（机械电子工程专业论文）大斜度井套管磨损分析及井筒评价技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 大斜度井套管磨损分析及并筒评价技术研究 机械电子工程 法炜( 签名) 窦益华( 签名) 在大斜度井中，受井身轨迹影响，钻具横向重力效应突出，套管磨损严重。因此， 评价现有井筒的关键是准确分析套管磨损。 本文在分析套管磨损机理及影响因素基础上，选取“磨损效率”模型分析套管磨损 程度。由“磨损效率 模型可知，钻柱与套管的接触力、摩擦系数及磨损效率是分析套 管磨损量的关键。为此，本文首先用能量法分析了钻柱的临界屈曲载荷，给出钻柱在未 屈曲和屈曲状态下接触力计算公式。然后以现有摩擦系数经验数据结合软索模型，运用 迭代法给出反算实际井眼摩擦系数的步骤；同时总结了常用套管在水基和油基泥浆中的 磨损效率实验值，运用插值法给出计算其它钢级套管磨损效率的表达式。最后针对大多 数套管磨损形式为月牙型，给出月牙型磨损深度的计算方法，分析了月牙型磨损套管在 均匀载荷和非均匀载荷下的剩余强度。 在上述工作基础上，编制了“大斜度井套管磨损分析软件 。现场实际应用表明，软 件分析结果准确性好和可靠性高，完全满足工程需要，为试油工作提供指导。 关键词：大斜度井，套管，磨损分析，井筒评价 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：c a s i n gw e a ra n a l y s i sa n d w e l lb o r ee v a l u a t i o nf o rh i g h - a n g l ew e l l s s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c 脚g i n e e r i n g n a m e ： f aw e i ( s i g n a t u r e ) 厶! 垒i i n s t r u c t o r ：d o uy i h u a ( s i g n a t u r e ) a b s i l t a c l i nl l i g h a n g l ew e l l s ，b e c a u s eo ft h et r a j e c t o r yo fw e l l b o r e ，l a t e r a lg r a v i t ye f f e c to f d r i l l i n gt o o l si se n h a n c e d n l ec o n d i t i o n so fc a s i n gw e a rb e c o m em o r es e r i o u st h a nv e r t i c a l w e l l s i ti st h ek e yi s s u et h a tc a s i n gw e a ri sa c c u r a t e l ya n a l y z e df o re x i s t e dw e l l b o r e e v a l u a t e d o nt h eb a s i so fm e c h a n i s mo fc a s i n gw e a r , ”w e a r - e f f i c i e n c y ”m o d e li ss e l e c t e dt oa n a l y z e t h ed e p t ho fc a s i n gw e a r a c c o r d i n gt ot h em o d e l ，t h ek e yt od e t e r m i n et h ed e p t ho fc a s i n g w e a ri n c l u d e st h ec o n t a c tf o r c e ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h ew e a re f f i c i e n c yb e t w e e nd r i l ls t r i n g a n dc a s i n g f i r s to fa l l ，t h ec r i t i c a lb u c k l i n gl o a do fd r i l ls t r i n gi ss t u d i e db ye n e r g ym e t h o d a n dt h ee x p r e s s i o no ft h ec o n t a c tf o r c ei sf o u n df o rc o n f i g u r a t i o n so fn o n b u c k l i n ga n d b u c k l i n g s e c o n d l y , w i t he m p i r i c a ld a t aa n ds o f tm o d e lo fd r i l ls t r i n g ，t h ei n v e r s ec a l c u