基于新型油井套管磨损实验机的钻井工况模拟.pdf

2 0 1 1 年第 3 9卷第 1 期 石 油机械 CHI NA P ETR0L EUM MACHI NERY ●试验研究 基 于新型油 井套 管磨 损实验机 的钻 井工况模 拟 阳鑫军 李子丰 陈峰博 刘春艳 闫方平 李密银 1 ．燕 山大学石 油工程 系2 ．承德石油 高等 专科 学校3 ．渤海钻探 国际分公 司 摘要运用 M Z M一 5 0 0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 6 0℃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。 关键词 套管损坏 摩擦 磨损 实验机 临界温度 0 引 言 随着钻井技术的进步 ，深井 、超深井 、大斜度 井、定 向井 、大位移井和水平井所 占的比例越来越 大 。由此产生的钻井时间长 、狗腿严重度几率 高、钻杆与套管接触正应力大等因素造成的套损严 重等问题也越发突出 。套管磨损的预测与预防 可为钻井生产提供指导。笔者针对转速 、温度与正 压力 、钻井液类型 、间歇负载等影响套管磨损量的 因素，运用 MZ M一5 0 0新 型油井钻杆． 套管摩擦磨 损实验机进行钻杆． 套管摩擦磨 损试 验。通过对更 为精确的套管磨损量值 的分析 ，总结不 同工况下磨 损规律 ，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 。 1 试验过程 与参数控制 1 ． 1 试验过程 钻杆材料采用 由 7 3 ． 0 2 5 m m油管切割而成的 长度为 5 0 mm的试件 ；套管材料采用 由壁厚为 8 mm的 1 3 9 ． 7 mm套管切割成长 度为 6 0 m m 的试 件。试件在加工过程 中上 、下两端垂直切割 ，长度 均一 ，具有一定的精度。钻杆外表面与套管内表面 均不存在可能对磨损产生影响的损伤 ，如划痕等。 在试件安装过程 中，套管试件用水泥水平 固定 结实 ，从而避免在试验过程中由于振动而产生 的松 动 ，影响试验效果 。钻杆试件安装在试验设备主轴 上且在试验进行 中始终保持垂直而不偏斜 ，保证每 次磨损均为套管上水平 圆周位置 ，也减小了由于试 件产生较大 的振动而引起的误差 。 试验中，将 密度为 1 ． 3 2 g ／ c m 的水基钻井 液 倒人腐蚀箱 。上升腐蚀箱使钻杆一 套 管摩擦 副浸入 钻井液。开动主轴电动机 ，调定主轴转速，使主轴 带动模拟钻杆转动与套管发生接触摩擦 ，从而模拟 钻井过程 中钻杆与套管的磨损工况。 1 ． 2 参数控制 通过摩擦磨 损实验机杠杆施 力系统施加正压 力 ，电控柜 手动调节 钻杆试件 转速 ，设定 运转时 间 ，由腐蚀箱 中的加热器来控制钻井液温度 。 套管磨损量 的精确度直接关系到试验 的成败 ， M Z M一 5 0 0实验机 的优势在于可运用实验机配备 的 计算机软件对磨损过程中各时间段的磨损量进行平 均处理 ，还可将试件的平均摩擦因数 、摩擦力等数 据输出，增强了数据准确性和直观性。 2 摩擦因数的确定 在钻井过程 中，按照摩擦副的运动状态 ，钻杆 沿着套管有周向旋转运动 、轴向运动、振动 、涡动 等形式。钻杆与套管之间的摩擦属于动摩擦 ，其摩 擦因数受 滑动速 度 、接 触力 、钻井 液 、钻 屑 、温 度、材料表面特征等因素综合影响。摩擦磨损实验 机对摩擦力 的测量是经安装在两弹性联轴节之间的 石 油机械 2 0 1 1 年第 3 9卷第 1期 扭矩传感器采集 主轴扭矩 后经计算得出，其值 减去了实验机本身产生的扭矩。计算公式如下 F M／ r 1 式 中F 摩擦力 ，N； r 内试样半径 ，1 1 1 。 结合传统的摩擦力公式可得摩擦因数为 厂 M 2 式 中Ⅳ 正 压力 ，N。 开启实验机，设定载荷为 9 0 N下测得 的摩擦 因数曲线如 图 1所示。