钻井液密度对高钢级套管磨损量的影响研究.pdf

2 0 1 3年第4 1 卷第 8期 石 油机械 C HI NA P E TR0L EUM MACHI NERY 一5 一 ． _ 钻井技术与装备 钻 井液密 度对 高钢级套 管磨 损量 的影 响研究 曹银萍 王小增 。 王新河4 窦益华 1 ．西安石油大学2 ．嘉应学院3 ．西北工业大学4 ．中国石油西部钻探工程有限公司 摘要 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 A P I 标准的 T P 1 4 0钢级套管磨损试验，分析 了聚磺体 系钻井液 密度 对 T P 1 4 0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，T P 1 4 0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。 关键词 高钢级套管；磨损；钻井液密度；磨损效率；磨损试验 中图分类号 T E 9 2 5 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 3 ． 0 8 ． 0 0 2 Re s e a r c h o n t he Effe c t s o f Dr i l l i n g Fl ui d De ns i t y o n Hi g h Gr a d e S t e e l Ca s i ng Abr a s i o n Ca o Yi n p i n g W a n g Xi a o z e n g ‘ W a n g Xi n h e Do u Yi h ua 1 ． X i ’ a n S h i y o u U n i v e r s i t y 2 ． n g U n i v e r s i t y 3 ． N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n i c a l U n i v e r s i t y 4 ． P e t r o C h i n a W e s t e r n D r i l l i n g E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． Ab s t r a c t Th e c u r r e n t r e s e a r c h p a y s l e s s a t t e n t i o n t o t he a na l y s i s o f a b r a s i o n d e g r e e o f h i g h g r a d e s t e e l c a s i n g u nd e r t h e e f f e c t o f h i g h d e n s i t y d r i l l i n g flu i d ．T he r e a r e no a b r a s i o n e ffi c i e n c y a n d f ric t i o n f a c t o r r e q u i r e d b y p r e d i c - t i o n a n d c a l c u l a t i o n o f hi g h g r a d e s t e e l c a s i n g a b r a s i o n u n d e r t h e e f f e c t o f h i g h d e n s i t y d ril l i ng flu i d ． Th e r e f o r e， s i mul a t i n g t h e d o wn ho l e o p e r a t i n g c o n d i t i o n，t h e no n AP I s t a nd a r d TP1 4 0 g r a d e s t e e l c a s i n g a b r a s i o n t e s t wa s c o n d uc t e d i n h i g h d e n s i t y p o l y s u l fid e s y s t e m d r i l l i n g flu i d ．Th e e f f e c t o f p o l y s u l fid e s y s t e m d r i l l i n g flu i d d e ns i t y o n c a s - i n g a br a s i o n p r o p e r t y wa s a n a l y z e d ．