l a t i n g s t e p so ft h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ff i e l db o r e h o l ea r eo b t a i n e db yi t e r a t i v em e t h o d m o r e o v e r , t h ee x p e r i m e n t a lv a l u e so fw e a re f f i c i e n c ya r es u m m e du pf o rc o m m o ns t e e lg r a d ec a s i n g si n w a t e r - b a s e da n do i l 。b a s e dm u da n dt h ee x p r e s s i o n so fw e a re f f i c i e n c y a r eg o t t e db y i n t e r p o l a t i o nm e t h o df o ro t h e rs t e e lg r a d ec a s i n g s l a s t l y , a st h em a j o r i t yo f w e a rp a t t e r n si s c r e s c e n t s h a p e d ，t h em e t h o do fc a c u l a t i n gt h ed e p t ho fc r e s c e n t - s h a p e dw e a ri sd e r i v e d b s i d e s ， t h er e s i d u a ls t r e n g t ho ft h ec r e s c e n t s h a p e dw e a ri sa n a l y z e du n d e ru n i f o r ma n dn o n u n i f o r m l o a d s b a s e do nt h ea b o v ew o r k ，“c a s i n gw e a ra n a l y s i sf o rh i g h a n g l ew e l l s s o f t w a r ei s p r o g r a m m e d f u r t h e r m o r e ，t h ea p p l i c a t i o ni nt h ef i e l d s i n d i c a t e dt h ea n a l y s i sr e s u l to ft h e s o f t w a r ei sr e l i a b l ea n da c c u r a t e i tc o m p l e t e l ys a t i s f y sp r o j e c tr e q u i r e m e n ta n dp r o v i d e s g u i d a n c ef o rw e l lt e s t i n g k e yw o r d s ：h i g h - a n g l ew e l l ，c a s i n g ，w e a ra n a l y s i s ，w e l lb o r ee v a l u a t i o n t h e s i s ： a p p l i c a t i o ns t u d y i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：日期：2 互鱼 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：磁 i 导师签名：熟 日期：型雄 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 目的、意义和题目来源 随着石油勘探、开发技术的发展，大斜度井技术得到了迅猛发展，尤其是海上油田 的成功运用，获得了良好的经济效益，并节约了大量的费用。大斜度井( h i g h a n g l ew e l l ) 指视井斜角为6 0 。 - - 8 5 。其主要用于开发地面条件很差、钻直井和一般定向井不经济 的湖泊、沼泽和海上油田，或者是地球表面难以建立井场，或者建立井场要花费很大代 价时，就可以在较远的现有井场上钻大斜度井来开发油藏。 在石油勘探、开发的许多工程作业中都涉及到不同类型的作业套管，套管对于油井 井下作业的顺利进行起着决定性的作用。在大斜度井中，由于井身轨迹的影响，钻具横 向重力效应突出，钻柱与套管的磨损十分严重，井筒状况异常复杂。套管磨损后，抗挤 毁能力、抗内压能力、抗腐蚀能力都有所降低，而套管又无法更换，直接影响后续试油 作业的进行。为了防止井下事故的发生，保证试油作业的顺利进行，一方面搞清套管磨 损的主要影响因素、套管磨损程度及磨损套管的剩余强度等问题，以便采取有效措施， 减轻套管磨损，避免磨损套管非正常损坏意义重大；另一方面，钻井交试油的井，套管 已经磨损，井筒状况已既成事实，根据对现有井筒状况的评价，合理回避试油作业中的 潜在风险，确保井筒安全和试油作业的安全也具有重大意义。