摩擦试验初期 ，由于钻杆试 件外表面和套管 内表面光滑度不高 ，实验机在开启 初期由摩擦产生的振动较强烈 ，振动使钻杆与套管 试件之间的接触力大于施加的正压力 ，进而影响计 算得到的． 厂 值 ，表现为计算得到的／值 出现起伏 。 在对磨 5 0 0 0 S以后 ，摩擦 因数曲线趋于平稳 ，试 件磨合减小了摩擦力 ，从而减小 了试件振动，此时 实验机运行趋于稳定 ，测得的． 厂 值在 0 ． 2左右。把 小载荷 、小转速下实验机运行稳定时测得 的厂 代入 有振动影响测得的．厂 ，发现钻杆与套管 问实 际的．厂 只有在摩擦初期变化明显 ，经过磨合后 厂 值变化不 大。经分析 可知套管与钻杆 间 的．厂 不 是一成不 变 的，而是随工况、钻杆与套管间的磨合度而变化 。 缩短钻杆与套管磨合时间，减小钻杆与套管问的．厂 ， 可以降低减小的最终磨损量。 0 ． 4 0． 3 星 o z 避 O ． 1 0 ． 0 0 5 l 0 15 2 O 25 磨损 时间／1 0 s 图 1 摩擦 因数 曲线 3 转速与套 管磨损 的关 系 3 ． 1 试验方法 在正压力为 9 0 N时设定不同的钻杆试件转速 ， 测定磨损 6 h后套管试件的磨损体积 ，对 比分析磨 损体积与转速的关系 ，试验中做几点基本假设 ① 钻杆试件硬度远大于套管试件 ，忽略试件外表面磨 损产生的影响；②忽略钻井液激动对套管试件产生 的附加正压力 ；③忽略钻井液阻力对施加正压力的 影 响 3 ． 2试验 结果分 析 套管磨损量与钻杆转速关系如图 2所示 。由图 可知，磨损初期 ，摩擦副表面相对较粗糙 ，磨损量 图 2套管磨损量与钻 杆转速的关 系 随着旋转周次的增加而快速增加。试样的表面粗糙 度随着磨损时间的延长不断增加 。从滑动磨损角度 来说 ，表面不断钝化降低了钻杆试件的研磨性 ，即 随旋转周次的增加 ，摩擦副快速磨合 。加大实验机 转速后 ，实验机稳定性降低 ，钻杆与套管间的振动 增加 ，导致钻杆试件与套管问的接触力增加，从而 增加 了磨损。以载荷 9 0 N为例 ，当钻杆试件转速 小于 1 4 0 r ／ mi n时，钻杆与套管问振动较小 ，若转 速继续增大 ，钻杆与套管 间将产生共振 ，振幅变 大 ，频率增加 ，由于振动产生 的铁 屑体积增加 明 显。正压力为 9 0 N，转速小于 1 4 0 r ／ m i n时套管试 件磨损体积 与旋转速度 n的线性关系式为 V0 ． 0 0 8 n0 ． 2 5 1 1 R 0 ． 9 6 7 1 1 式中 回归因数。 4 正压力 与套管磨损的关系 4 ． 1 试验及数据处理方法 设定钻杆试件转速为 1 2 0 r ／ m i n ，测定不 同正 压力下套管试件 的磨损量。将得到的磨损时间与磨 损量的关系绘制在直角坐标系下，并对其变化规律 进行拟合。图3即为转速 1 2 0 r ／ ra i n 、正压力 9 0 N 下磨损量随时间的变化关系。由试验获得转速 1 2 0 r ／ m i n ，正压力 9 0 N条件下套管试件磨损量 与磨 损时间 t 的幂数关系式为 L 0 ． 0 0 3 i t R 0 ． 9 7 8 4 2 图 3磨 损 量 与 磨 损 时 间 的 关 系 N9 0 N 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 O 0 0 0 0 0 0 EE 一 越 2 0 1 1年第 3 9卷第 1 期 阳鑫军等基于新型油井套管磨损 实验机的钻井工况模拟 R 0 ． 9 8 2 3时，相同转速及正压力下套管试 件磨损量与磨损时间的多项式关系式为 L 一6 E一1 0 t 4 E一0 5 t 0 ． 1 1 5 9 3 图 4即为转速 1 2 0 r ／ mi n 、正压力 2 7 0 N下磨 损量随时间的变化关 系。