石油鉆井套管磨損與防護措施研究

王家強

（長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100）

1 概述

在進行石油鉆探過程當中，除了設計好井深、井軌跡以避開危險區之外，使用合適的鉆桿、套管；設計優良的套管性能也相當重要。伴隨著石油工業的飛速發展，面對大位移井、水平井、深井都需要有足夠優良性能的鉆井套管。所以，分析石油鉆井套管磨損十分重要，設計合理的防磨措施也成為了研究人員在科研工作當中尤為需要注意的問題[1]。

2 套管磨損的影響因素

一般而言，影響套管柱磨損的成因主要分為鉆桿運動形式不同、井壁狗腿角的大小、鉆井液的成分不同、套管材料不同等多種情況，以下就將對這些情況簡要分析[2]。

2.1 鉆桿柱的運動形式不同時對套管磨損的影響

鉆桿柱在進行起鉆和下鉆過程當中，無可避免的將會對套管的內壁產生一系列的影響，對此研究人員在做了大量研究后得到結論：鉆桿在往復移動時使得套管發生的磨損量要比鉆桿以旋轉的運動方式運動時產生的磨損量小很多；并且鉆桿對套管的磨損程度也與接觸角的大小有關，接觸角越大時，其導致磨損量增大[3]。

2.2 井壁狗腿角的大小對套管磨損的影響

當面對大位移井時，鉆桿在通過彎曲位置時，鉆桿的一部分就會和管壁接觸，從而產生正壓力，伴隨著狗腿度的增大，拉力也逐漸增大，這也會加快鉆桿和套管的磨損度。除了這些顯而易見的影響之外，井下的鋼絲繩、電纜等設施都會在一個很小的范圍與套管壁反復接觸，從而產生局部磨損，局部磨損的大小要取決于井壁狗腿度的大小。這些磨損對于套管承受擠壓強度的下降也會起到一個負面的作用[4]。

2.3 鉆井液成分對套管磨損的影響

鉆井液的成分對套管的磨損也是需要研究人員著重考慮的關鍵點之一，通過在實驗室內對多種不同類型的鉆井液進行套管磨損對比后可以發現，對于套管磨損效果最為顯著的是清水，在實驗室條件下會使得套管壁厚減少一半左右，而使用水基鉆井液對于套管磨損程度的改善最為明顯，大概也只有清水磨損套管的一半左右[5]。

2.4 套管材料對套管磨損的影響

套管材料對于套管的磨損程度也有著較大影響，通大量的實驗研究可以發現，在相同的實驗室環境之下，P110的材料磨損程度要遠高于N80 材料的套管，而N80 材料的套管磨損程度要高于N50 套管。因此選擇合適鋼型的套管材料，對于減小套管磨損也有著及其重要的作用。

3 實驗方案

筆者通過以非加重水基鉆井液作為試驗介質，分析套管磨損隨接觸載荷、摩擦行程、鉆桿轉速、鉆井液黏度等因素變化的一般規律；探討套管出現劇烈磨損的原因，對鉆井參數的優選提出建議。

3.1 試驗裝置及工作原理

這是一臺MZM-500 型鉆桿／套管旋轉摩擦磨損試驗機，這套實驗裝置的具體結構由圖1 所示，整個運行原理由圖2 所示，可以通過大量的數據采集實現溫度、摩擦因數、扭矩等數據的自動輸出。

圖2 實驗機器運行原理

1-光電編碼器；2-轉矩傳感器；3-彈性連接軸；4-主軸箱；5-滑動座；6-腐蝕箱；7-試樣固定夾具；8-連桿；9-滑動導軌；10-主軸電機；11-小帶輪；12-主軸（花鍵軸）；13-內試樣；14-外試樣；15-水泥環；16-加載砝碼；17-施力杠桿；18-加載輪。

3.2 實驗內容

實驗主要通過改變接觸力、鉆桿的鉆速、鉆井液粘度、摩擦時間等實驗參數，通過設置不同實驗室條件對實驗進行控制變量，鉆桿鉆速的實驗范圍在60-180r/min 之間，鉆桿總鉆速高于10 萬轉，接觸力在90-450N 之間。最終通過目視測量、計算測量等方式，定性、定量的對比對套管的磨損程度。