为此，提出本课题“大斜 度井套管磨损分析及井筒评价技术研究”。 显然，分析大斜度井钻井过程中套管磨损的机理是研究这一课题的基础。因此，本 文将从钻柱与套管的磨损机理研究入手，分析大斜度井套管的磨损程度，分析磨损套管 的剩余强度，研究套管磨损后井筒的评技术。 通过本文研究，可以根据大斜度井套管的磨损程度及磨损套管的剩余强度，结合井 筒评价技术，对试油作业提供指导性意见，降低试油作业风险，提高井筒的安全性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 套管磨损机理及影响因素 1 9 7 5 年，w b b r a d l e y 等人研究了钻柱旋转钻进及起下钻、钻柱护箍、钢丝绳等 对套管的磨损，认为钻柱旋转是套管磨损的主要原因；钻柱橡胶在接触载荷高的情况下 将有利于减少磨损( 大约大于1 5 0 0 磅) ；新的表面硬化钻具接头在套管内绝不应被旋转； 由钢丝绳引起的套管磨损，一般不会是主要的磨损；狗腿严重度的影响比按常规定向调 查显示的更为严重；对于磨损率，在各种磨损类型中，接触载荷的影响不是呈线性的； 凝胶和重晶石的添加或没有磨料的钻井液将趋于减少由钻柱( 旋转和起下钻) 引起的磨 损，但钢丝绳会增加磨损；套管等级并不会影响由于钢丝绳引起的磨损率。 1 9 8 1 年，w i l l i a m s o n 采用磨损试验机研究了套管与钻柱间接触力对套管磨损的影响， l 西安石油人学硕士学位论文 认为接触力是表征套管磨损速率的控制参数。试验结果发现，在低压力下磨损机理以磨 粒磨损为主；在高压力下磨损机理以粘着磨损为主。磨损机理的转变约在接触力为 1 4 m p a 时，在接触力为1 0 1 7 m p a 时，两者磨损机理的发生取决于不确定的实验条件【2 1 。 1 9 8 6 年，b r u n ob e s t 提出套管磨损机理是粘着磨损、磨粒磨损、梨沟磨损及接头表面 的疲劳磨损，套管磨损机理的认定可从泥浆中回收的磨损残屑特征来判别。作者用n 8 0 、 l 8 0 ，2 4 4 5 m m 套管和1 6 5 m m 工具接头在8 k n 的接触力下，进行不同泥浆、不同钻柱接头 表面处理的实验室磨损试验与现场磨损检测结果对比分析后认为套管磨损主要是三体磨 料磨损，只是在非加重泥浆条件下，会发生严重的粘着磨损【3 】。 1 9 8 6 年，g m b 0 1 分别用小尺寸试验机和全尺寸试验机对不同类型泥浆的性质进 行了研究，认为小尺寸的试验机不能真实反映实际的套管磨损；泥浆易于在平滑的工具 接头与套管之间产生保护层，降低套管的磨损；在非加重泥浆和低密度泥浆中添加润滑 剂能明显降低套管磨损；在重晶石加重泥浆中，随着泥浆密度的增加，润滑剂的效果而 降低，当泥浆密度超过1 5 0 0 k g m 3 后，润滑剂的效果基本消失 4 1 。 1 9 9 9 年，高智海，杨勇等人概述了引起套管磨损的几个主要因素，指出套管磨损的 主要形式是月牙型磨损，介绍了月牙型磨损对套管的挤毁强度的影响，并提出了两种预 测公式及减少套管磨损的措施【5 j 。 2 0 0 1 年，侯勇俊，王文武综合讨论了套管磨损对抗击毁能力和腐蚀寿命的影响、套 管磨损机理及套管磨损预测与控制方法等的研究现状，并提出套管磨损机理研究的新思 路和减轻套管磨损的新方法1 6 j 。 2 0 0 4 年，余磊，樊建春等人概述了近年来深井、超深井套管磨损机理及预测技术的 研究动态，讨论了套管磨损主导机理及其影响因素的几种观点，重点分析了磨损效率模 型的特点，明确了深井、超深井套管磨损研究的主要发展方向【7 1 。 2 0 0 7 年，储胜利，樊建春等人研制了一种新型石油套管磨损试验机，该试验机能模 拟存在钻井液介质润滑条件时钻柱接头外壁与套管内壁之间在不同工况下套管的磨损状 况，并可实现计算机实时采集和处理数据，为深入研究套管磨损机制提供了技术支持 8 1 。 2 0 0 7 年，胡文平，张来斌等人运用d c w t - 1 0 0 0 套管磨损试验机对冲击一滑动工况条件 下套管磨损进行了研究，发现在冲击滑动工况条件下，深井、超深井套管磨损机理主要 为接触疲劳磨损、粘着磨损和磨粒磨损一j 。 2 0 0 7 年，西安管材研究所利用美国m a u r e r 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柱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，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【巧j 。 2 第一章绪论 1 2 2 钻柱与套管接触力 1 9 8 3 年，j o h a n c s i k 首先提出了在定向井中钻柱摩阻计算的软索模型，为现场事故诊 断和套管磨损程度的预测分析提供了理论依据，但该模型仅适用于处于稳定状态的钻柱。 该模型认为接触正压力受重力、轴向拉力和弯曲井段的影响。