T h e a na l y s i s s h o ws t h a t i n p o l y s u l f i d e s y s t e m wa t e r - b a s e d d r i l l i n g flui d， whe n t h e p o s i t i v e p r e s s u r e a n d r o t a t i o n s pe e d a r e g i v e n，t he hi g h e r t h e d r i l l i n g flu i d d e n s i t y， t he l a r g e r t h e a b r a s i o n e f fi- c i e n c y，f r i c t i o n f a c t o r a n d c a s i n g a b r a s i o n c o mp r e h e n s i v e a s s e s s me n t f a c t o r o f TP1 4 0 c a s i ng ．Ad o p t i o n o f c a s i n g a b r a s i o n c o mp r e h e n s i v e a s s e s s me n t f a c t o r t o me a s u r e c a s i n g a b r a s i o n r e s i s t a n c e i s mo r e r e a s o n a b l e ． Ke y wo r ds hi g h g r a de s t e e l c a s i ng； a br a s i o n； d ril l i n g flu i d d e ns i t y； a b r a s i o n e ffic i e n c y； a br a s i o n t e s t 0 引 言 深井、超深井钻探过程中经常需要穿过多层岩 性和压力不同的岩层 ，因此井眼轨迹变化较大 ，井 下情况复杂 ，井下套管磨损严重。国内外学者模拟 现场工况进行了井下套管磨损室内试验研究 ，并将 试验结果和现场实测相结合 ，深入研究了套管的磨 损机理、磨损变化规律和影响因素 。黄伟和 J 分析了 Y K1井技术套 管的磨损 ，计算 了套管 的磨 损程度 。高德利等 考虑了钻杆直径变化 ，提 出 了预测套管磨损 的模型 ，该模型需要进行套管磨损 试验才能得到磨损效 率。窦益华等 在高密度钻 井液中进行了套管磨损试验研究 ，得出了套管磨损 基金项目国家科技重大专项 “ 大型油气 田及煤层气开发”之子课题 “ 超深超高压气井油套管柱强度评价与控制技术研究” 2 0 1 1 Z X 0 5 0 4 6 ；陕西省教育厅项 目 “ 寿命期内高产 气井完井 管柱安 全性研究 ” 1 1 J K 0 8 7 1 。 6 石 油机械 2 0 1 3年第 4 1 卷第 8期 效率 和 钻 井 参 数 及 钻 井 液 密 度 之 间 的 关 系。 J ． P ． Wh i t e 提出了磨损效率 ，可广泛应用于井下 套管磨损的计算和预测 。B e s t 等 开发了卧式全尺 寸套管磨损试验机，模拟井下套管磨损情况 ，考察 了钻杆的运动形式、套管钢级、正压力以及钻井液 类型等因素对套 管磨损 的影 响。B r a d l e y对现场 回 收的磨损套管试样观测认为，大部分磨损是 由钻杆 旋 转 而 不 是 钻 杆 起 下 钻 造 成 的 “ J 。 J ． S ． Wi l l i a ms o n 1 2 ] 采用磨损试验机研究 了套管与钻 杆之间接触应力的影响，认为接触应力是表征套管 磨损速率的控制参数。国内学者采用套管磨损试验 机进行了套管磨损研究 ，分析侧向力 、减磨剂和橡 胶保护器对套管磨损的影响 J ，考察了钻井液 中所含的重晶石、铁矿粉对套管和钻杆试件摩擦性 能 的影 响 。 目前 ，深井 、超深井广泛采用耐磨的高钢级套 管。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，笔者模拟井下工况 ，在高密度聚磺体系 钻井液 中进行了非 A P I 标准的T P 1 4 0钢级套管磨损 试验 ，得到了套管磨损预测所需 的磨损效率、摩擦 因数和磨损综合评价因子等参数，分析了聚磺体系 钻井液密度对 T P 1 4 0套管磨损性能 的影响，为井 筒 的安全性评价提供了基础数据 ，为后续试油和完 井作业 的安全进行提供了保障。 1 T P 1 4 0套管磨损试验设备和材料 1 ． 1 试验 设备 钻杆． 套管摩擦磨损试 验机采用微机控制 ，汇 集了计算机控制技术 、模块化数据采集技术和网络 技术 。 钻杆一 套管摩擦磨损试验机为框架 式结构，由 直流电机控制杠杆加载。正压力、摩擦力和磨损时 间参数实现单元化设置 ，操作极为方便。试验读数 准确可靠 ，通过计算机可方便地进行各参数控制 ， 可实时显示 摩擦 力． 时 间、温度- 时问 曲线 ，并 记 录 、保存和打 印试验 曲线。钻杆- 套管摩擦磨损试 验机可模拟钻井过程中钻杆和套管之 间的磨损工 况 ，并进行井下套管的磨损试验研究。 1 ． 2 钻杆和套管磨损试样 钻杆试样由 S 1 3 5规格 的钻杆加工而成 ；套管 试样 由T P 1 4 0钢级 的套管加工而成 。 