下钻、钻柱转速等方面对井口设备偏磨影响因素进行了分析。认为井口设备与井架基础下沉、钻杆接头与井口设备尺寸匹配、井口偏心、防磨套及顶丝性能、钻柱旋转和起下钻、钻柱转速等对井口设备偏磨等有关,但该井井口设备偏磨主要原因与井口偏心和防磨套失效有关。提出了防止井口设备偏磨的建议。