此模型简单，在一般情况 下有一定的精度，但它将钻柱简化为软索，忽略钻柱的刚度，这在高曲率井眼中会产生 一定的误差【i 们。 1 9 8 8 年，h oh s 考虑了钻柱刚性的影响，根据大变形理论以自然坐标为基础，给出 了钻柱摩阻计算的刚性模型。同软索模型相比，对于高曲率井段刚性较大的管柱或套管 来说，能减小软索模型引起的误差，但刚性模型的稳定性相对较低，对测点数据的变化 也比较敏感。该模型认为接触正压力不仅受重力、轴向拉力和弯曲井段的影响，还受到 钻柱刚性及钻柱所受剪力的影响。且根据该模型导出了套管单位长度上侧向力的表达式。 侧向力的确定在套管柱设计，井下套管摩阻分析，尤其是在开展套管磨损问题的分析中 占有非常重要的地位【】。 1 9 9 2 年，杨姝，高德利等人以较先进的钻柱摩阻力学模型为基础，采用有限差分方 法，对定向井中钻柱的摩擦阻力预测问题进行了分析研究【1 2 】。 1 9 9 4 年，高德利，刘希圣等人以自然坐标为基础，忽略了钻柱刚性的影响，考虑到 在钻进时钻柱的轴向进给速度比其旋转速度小得多，再加上轴向振动作用，钻柱轴向摩 阻比其扭转摩阻小得多，给出了不计钻柱轴向摩阻影响时钻进摩阻分析方程组，并结合 有限差分法及边界条件给出了求解过程【1 3 】。 2 0 0 1 年，陈浩、刘承杰等人在研究大位移井钻井过程中建立了增斜段侧向力的计算 模型，通过受力与变形分析得到微分平衡方程组，通过求解微分方程组，最终导出了单 位长度套管上侧向力的表达式【1 4 1 。 2 0 0 3 年，高德利、覃成锦等人通过对三维井眼中管柱单元进行受力分析，建立了通 用的井下摩阻和扭矩计算模型和算法，开发了大位移井摩阻和扭矩的数值计算软伊1 5 】。 2 0 0 6 年，宋执武、高德利等人通过假设井壁对钻柱的支承点按一定的间隔分布，将 钻柱在支承点处断开，相邻两断点间的钻柱作为一跨，用加权余量法建立了大斜度井摩 阻的计算模型，推导出一套新的考虑井眼间隙的摩阻与扭矩计算公式。新模型能够计算 出钻柱与井壁的接触情况，为合理的确定减扭接头或钻柱保护器等工具在钻柱上的安放 位置提供更准确的依据【l 酬。 2 0 0 6 年，高德利建立了计算三维井眼中管柱轴向载荷的通用模型，以井眼轨迹测点 为节点，将两个测点之间的管柱划分为一个单元，建立轴向载荷分布与侧向力的关系式， 得出了单位长度套管接触力的计算公式【1 7 】。 1 2 3 摩擦系数及磨损效率 3 西安石油大学硕士学位论文 1 9 8 6 年，g m b 0 1 分别用小尺寸试验机和全尺寸试验机对不同类型泥浆的性质进 行了试验，试验表明小尺寸f a l e x 试验机时未加润滑剂的泥浆中摩擦系数为0 3 0 4 ；在加 润滑剂的泥浆中摩擦系数为0 0 5 - 0 1 。全尺寸试验机时i o e m 标准泥浆的摩擦系数为0 1 5 ； 未加重泥浆的摩擦系数为0 3 5 0 5 0 ；加重泥浆的摩擦系数为0 2 5 0 3 5 4 1 。 1 9 8 7 年，j p w h i t e 和r a p i e rd a w s o n 用全尺寸套管磨损试验机在水基泥浆和油基 泥浆条件下对k 5 5 、n s 0 、p 11 0 三种规格的套管做了磨损试验，采用磨损效率模型对试验 数据分析后得出k 5 5 、n 8 0 、p 11 0 在水基泥浆和油基泥浆条件下的磨损效率1 1 引。 1 9 9 0 年，钻井手册( 甲方) 中对以往套管磨损效率进行了总结，给出了在水基泥 浆和油基泥浆条件下对k 5 5 、n s 0 、p 1l o 三种规格的套管的磨损效率【l9 1 。 1 9 9 3 年，r u s s e l l 等人进行了8 4 , 时试验表明，清水泥浆、水基、油基、e p l u b e 和 含3 1 重晶石水基的摩擦系数依次为0 2 5 、0 2 2 、0 1 0 、0 0 3 、0 1 2 。同时，在油水基泥 浆含7 沙粒下，对于钢接头、粗糙碳化物硬化带( 1 4 3 0 目) 、精细的碳化钨( 6 0 8 0 目) 、 新型金属硬化带和橡胶保护器测试的摩擦系数依次为0 2 2 、0 1 6 、0 1 8 、0 1 6 、0 0 11 2 0 | 。 1 9 9 5 年，代奎，阎铁提出井眼实际摩擦系数可以由室内试验装置直接测定再通过实 钻井眼的实测数据反算得到，提出确定井眼实际摩擦系数的反算迭代基本步骤【2 。 1 9 9 8 年，李克向，周煜辉等人根据b p 勘探开发公司的相关资料总结分析了在不同钻 井液中及不同井眼环境中的摩擦系数【2 2 1 。 2 0 0 7 年，杨久红，王小增提出用插值法计算k 5 5 、n 8 0 、p i1 0 以外其它钢级套管的磨 损效率【2 3 1 。 1 2 4 磨损套管剩余强度 1 9 9 2 年，j s s o n g 等人分析了月牙型内壁磨损套管的抗内压强度，并运用双极坐 标法得出了内壁磨损套管的抗内压及抗挤强度计算公式【2 4 】。 1 9 9 2 年，y u k i h i s a 等人分析了磨损和弯曲对套管抗挤毁性能的影响，综合考虑椭圆 度、偏心、残余应力的影响得出了内壁磨损套管抗挤毁强度计算的经验公式【z 5 。 