1 3 5钻杆试 样的 屈 服 强 度 为 9 3 1 M P a ，硬 度 为 3 3 ． 1 H R C； T P 1 4 0套管试 样 的屈服 强度 为 9 6 5 MP a ，硬 度为 3 9 ． 0 H R C。钻杆试样 由车床加工而成 上端加工 凹槽可防止套管磨损试验过程中试环转动 ，为圆 环状 ；套管试样采用线切割方法加工 ，为长方体。 1 ． 3 试验所用钻井液 钻杆。 套管磨损试验所用 聚磺体系钻井液配料 中膨润土、K C 1 、沥青粉、润滑剂以及褐煤树脂的 质量分数分别为 1 0 ％、1 0 ％、3 ％、3 ％和 3 ％。试 验 中通过改变重晶石的质量分数来配置不同密度的 聚磺体系钻井液。 2 T P 1 4 0套 管磨损试验数据 套管 内壁磨损由钻杆与套管接触并旋转引起 。 根据基于粘着磨损机理的磨损效率模型 ，套管内壁 被磨掉 的金属体积可表示为 V。u l x F L hC w I F F L h 1 ／ ／ b 式中 C w 套管磨损综合评价因子 ，P a 一； F 钻杆接头与套管内壁间的正压力 ，N； 钻杆接头和套管内壁问的摩擦因数 ； L 钻杆接 头与套管 内壁 之间 的滑移距 离 ，m； 套管 内壁被磨掉的金属体积 ，m ； 日 布氏硬度 ，P a ； r l ／ H 套管的磨损效率 ，P a ‘ 。 。 为使试验结果能反映实际工况 ，制备了密度为 1 ． 4 、1 ． 8和 2 ． 0 g ／ c m。 等油田常用聚磺体系水基钻 井液用 于 T P 1 4 0套管 的磨损试 验。2 0 1 3年 2月 ， 在西安石油大学钻杆套管磨损实验室进行了 T P 1 4 0 套管的磨 损试验 ，测量 不 同钻井 液密度下 T P 1 4 0 套管的磨损效率和摩擦因数。定义套管磨损效率和 摩擦因数的乘积为套管磨损综合评价因子 ，将其作 为衡量套管耐磨性能的指标。随着钻井液密度的增 大 ，套管的磨损效率逐渐增加，而摩擦因数先增大 后减小。钻井液密度为 1 ． 8 g ／ c m 时套管的摩擦 因 数最大 ，钻井液密度为 2 ． 0 g ／ e m 时套管的磨损效 率最大 ，磨损效 率高时 ，套管 的摩擦 因数不一定 高。在一定的正压力和滑移距离作用下 ，套管磨损 质量与磨损效率和摩擦因数的乘积成正比。以往单 纯采用磨损效率评价套管的耐磨性能有时会 出现错 误 ，即磨损效率高时，摩擦 因数小 ，会 出现错误评 价 。采用套管磨损综合评价因子衡量套管耐磨性能 则不会 出现这种情况 ，套管磨损综合评价 因子越 大，在一定的正压力和滑移距离作用下磨损质量越 石 油机械 2 0 1 3年第 4 1卷第 8期 由图可知 ，聚磺体系水基钻井液密度越高 ，套 管的磨损综合评价 因子也越高。钻井液密度较低 时 ，套管的磨损综合评价因子变化较大；钻井液密 度较高时，套管 的磨损综合评价因子变化较小，并 趋于恒定值。聚磺 体系水基钻井液密度 由 1 ． 4 g ／ c n l 增加到 1 ． 8 g ／ c m 时，T P 1 4 0钢级套管 的磨损 综合评价 因子增加 了 1 ． 7 9倍 ；钻井液密度 由 1 ． 8 g ／ c m 增加到 2 ． 0 g ／ c m 时 ，T P 1 4 0钢级套管的磨 损综合评价因子增加了 0 ． 0 4倍 。 3 ． 4 套管磨损数据拟合 采用二阶多项式对 T P I 4 0钢级套管磨损效率 、 摩擦 因数和磨损综合评价因子试验结果进行拟合 ， 得到的拟合公式如式 2 ～式 4 所示。 Y 1一3 ． 4 9 1 7 x 1 3 ． 6 9 8 3 x一1 1 ． 6 4 9 2 Y 2一0 ． 1 6 2 5 x 0 ． 5 9 7 5 x一0 ． 2 7 6 3 Y 3一1 ． 1 0 4 2 x 4 ． 2 7 5 8 x一3 ． 6 5 6 4 其中， 为聚磺体系水基钻井 液密度 ，Y 、Y 和 Y ， 分别为 T P 1 4 0钢 级套 管 的磨损效率、摩擦 因数 和 磨损综合评价因子。可采用拟合公式对未进行磨损 试验 的其他 聚磺体 系水基 钻井液下密度 的 T P 1 4 0 钢级套管磨损效率 、摩擦因数和磨损综合评价因子 进行计算。 4 结 论 1 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 ，即重晶石含量越 高，T P 1 4 0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。 2 与低密度钻井液 含重 晶石 颗粒少 ，密 度 1 ． 4 g ／ c m 相比，在高密度钻井液 含重晶石 颗粒多 ，密度 2 ． 0 g ／ c m 中，T P 1 4 0套管的磨损 效率高 1 ． 6 0倍 ，摩擦因数大 0 ． 1 1 倍 ，套管磨损综 合评价 因子大 1 ． 8 9倍 。聚 磺体 系水基 钻井 液 中 T P 1 4 0套管的磨损为磨粒磨损。 3 采用套管磨损综合评价因子衡量套管耐 磨性能更为合理 。 