由试 验获得 转速 1 2 0 r ／ ra i n 、正压力 2 7 0 N下套管磨损量与时间的幂数关 系式为 L 0 ． 0 0 2 6 t R 0 ． 9 7 2 4 图 4磨 损 量 与磨 损 时 间 的 关 系 N 2 7 0 N R 0 ． 9 9 4 7时 ，相同转速和正压力下套管磨 损量与时间的多项式关 系式为 L 一4 E 一1 0 t 6 E 一0 5 t 0 ． 1 2 5 4 5 图 5即为转速 1 2 0 r ／ m i n 、正压力 3 6 0 N下磨 损量 随时问 的变化关 系。由试验获 得转速 1 2 0 r ／ ra i n 、正压力 3 6 0 N下套管磨损量与时间的幂数关 系式 为 厚度得出最大接触应力 是衡量产 生磨损量 的主 要标准 。磨损使钻杆与套管之 间的接触 面积增大 ， 进而造成二者之 问接触应力分布发生变化 ，最大接 触应力随接触面积的增加而减小 。在磨损初期 ，钻 杆与套管接触 面积小 ，最大接触应力大 ，磨损快。 随着磨损时间的延 长 ，摩擦副间的接触 面积增加 ， 最大接触应力变小 ，磨损变慢 。 由图 3可 以发现 ，套管初始磨损快 ，随着磨损 量的增加磨损变慢 ，直至 曲线斜率接近常数 。随着 正压力的加大，接触面磨合时间缩短 ，磨损量随时 间变化转变为线性 的趋势加快 。正压力为 2 7 0 N时 套管磨损的中后期 曲线基本为直线变化 。当正压力 增大为 3 6 0 N，由于正 压力过 大 造成试 件振动加 剧 ，振动产生的接触力使钻杆外表面与套管 内表面 不能很好磨合 ，磨损量变化显示为波动递增 ，且磨 损速度明显大于其他试验。扫描 电镜成像 图显示磨 粒特征以条状 、月牙状为主，磨痕为犁沟，磨损类 型以粘着磨损和犁沟磨损为主。这是 由于试件在磨 损过程总接触应力逐渐变小 ，其磨损类型由粘着磨 损 向犁沟磨损和磨粒磨损过渡。 5 各影响因素与套管磨损的关系 L 0 ． 0 0 0 7 t 。 。 。 R 0 ． 9 0 1 6 5 ． 1 温度 图 5磨损 量 与 磨 损 时 间的 关 系 N3 6 0 N R 0 ． 9 7 2 4时 ，相 同转速和正压力下套管磨 损量与时间的多项式关系式为 L 一2 E 一0 8 t 0 ． 0 0 0 3 t 0 ． 0 6 0 4 7 4 ． 2 试 验 结果 分析 通过分析大量的试验数据 ，对磨损量与时间的 关系进行拟合 ，发现在磨损量较小时 ，磨损量与时 间呈多项式关系。与其幂数回归方程相 比，多项式 回归方程的拟合度略高。从微观上分析 ，摩擦副问 的接触应力是磨损的关键 。正压力是接触面问产生 接触应力的原因。由赫兹接触应力公式可知 ，静止 放置的钻杆与套管内壁之间的最大接触应力产生在 接触区域的中间部分 ，钻杆与套管接触 的中间部分 磨损也最大。由磨损量 的定义 套管壁磨损最 大 在钻杆． 套管磨损 中，温度不 仅影响钻井液 的 性能 ，甚至可以改变摩擦副表面的材料特性 ，笔者 通过施加不同的温度来模拟井下工况。试验中临界 温度为 6 0℃。在 临界温度 内钻井 液性能较稳定 。 若超过 临界温度 ，会使套管 表面吸附膜脱 落、乱 向，导致 润滑 失 效 ，从 而 增 大 摩 擦 副 间 的摩 擦 因数 。 5 ． 2间歇载荷 针对钻井过程中频繁停 、复钻等工况，通过对 套管 周期性地加 载与卸载来研究最初磨痕出现后 ， 间歇性载荷可能对套管磨损率的影响。笔者设计 了 连续磨损与间歇磨损对比试验，其试验方法如下 连续磨损 时，施加 的转速 为 1 2 0 r ／ m i n ，正压 力为 1 2 0 N，其磨损时间为 8 h 。 间歇磨损时 ，施加相同的转速与正压力 ，设定 相同的磨损时间。加载 1 h后 即卸载 ，然后重新加 载。每次加载前用清水将磨损区域冲洗干净。 对比图 6与图 7可知 ，间歇载荷与连续载荷在 曲线形态上几乎一致 ，可见间歇载荷对磨损率并无 太大影响。