1 9 9 5 年，仇伟德等人分析了影响套管极限外压的主要因素及套管在外压作用下的应 力与应变，得出了适用于薄壁，中厚和厚壁套管抗挤毁强度计算公式。该公式可以计算 套管的弹性极限外压、弹性失稳外压和弹塑性失稳外压【2 6 1 。 1 9 9 6 年，窦宏恩分析了前人计算非均匀载荷作用下的套管承受外载荷的计算公式后， 利用力学模型中的几个端点值，把变系数微分方程化为常系数微分方程，然后利用几何 平均处理方法求得该变系数微分方程的近似解，导出了非均匀壁厚圆管临界外压近似计 算公式，运用算例分析后认为该公式符合现场实际【2 7 1 。 2 0 0 0 年，覃成锦运用有限元方法，分别按平面应力和平面应变问题，分析了内壁磨 损套管的抗挤毁能力。在这两种情况下，抗挤毁强度都随磨损深度的增加和半径的减少 而降低，而平面应变分析得到抗挤强度数值结果比平面应力分析得到的结果要高，建议 4 第一章绪论 使用数值计算的结果【2 引。 2 0 0 2 年，韩勇介绍了磨损套管的挤毁机理，对不同径厚比套管有可能发生强度屈服 挤毁破坏和弹性失稳破坏，并指出弹性失稳破坏只与套管的几何尺寸有关，而与材料性 能无关：根据不同的破坏形式，采取相应的算法计算其剩余强度。对磨损套管简化为均 匀最小壁厚模型，即认为套管均匀磨损相同的深度，并考虑到挤毁机理，采用强度屈服 和弹性失稳两种公式计算，结果取小值，由于该计算模型简化过于保守导致计算结果偏 小，但更安全【2 0 1 。 2 0 0 4 年，楼一珊研究表明，影响井下套管磨损的主要因素有井身结构、钻具组合、 材料性能和钻井参数，由此建立磨损程度的数学模型，并利用开发的应用软件计算出在 给定参数条件下的磨损深度和磨损后的剩余强度，同时综合分析腐蚀对套管剩余强度的 影响【2 9 1 。 2 0 0 5 年，曾德智，林元华，施太和等人综合考虑磨损及制造缺陷对套管抗挤强度的 影响，应用叠加原理建立了计算磨损套管抗挤强度的新算法【3 0 】。 2 0 0 6 年，林元华，曾德智，施太和等人将磨损简化为套管的壁厚不均度和内壁不圆 度几何缺陷，在此基础上建立了非均匀载荷下磨损套管抗挤强度计算方程，方程计算值 与实验值吻合【3 1 1 。 2 0 0 7 年，窦益华根据国内油田钻井井史提供的数据，用磨损效率模型分析了月牙型 磨损套管的磨损深度；给出了井下套管磨损深度的计算方法和计算公式。用弹性力学中 的双极坐标法将偏心磨损套管强度计算中两个非同心圆边界问题转化为轴对称同心圆问 题，从而便于解析分析，经过推导，得到在内外压作用下磨损套管内的环向应力表达式， 以磨损套管最薄处内壁环向应力达到管材屈服极限为判断条件，得到磨损套管剩余抗挤 强度和剩余抗内压强度【3 2 1 。 1 2 5 套管磨损分析软件 9 0 年代，m a u r e r 工程公司进行了3 0 0 余组不同钻柱接头特性、钻井液性能、钻 柱接箍、套管材料等条件下的模拟试验，开发了套管磨损计算软件c w e a r 用于计 算套管磨损。s h e l l 石油公司开发了w e a r 2 0 0 0 套管磨损分析软件，该软件是以概 率可靠性理论为基础建立磨损预测模型。1 9 9 5 年，石油勘探开发科学研究借鉴国外 先进技术，结合多口井的实际磨损情况开发套管磨损分析软件，已较好地对多口井 进行了模拟预测。另外，查永进等也曾编制了计算套管磨损量的软件，只是尚未推广应 用【5 9 】。 1 3 本文主要研究工作 1 3 1 分析大斜度井套管磨损机理及影响因素 分析大斜度井套管磨损起因、套管磨损的主要影响因素及套管磨损机理，确立套管 5 西安石油大学硕士学位论文 磨损预测模型。 1 3 2 分析大斜度井钻柱与套管接触力 分析大斜度井钻柱未屈曲和屈曲时与套管的接触力及套管发生屈曲的临界载荷。 1 3 3 分析大斜度井磨损套管剩余强度 分析均匀载荷和非均匀载荷下磨损套管的剩余抗挤强度、剩余抗内压强度。 1 3 4 编制大斜度井套管磨损分析软件 以前面各章为基础，编制大斜度井套管磨损分析软件。 1 4 本文创新点 ( 1 ) 运用静力平衡法采用更为精确地挠度方程建立钻柱屈曲状态时接触力微分方 程，根据正弦屈曲和螺旋屈曲的空间几何形状分别求得正弦屈曲状态和螺旋屈曲状态时 钻柱与井壁的接触力。当井眼曲率趋于无穷时，得到斜直井中钻柱在正弦屈曲平衡状态、 螺旋屈曲平衡状态时钻柱与井壁的接触力； ( 2 ) 建立固井后，套管、水泥环、地层有限元模型，结合塔里木油田实际数据，系 统研究非均匀地应力条件下套管内壁磨损位置以及水泥环缺陷位置对套管应力的影响规 律； ( 3 ) 编制了“大斜度井套管磨损分析”软件。 6 第二章大斜度井套管磨损机理及影响冈素分析 第二章大斜度井套管磨损机理及影响因素分析 大斜度井是技术性难度较高的油气井类型之一，在其钻探过程中，钻井作业周期长： 岩层应力作用复杂；钻具横向重力效应突出等因素使得套管磨损问题尤为严重。这种磨 损导致用于隔离岩层和支撑井壁的套管壁厚减薄、强度降低，从而诱发钻井事故，直接 影响井下安全和钻井效率。有关资料表明，每年因为套管磨损带来的经济损失达数十亿 美元【删。因此，解决大斜度井套管磨损问题已经成为我国油气田开发的一项紧迫任务。 不言而喻，磨损机理的分析是解决大斜度井套管磨损这一问题的基础。