参考文献 林元华，付建红，施太和，等 ．套管磨损机理及其 防磨措施研究 [ J ]．天然气工业，2 0 0 4，2 4 7 5 861 ． 侯勇俊，王文武 ．套管磨损研究进展 [ J ]．钻采工 艺 ，2 0 0 1 ，2 4 5 7 27 4 ． 杜延军，杨松 ．石油井下套管磨损机理与影响因素 分析 [ J ]．内蒙古石油化工，2 0 0 9 ，1 7 7 0 7 2 ． 黄伟和 ． Y K 1 井技术套管磨损分析 [ J ]．石油钻探 技术 ，1 9 9 7 ，2 5 4 2 72 8 ． Ga o D e l i ，S u n L i a n z h o n g ，L i a n J i h o n g ． P r e d i c t i o n o f c a s i n g w e a r i n e x t e n d e d r e a c h d ri l l i n g [ J ] ． P e t r o l e u m S c i e n c e ，2 0 1 0 ，7 4 4 9 4 5 0 1 ． S u n L i a n z h o n g 。 Ga o De l i 。 Z h u K u a n l i a n g ． Mo d e l s ＆ t e s t s o f c a s i n g w e a l “ i n d ri l l i n g f o r o i l ＆g a s[ J ]． J o u r n a l o f Na t ur a l Ga s S c i e n c e a n d En g i ne e r i n g， 2 01 1 6 14 ． 窦益华 ，姜学海 ，张福 祥 ．高密度 钻井液润 滑下套 管磨损 实验研 究 [ J ]．润 滑与密 封，2 0 0 7 ，3 2 9 2 62 8 ． Wh i t e J P ． C a s i n g we a r L a b o r a t o r y me a s u r e me n t a n d fi e l d p r e d i c t i o n[ R]． S P E 5 6 2 6 2 ，1 9 8 7 ． B e s t B ． C a s i n g a n d w e a l “ c a u s e d b y t o o l j o i n t h a r d f a c i n g [ R]． S P E 1 1 9 9 2 ，1 9 8 3 ． B r a d l e y W B，F o n t e n o t J E ． T h e p r e d i c t i o n a n d c o n t r o l of c a s i n g w e a r[ J ]． J P T ，1 9 7 5 2 3 3 2 4 5 ． F o n t e n o t J E．Mc E v e r J W． T h e e x p e ri me n t a l me a s u r e ． me n t o f c a s i n g w e a r d u e t o r e c i p r o c a t i n g d ri l l p i p e a n d w i r e l i n e [C] ． P e t r o l e u m M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g Co n f e r e n c e， 1 9 7 47 450 ． Wi l l i a ms o n J S ． C a s i n g we a l “ T h e e f f e c t o f c o n t a c t p r e s s u r e[ J ]． J P T ，1 9 8 1 2 3 8 2 2 3 8 8 ． 肖国章，许文妍，韩勇，等．全尺寸套管磨损试验 研究 [ J ]．石油矿场机械，2 0 0 7 ，3 6 1 0 6 5 6 7． 韩勇，欧阳春 ，肖国章，等．深井套管磨损的全尺 寸模拟试验 [ J ]．钢管 ，2 0 1 0 ，3 9 增刊 1 1 1 0 ． 余磊，张来斌 ，樊建春 ．重晶石和铁矿粉对套管／ 钻杆摩擦副摩擦磨损性能的影响 [ J ]．摩擦学学 报 ，2 0 0 4， 2 4 5 4 6 2 4 6 6 ． 第一作者简介 曹银萍 ，生于 1 9 8 2年 ，2 0 1 0年毕业于 西北工业大学兵器科学与技术专业，获博士学位，现从事 管柱强度及疲劳寿命分析研究工作。地址 7 1 0 0 6 5 陕西省 西安市 。电话 0 2 9 8 8 3 8 2 6 1 7 。Em a i l c a o y i n p i n g 0 2 9 1 6 3 ． c o m。 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 0 6 本文编辑王刚庆 ] J] J] J] J] J 1 j j ] ] ] ] ] 0 l 2 3 4 5