在间歇载荷试验 的开始与结束 阶段 ，曲 线斜率并无明显变化。 1 1 O 0 O O O gg ＼ 删鞲题 一 l 6一 石油机械 2 0 1 1年第3 9卷第 1 期 图 6 连续载荷 下磨损 量与磨损 时间的 关系 图 7 间歇 载 荷 下 磨损 量 与磨 损 时 间 的 关 系 5 。 3钻井液性能 钻井液成分在钻杆与套管摩擦磨损 中起多种作 用 ，提高钻井液的润滑性是减小套管磨损的重要方 法之一。为了研究钻井液性能对套管摩擦磨损的影 响 ，设计了在正压力为 9 0 N、转速为 1 0 0 r ／ m i n时 以清水作为润滑介质及以 2种 粘度 的水基钻井液 钻井液 1的粘度小于钻井液 2 作为润滑介质的磨 损对比试验。由磨损时间与磨损量的对比图 图 8 可知 ，钻井液粘度大有利于减小套管的磨损量 ，且 钻井液的粘度越高，越有利于钻杆一 套管摩擦副的尽 快磨合 ，进而达到保护套管的作用。在水基钻井液 中加入极压润滑剂与防卡润滑剂可大幅度提高钻井 液的润滑性 ，这是由于极压润滑剂在钻柱与套管壁 相对运动的极压条件下，在两者金属之 间形成低熔 点极压膜 ，减小了钻杆与套管之间的摩擦因数。防 卡润滑剂与页岩 中粘土作用可减少水化与粘卡 ，从 而使钻杆与裸眼泥饼之间的摩擦因数减小。 图8 钻 井液介质对磨损影响的分析 对于油基钻井液，润滑剂浓度对润滑性影响极 小 ，但油水 比对钻井液润滑性有较大的影响，如油 水比为 9 0 1 0较 6 8 3 2的油基钻井液 ，无论在金 属与金属之间还是金属与砂岩之间其摩擦因数都要 小 4 0 ％ 以上 。 6 结 论 1 转速较小 时，套管磨损体积与转速关 系 为线性 ，转速较大时，由于振动造成套管磨损体积 急剧增加 。基于钻井效率与使用寿命等方 面的优 势 ，P D C钻头被 广泛应用 ，在其使 用过程 中通 常 采取低钻压、高钻速的方式进行钻进。无疑增大转 速能减小钻杆轴向摩擦力 ，加快钻进速度 ，但转速 增大的同时 ，也增加 了钻柱与套管接触 的摩擦路 程。所以在转速优选时需考虑地层压力和后续作业 对磨损段套管的影响 ，确定套管允许的最大磨损量。 2 在不同正压力下，多项式关 系较幂数关 系拟合度高，更符合磨损量 随时间的实 际变化关 系 。不同正压力下的磨损量与时间不成正比，正压 力对套管磨损影响为非线性 。 3 大位移井钻进过程 中可适 当增 加钻井泵 泵速 ，通过加快钻井液流速 以降低偏磨点的温度 ， 进而起到减小磨损量的作用 。 3 间歇载荷对套管磨损影响不明显。 4 钻井过程 中可适 当提高钻井液粘度以便 减小套管磨损。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 陈 浩 ，刘 承 杰 ．大 位 移 井 套 管 柱 磨 损 的 探 讨 [ J ]． 石油矿场机械，2 0 0 2 ，3 1 1 8 9 ． 吴雪平 ，金业权 ，徐泓 ．深井套管 磨损原 因及 防 护 [ J ]．西部探 矿工程，2 0 0 4，1 6 1 0 5 7 5 8． 张明江，彭新明．非旋转钻杆保护器的应用 [ J ]． 石 油钻采工艺 ，1 9 9 8 ，2 0 增 刊 1 4 9 5 3 ． 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 2 ． 第一作者简介阳鑫军，讲师，生于 1 9 7 8年，主要研 究方向为油气井工程。地址 0 6 6 0 0 4 河北省秦皇岛市。电 话 0 3 3 5 8 0 7 4 6 8 2 。Em a i l y a n g x j y s u ． e d u ． e n 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 0 8 本文编辑刘峰 9 8 7 6 5 4 3 2 0 0 O 0 O 0 0 O 0 O O EE 鲢