只有正确认 识钻井过程中套管磨损的发生发展机理，才能科学地分析和预测套管的磨损程度。只有 在明确影响套管磨损主要因素的基础上，才能有针对性的从摩擦元件的结构、材料性能 及钻井工艺等方面采取措施有效地防止或减少磨损。 2 1 大斜度井套管磨损机理分析 任何机件在接触状态下相对运动( 滑动、滚动或滑动和滚动) 时都会产生摩擦。物 体相对运动时，相对运动表面的物质不断损失或产生残余变形称为磨损。按磨损机理分 类，磨损主要分粘着磨损、磨粒磨损、接触疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损p7 1 。 国外从2 0 世纪6 0 年代开始研究钻柱和套管磨损问题，至今已取得了大量的研究成 果。w i l l i a m s o n 通过试验发现，在低压力下，磨损机理以磨粒磨损为主；在高压力下， 磨损机理以粘着磨损为主。磨损机理的转变约在接触力为1 4 m p a 时，而在接触力为 1 肚1 7 m p a 时，两个磨损机理的发生取决于不确定的实验条件【引。b r u n ob e s t 提出套管 磨损机理是粘着磨损、磨粒磨损、梨沟磨损及接头表面的疲劳磨损，套管磨损机理的认 定可从泥浆中回收的磨损残屑特征来判别【3j 。胡文平，张来斌等人研究发现在冲击滑动 工况条件下，深井、超深井套管磨损机理主要为接触疲劳磨损、粘着磨损和磨粒磨损【1 7 】。 西安管材研究所采用扫描电子显微镜观察分析了磨损表面形貌，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 9 1 。 因此下面就套管的主要磨损机理粘着磨损、磨粒磨损、表面接触疲劳磨损进行分析。 2 1 1 粘着磨损机理分析 当摩擦副表面相对滑动时，由于粘着效应所形成的粘着结点发生剪切断裂，被剪切 的材料或脱落形成磨屑，或有一个表面迁移到另一个表面，此类磨损统称为粘着磨损p 引。 选取摩擦副之间的粘着结点面积为以a 为半径的圆，在载荷的作用下，接触表面 处于塑性接触状态，假设粘结点沿球面破坏，即迁移的磨屑为半球形，滑动位移为2 口。 粘着磨损模型如图2 1 所示( 1 、2 代表两种材料) 3 s 】： 表面2 上磨损掉的材料体积为w v ： 7 两安石油大学硕士学位论文 “老厶 ( 2 - 1 ) 式中：k 一粘着磨损系数；l h 一滑移距离；h 。一软材料的表面硬度：一接触载荷。 ni运垫塑 一一一 图2 1 粘着磨损模型 从式( 2 1 ) 可以得出以下三点：( 1 ) 磨损量与摩擦行程成正比；( 2 ) 磨损量与法向 载荷成正比；( 3 ) 磨损量与软材料的表面硬度成反比。式中的k 又可称为粘着磨损系数， 其大小取决于摩擦条件和摩擦副的材料。试验验证表明，第一点适用于各种条件。第二 点只适用于有限的载荷范围，当载荷超过一定值时，磨损率急剧增大。第三点已为很多 实物所证实，但是，除了表面硬度之外，材料的其它性能对磨损率也有影响。 2 1 2 磨粒磨损机理分析 外界硬颗粒或者对磨表面上的硬突起物在摩擦过程中引起表面材料脱落的现象，称 为磨粒磨损【l 】。磨粒磨损主要有三种形式：外界磨粒移动于两摩擦表面之间，类似于研 磨作用，此称为三体磨粒磨损；磨粒沿一个固体表面相对运动产生的磨损称为二体磨粒 磨损；在一对摩擦副中，硬表面的粗糙峰对软表面起着磨粒作用，也是二体磨损。 假设磨粒为形状相同的圆锥体，半角为0 ，在载荷的作用下，压入较软的材料当 中，压入深度为z ，并在切向力的作用下，在表面滑动了厶的距离，犁出了一条沟槽， 磨粒磨损模型如图2 2 所示p 引： 则较软材料的磨损体积w v 为： 图2 - 2 磨粒磨损模型 8 第二章大斜度井套管磨损机理及影响因素分析 。云易厶 ( 2 - 2 ) h b 7 噍9 9 “ 、厶厶 式中：。一软材料的硬度：n 一接触载荷：口一磨粒锥顶角。 从式( 2 2 ) 可以看出，体积磨损量和载荷、滑动距离成正比，与材料的硬度成反比； 还与材料的形状有关。 2 1 3 表面接触疲劳磨损机理分析 由于摩擦副表面粗糙度和波纹度的存在，表面接触是不连续的，因此摩擦时表面受 到周期性载荷的作用，在接触点的局部变形和应力而产生表面机械破坏脱落，这样的磨 损形式称为表面接触疲劳磨损【3 6 1 。 大多数学者认为，材料的疲劳是引起材料磨损的基本因素。材料表面磨损属于材料 疲劳破坏性质，必须施加多次反复摩擦作用。引起磨损的摩擦次数可根据接触点的破坏 形式来决定，而接触点的破坏形式与应力状态有关。这样，根据摩擦副的载荷和运动状 况，以及表面形貌和材料性质确定接触点的应力状态，进而建立疲劳磨损计算的表达式 【3 8 】： = k 厶 ( 2 3 ) 1 - 1 6 式中：专产生疲劳破坏的应力循环数；l h - 滑移距离：巩一软材料的表面硬度； 接触载荷。 通过上面三种磨损机理的分析，不难发现，接触载荷、滑动距离及材料性能是影响 磨损的主要因素。在实际钻井过程中，影响套管磨损的因素远不止这些，下面就钻井过 程中套管磨损的主要影响因素进行具体分析。 2 2 大斜度井套管磨损影响因素分析 ：套管磨损的影响因素很多，可分为内部因素和外部因素。