4 結果分析

4.1 套管磨損隨摩擦行程的變化趨勢

通過對實驗結果進行分析，可以通過控制變量的方法排查得到結果，實驗室條件初步設置為140r/min、270N的條件下，得到了套管磨損的變化曲線，如圖3 所示。

圖3 套管磨損量變化曲線

通過分析圖3 可以得到結論，在作業的初期套管的磨損比較大，伴隨著套管的壁厚磨損增加，鉆桿和套管的接觸面積變大，在套管壁厚在0.3 毫米到0.8 毫米之間時，套管的磨損程度最大，當磨損壁厚高于0.8 毫米時，套管的磨損程度呈現逐步下降的趨勢。整體來看，套管磨損壁厚隨時間接近于線性趨勢變化[6]。

通過分析圖4的曲線，可以發現套管與鉆桿間的摩擦因數隨著時間的推移會產生逐步的變化，在同樣的實驗室條件下，室內得到的平均摩擦系數，在測試時間足夠長的情況下和井場的實際情況基本相同，因此可以得到結論：通過降低摩擦因數，可以有效的減少套管的磨損程度。

圖4 270N 接觸力作用下套管磨損量的變化曲線

4.2 接觸力對套管磨損的影響

接觸力對套管磨損的影響也十分顯著，實驗主要采用N80套管，使用非加重鉆井液進行研究，最后得到套管磨損率隨接觸力的變化趨勢（見圖5），可以得到結論：當接觸載荷比較小的時候，接觸力與套管的磨損程度呈現出正相關的近乎于線性的關系，而當載荷過高，高于360N 時，非線性的趨勢將會越發的明顯。

圖5 套管磨損率隨接觸力的變化趨勢

通過研究套管摩擦因數隨接觸力的變化趨勢（圖6）可以發現，當摩擦系數基本處于穩定的狀態，接觸載荷過大時，摩擦因數也會顯著增大，尤其是載荷在270N 到360N 之間時，摩擦因數的變化幅度要高于其他情況。

圖6 套管摩擦因數隨接觸力的變化趨勢

通過研究可以得知，因為接觸力增大，鉆桿和套管所要承受的應力也會逐漸增大，但是增大趨勢較為均勻，如果出現異常磨損，那么接觸應力的分布非均勻性應當是主要原因。

4.3 鉆桿轉速對套管磨損的影響

通過采用非加重介質的鉆井液進行實驗，當實驗條件調整為270N的載荷情況下，可以得到N80 套管在實驗室條件下套管磨損率隨鉆桿轉速的變化趨勢[7]。從圖中可以發現鉆書在60r/min 到100r/min 時，隨鉆桿轉速增高套管磨損率略有增大；當轉速繼續增大直到140r/min 時，套管磨損率繼續以近乎線性的方式持續上升，而套管磨損率吧逐漸升高至180r/min 之上時，出現了套管磨損率下降的情況（圖7）。這些情況通過鉆桿鉆速與摩擦因素的曲線也可以發現（圖8）。

圖7 套管磨損量與鉆桿轉速關系

圖8 摩擦因數隨轉速的變化趨勢

從實際情況的角度進行分析，認為在高鉆速下鉆井設備極有可能發生共振，當發生共振時，就有可能發生上述情況，同時在這種情況下各類電子、機械儀器都會有著較高的故障率，各種實驗儀器的可靠性也會隨之降低，不會得出符合現場的結果。因此在后續的研究過程當中，如何解決共振問題也將會是難點之一，同時在現有的工況之下，鉆桿鉆速也不應當高于140r/min，以保證工程的安全性。

5 結論及防護措施

綜上所述，受限于技術方法、應用條件等要素的影響，套管磨損所造成的問題對于石油行業造成損失極大，解決問題刻不容緩，對于防護措施，業內一般采用以下幾種手段予以防護[8-10]。

5.1 安裝耐磨帶

在實際的工作當中，通常會采取安裝防磨帶作為防護措施，這一措施會有效的減緩鉆桿的扭矩。通過安裝在鉆桿的合適位置，可以實現鉆桿與套管的有效隔離，從而實現保護工具、增加使用壽命的意圖。

5.2 安裝鉆桿保護器

通過安裝鉆桿保護器，可以使用橡膠材料發揮作用。鉆桿保護器分為旋轉型與非旋轉型兩種，通過讓鉆桿與套管壁有足夠的空隙，最終達到減緩磨損、保護鉆桿與套管的作用。

5.3 旋轉鉆柱接頭

采取旋轉鉆柱接頭，可以有效的降低大斜度井、大位移井的扭矩損失，延緩鉆桿和套管磨損，將鉆柱與套管之前的滑動摩擦變為滾動摩擦，減小摩擦系數。采取同等技術可以在降低磨損、延緩疲勞的基礎上，實現節約能源的目的。