内部因素主要为受磨材料 本身的力学性能、化学成分、组织等；外部因素即磨损时的工作条件，主要有载荷、狗 腿度、速度、温度、相对运动及受力状态、磨料、介质、环境因素等。 2 2 1 内部因素 ( 1 ) 套管材料性能 不同钢级的套管磨损速度也不同。对于k 5 5 、n 8 0 、p 11 0 三种钢级的套管，试验结 果表明在相似条件下p l l o 套管磨损最快，n 8 0 套管次之，k 5 5 套管最慢。这种现象有2 种 解释，一种认为p l l o 套管磨损快可能是由于p l l 0 套管和钻柱接头材料类似，这种解释 基于相似材料相互磨损一般比不同材料快；另一种解释是n 8 0 套管本身比p 1 1 0 套管抗磨 9 西安石油大学硕士学位论文 损性强i 培j 。 同时，摩擦研究表明，粗糙表面通常具有较高的磨损率；具有特定纹理的表面形貌 有利于在摩擦表面形成较稳定的润滑膜，从而降低磨损。但对套管而言，如果在现有条 件下对套管表面的粗糙度做出要求，无疑会大幅度增加套管的制造成本 4 2 1 。 ( 2 ) 钻柱接头 钻柱接头材料对套管磨损有非常重要的影响，在这方面已经有了充分的认识，而且 目前绝大多数的防磨措施都集中在接头部分。最初采用的表面硬化处理技术在修复钻柱 的同时提高钻柱接头的耐磨性，如在钻柱接头上采用等离子喷焊一层铁粉或碳化钨材料 作为耐磨带，耐磨带可以获得很高的表面硬度，多年的实践表明，上述方法在提高钻柱 耐磨性的同时，也加剧了套管的磨损，使套管的使用寿命大大下降。这是由于粗糙的硬 质合金表面会对较软的套管表面产生显著的微切削作用。研究者们通过不断的探索和大 量的科学试验，研制出了一系列新的耐磨材料，这些材料用作耐磨带后可获得高的表面 硬度，同时使之与套管形成的摩擦副摩擦系数大大降低，因此可同时实现钻柱接头的高 耐磨性和套管的低磨损性，可在保护钻柱接头的同时降低套管的磨损，即在与套管材料 的匹配性方面要比硬质合金优越【2 2 1 。具有粗糙表面的钻柱接头会对套管表面造成损伤已 经为实践所证实。因此，无论在钻柱接头敷焊何种材料的耐磨层，都必须严格控制其敷 焊层的表面粗糙度，这是由于敷焊处的材料通常具有较高的硬度。如果在钻柱接头上存 在这样的粗糙硬质表面，无疑会加大套管表面的磨损。显然，保证具有较光滑的钻柱接 头表面，有利于降低套管磨损。 钻柱接头几何形状的合理过渡，能够有效地改善套管与接头接触区的应力分布状况， 从而降低对套管的磨损。此外，在实际井下测试工艺中，现普遍采用在接头附近加装钻 柱保护器、耐磨滑套等方法来降低磨损。这些方法的应用能够增加在套管与钻柱接触区 的支撑，起到均化法向正压力的作用，从而降低套管与钻柱接头的接触载荷，减少套管 磨损，同时也可降低钻柱接头的损伤。目前，开发低成本的高分子材料防磨套是一项很 有发展前景的工作【4 引。 除井斜外，钻柱在井筒内发生弯曲变形且与套管表面发生接触作用时，也可能造成 套管的磨损。按照现有的理论，在弯曲情况下，钻柱与井壁的接触力与轴向力的平方成 正比，而与钻柱的弹性模量成反比。因此，一旦有弯曲接触作用的存在，在同等情况下 造成的磨损可能会更严重，而提高钻柱的弹性模量将有助于降低这种接触力。 2 2 2 外部因素 ( 1 ) 相对运动形式 套管与钻柱之间的相对运动完全取决于钻柱的运动状态，在实际的井下测试过程中， 钻柱的运动状态十分复杂。在实际井下测试过程中，钻柱存在着自转、公转( 涡动) 、纵 向振动、扭转振动、横向振动等多种运动形式【7 1 。在起下钻过程中，钻柱的主要运动形 1 0 第二章大斜度井套管磨损机理及影响因素分析 式为沿井眼轴向滑动。钻柱自转是一般旋转钻进的主要运动形式，钻柱在绕自身轴线旋 转的同时，由于钻柱弯曲、钻柱与井壁或套管的摩擦力作用等因素的影响，有时会产生 绕井眼轴线的公转( 涡动) ，涡动很容易导致强烈的横向振动。钻头在破碎岩石时所产生 的周期性作用力、周期性位移和周期性扭矩诱发钻柱纵向振动、扭转振动和横向振动。 从现场回收的磨损套管来看，大部分套管磨损是由于钻柱接头的旋转而造成的，而 不是钻柱的往复运动造成的。大量研究也表明，钻柱的往复运动造成的套管磨损要比钻 柱旋转造成的磨损小得多。纵向振动、扭转振动和横向振动加速了钻柱和套管的磨损和 疲劳破坏【l 】。在大斜度井中，钻柱弯曲显著，拉力增大，推动钻柱紧靠套管，钻柱的往 复运动产生的套管磨损虽不是主要磨损形式，但相对垂直井而言显著增加，不容忽视。 ( 2 ) 载荷( 接触力) 实验表明：钻柱对套管的接触力是影响套管磨损行为的主要载荷来源【8 】，接触力越 大，套管磨损也越严重。这是因为接触力较大时，套管内壁和钻柱接头之间缺少润滑油 膜引起的。当接触力较大时，钻柱接头和套管内壁之间的润滑油膜破裂，导致套管内壁 和钻柱接头直接接触，从而加速了套管的磨损。另外，在地层压力作用下以及套管存在 某些缺陷发生变形的条件下，这种载荷作用将进一步加剧。由于较大载荷的作用，套管 与钻柱接头的接触表面发生复杂的弹性和塑性变形，在接触及相互摩擦的过程中，摩擦 表面的微凸体受到强烈的挤压和剪切作用，挤压足以使两个微凸体发生粘焊，而粘结的 微凸体由于受到进一步的剪切，当这种剪切力超过其剪切强度时即发生微观断裂，粘结 微凸体便与材料基体金属发生脱落，形成粘着磨损【矧。此外，表面较硬质点对软表面的 微观切削作用、表面微观裂纹在载荷作用下的扩展也会使表面部分材料发生脱离，导致 磨损发生。应该说，载荷的存在是造成磨损发生的最直接原因。尤其在大斜度井中，井 斜角大，钻具的横向重力效应显著，套管所受的载荷与直井相比显著增加，套管磨损尤 为严重。 ( 3 ) 狗腿严重度 实际井眼总是弯曲的，井眼的弯曲程度用狗腿严重度表示。套管在井壁弯曲处要随 之弯曲，狗腿度越大弯曲越严重。在通过弯曲的套管时，钻柱一侧与套管接触，产生正 压力，接触正压力随着狗腿度的增加而增大。由前所述，接触正压力的增加加速了钻柱 接头和套管之间的磨损。狗腿度对套管的磨损有严重的影响，这种影响不只是造成接触 正压力的增大。当狗腿度较大时，钻柱始终与套管的同一局部位置接触，形成局部磨损， 大大加速了套管的磨损。因此狗腿度对套管磨损的影响不容忽视，必须严格控制钻井质 量，减少狗腿度，这在大斜度井中具有重要意义。 ( 4 ) 井内介质 井内介质主要由钻井液和混入其中的地下水、泥沙、岩屑、金属屑等组成。钻井液 除平衡地层压力外，还可携带岩屑出井，同时对井下摩擦副( 包括钻头) 起到冷却、清 洁、润滑等作用。由于钻井液的组成成分十分复杂，同时还会受到很多地层物质的影响， 1 1 西安石油大学硕上学位论文 加之高温、高压等复杂条件的作用，实际钻井液中可能同时存在着抑制和加速套管磨损 的两种效应。正是由于这两种效应的同时存在，使得目前对于钻井液中不同成分对套管 磨损的影响产生了许多相互矛盾的认识。 钻井液是出现在套管与钻柱工具接头接触表面间的主要介质。对钻井液在套管摩擦 磨损过程中所起的作用，欧美及俄罗斯的研究人员开展过一系列的研究。r u s s e l l 等人对 几种不同类型的钻井液成分在实验室中进行的8 小时测试结果表明，清水产生套管磨损 最大，壁厚减少达4 6 。水基钻井液与清水相比磨损要小，壁厚减少只有2 8 ，这是由 于水基钻井液中的重晶石粉具有润滑作用。在水基钻井液中加入约3 1 的重晶石，套管 磨损显著降低，这是由于重晶石使钻柱与套管表面分离而没有直接接触的缘故。非加重 油基钻井液与非加重水基钻井液相比，套管磨损得到很大的改善，水基钻井液中的 e p - _ l u b e 也能显著降低套管的磨损p j 。 笆 褥 辎 憾 j 扭 徘 3 0 2 0 l o 0 4 6 2 8 霾 8 囫网5网4 清水水基油基台 e p - l i j b e 含重晶 石粉 钻井液类型 图2 - 3 钻井液类型对套管磨损的影响 b e s t 3 】和b o l 证实，加重泥浆中的固相物质，如膨润土、重晶石以及岩屑中不会产生 研磨作用的颗粒等，可将工具接头和套管表面隔开，有效减少套管的磨损。但对未加重 钻井液中泥砂的作用，还存在着认识上的分歧；b o l 认为未加重钻井液中泥砂的存在将 使粘着磨损加重，并存在某种正比关系，但j p w h i t e 和d a w s o n 通过试验考察了含 砂量为0 5 - 2 的泥浆对套管磨损的影响，认为套管与钻柱接头之间间隙太小，泥砂不 能进入摩擦面，因而套管磨损对泥浆含砂量是不敏感的。对于不同泥浆类型对套管磨损 的影响，j p w h i t e 等人通过试验和实际测量发现，油基泥浆能在减少摩擦的同时增 大磨损，然而，他们对此未能作出理论上的解释；但在另一方面，r u s s e l l 等人的实验研 究却表明油基泥浆能大幅度地降低套管磨损。 显然，人们对钻井液在套管磨损过程中所起的作用已经予以足够的重视，但尚未得 到令人满意的研究结论，现有的一些研究结果还存在着较大分歧。 ( 5 ) 速度 速度对磨损过程的影响主要体现在对表面材料的变形或剪切速度、摩擦温度等方面。 摩擦学研究表明 4 2 1 ，在一定载荷条件下，随着摩擦表面相对滑动速度的增加，钢表面磨 1 2 第二章大斜度井套管磨损机理及影响因素分析 损呈现复杂变化，而在这一过程中对磨损起主导影响因素的是温度和表面氧化膜的变化。 在滑动速度很低的情况下，主要发生氧化磨损，此时的磨损率很小；随着滑动速度的增 大，存在于表面的氧化膜破裂，金属材料直接接触，此时的主要磨损形式为粘着磨损， 磨损量显著增加：当滑动速度增加到一定范围时，由于摩擦温度上升，有利于形成黑色 四氧化三铁氧化膜，此时的磨损又转变为氧化磨损，磨损率下降；如果滑动速度继续增 加，则再次转化为粘着磨损，磨损率急剧上升，导致失效。 ( 6 ) 温度 温度也是在讨论套管磨损时考虑的一个重要因素【4 舶。事实上温度对磨损的影响与载 荷、速度对磨损的影响存在某种耦合关系，随着载荷及滑动速度的改变，势必引起摩擦 表面温度的升降，从而造成粘着磨损特征的明显变化。已有的摩擦学试验表明，随着温 度的上升，存在着多个温度转变点，在这些转变点，金属表面磨损发生显著的变化。摩 擦表面温升效应与金属组织结构及其性能的变化及氧化膜的形成有密切关系，在有利于 氧化膜稳定存在的温度范围里，轻微的氧化磨损起主导作用，此时的磨损量较小；而当 温度上升到足以使氧化膜破裂，粘着磨损起主导作用时，磨损量会显著增加。井下局部 摩擦部位的温度过高，不但会使本已在摩擦表面形成的润滑