石油鉆井套管磨損與防護措施研究

程 林

（中海油田服務股份有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000）

石油在鉆探的過程中，套管是必不可少的，因此要合理地使用鉆桿和套管，這樣才能有效地減少套管磨損。特別是隨著近幾年石油工業的飛速發展，深井、水平井和大位移井等都需要鉆井套管有良好的性能，這樣才能保證鉆探的效率，提升其工作的穩定性。因此分析石油鉆井套管磨損的原因十分重要，可結合相應的原因制定防磨損措施，以此來延長鉆進套筒的使用壽命，保障其運行的穩定性。

1 石油鉆井套管磨損的主要影響因素

近幾年鉆井技術飛速發展，而且大位移井和超深井等復雜的鉆井也逐步替代了常規的鉆井。這雖然提升了石油開采的效率，但是也帶來了更多的井下問題，其中管套磨損就是常見的問題之一。管套磨損不僅會造成經濟損失，而且還可能導致井眼的報廢，引發后續的潛在事故。所以需結合影響因素針對性地采取管套防護措施，以此來延長管套的使用壽命，增強其運行的穩定性。

磨損產生的原因是兩個物體在接觸時由于相對位移而產生了摩擦，最終造成表面的磨損。在鉆井的過程中，鉆柱與管套有著相互作用力，而且兩者的表面是粗糙的，這時就會產生相應的磨損。另外，鉆桿接頭與管套運動狀態較為復雜，接觸面的應力隨時變化，而且還會受到鉆井液的影響，所以其摩擦的類型十分復雜，主要可分為磨粒磨損、黏著磨損、拋光磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損。因此在具體的應用中，各類因素都會造成套管的磨損，使其功能受到影響。結合當前的實際情況，石油鉆井套管磨損的影響因素主要包含以下幾個方面。

1）鉆桿柱的運動形式。鉆桿柱在鉆井的過程中會對套管內壁產生影響，其旋轉運動方式磨損更為嚴重，而采用往復運動時對管套的磨損較小。而且鉆桿柱對套管的磨損也與接觸角的大小有直接的關系，接觸角越大，其磨損量也會隨之增大。

2）井壁狗腿角大小。對于大位移井而言，鉆桿通過彎曲位置時鉆桿的一部分會與管套的內壁接觸，這時就會對管套內壁產生正向的壓力。隨著狗腿角度的增大，相應的壓力也隨之增大，這就會加快對套管的磨損。一般而言，局部磨損的大小與井壁狗腿角的大小有著密切的關系。當受到磨損后管套承壓能力會下降，影響其使用壽命和穩定性。

3）鉆井液。鉆井液成分對管道磨損也有著一定的影響，一般而言清水對管套磨損最為明顯，而水基鉆井液則能有效地改善管套磨損程度，其磨損只有清水的一半左右。另外，不同的鉆井液型號對管套的磨損程度也是不同，所以在選擇鉆井液時還應結合實際的需求分析哪種最為合適。

4）套管材料。套管材料直接決定套管的耐磨程度，從相關的實驗也可以看出。P110材料管套磨損度遠高于N80材料的套管，而N80材料套管磨損程度又遠高于N50套管。所以在具體的應用中需結合具體需求選擇套管的材料，這樣能夠更好地控制管套磨損。

2 實驗驗證

2.1 實驗裝置與原理

為更好地探究各類因素對鉆井套管磨損的影響，采取如圖1 所示的裝置進行實驗。通過實驗采集過程的摩擦因數、扭矩和溫度等判斷套管磨損的具體原因。

圖1 鉆井套管磨損探究實驗裝置

圖中，1為光電編碼器；2為扭矩傳感器，主要負責實時傳遞實驗過程中的扭矩；3為彈性連接軸；4為主軸箱；5為滑動底座；6為腐蝕箱；7為定位夾具；8為連接桿；9為導軌；10為伺服電機；11為帶輪。整個實驗的變化參數為鉆井液黏度、摩擦時間、接觸力、鉆桿速度，在不同實驗條件下控制相應的變量，以此來分析影響套管磨損程度的具體原因。

2.2 實驗結果分析

（1）摩擦因數對套管磨損的影響。套管在作業初期磨損較大，而且與套管的壁厚也有著一定的關系。隨著不斷的磨損，鉆桿與套管的接觸面積增加，當套管壁厚在0.3～0.8 mm 時，其磨損程度最大。當磨損壁厚大于0.8 mm 時，相應的磨損又呈現出下降的趨勢。這是因為套管與鉆桿之間的摩擦因素會隨著時間的變化而發生，因此在具體的應用中可通過降低摩擦因數來減少套管的磨損。

（2）接觸力對套管磨損的影響。接觸力對套管磨損也有著十分顯著的影響，根據力學定理，摩擦力除與摩擦系數相關外，還與正向壓力直接相關。本次實驗采用的是N80套管，用非加重鉆井液進行實驗，當接觸負荷相對較小時，接觸力與套管磨損呈現出正向的線性關系。因此在具體的應用中，還需考慮如何減少鉆桿與套管的接觸力。

（3）鉆桿轉速。轉桿轉速對套管磨損也有一定的影響，在相同的實驗條件下，隨著鉆桿轉速的提高，磨損率也會隨之增加，兩者的關系呈現出線性相關。另外，在實際的應用中，鉆井設備的高速轉動可能會引發共振的現象，這時機械儀器與各類電子設備很容易出現故障。所以通常在進行鉆井時，鉆桿的轉速不應過高，這樣才能提高整個施工的安全性。

從上述的實驗結果可以看出，對套管磨損影響的因素主要為摩擦因數、接觸力和鉆桿轉速。因此在實際的應用中可從這三個方面入手，針對性地控制相關參數，以此來達到降低磨損的目的。

3 石油鉆井套管磨損的防護措施

3.1 鉆桿結構的表面處理

摩擦因數會直接影響套管的磨損程度，所以可對鉆桿接頭的表面進行處理，以此來達到降低摩擦因數的目的，進而減少鉆桿接頭對套管內壁的磨損。針對這一方面，可對鉆桿接頭的耐磨帶表面進行拋光，這樣就能達到降低摩擦系數的目的。而且還可采用先進的鉆桿接頭耐磨帶材料，如美國ARNCO TECHNOLOGY TRUST 公司研制的耐磨帶就可有效減少鉆桿對套筒的磨損。當然，其他國家也有類似的鉆桿結構表面處理技術，其原理是一致的。因此在后續的鉆井過程中可從鉆桿接頭表面處理的角度入手進行套管磨損的預防，以此增強鉆井的穩定性。

3.2 鉆井液與添加劑的優化

鉆井液的添加劑、成分等會影響到鉆桿接頭與套管之間的摩擦系數，所以會對套管磨損產生影響。因此可在鉆井液中加入潤滑劑，這樣就能降低鉆桿接頭與套管內壁之間的摩擦因數，起到保護套管的作用。但是某些潤滑劑在高密度鉆井液中的效果欠佳，這是因為在高溫狀態下潤滑劑會失效，無法起到降低摩擦因素的作用。所以相應的鉆井液與添加劑選擇還要考慮到具體的性能要求，結合實際的情況判斷是否滿足，這樣才能更好地起到保護管套的作用。

3.3 防磨旋轉接頭的使用

為了有效保護管套，在鉆井的過程中還可使用防磨旋轉接頭。該工具是在鉆桿之間增加了軸承裝置，達到了降低摩擦系數的目的，進而起到保護管道的作用。而且使用防磨旋轉接頭還能減小鉆桿阻力扭矩，因此防磨旋轉接頭在石油鉆井中十分常用。但是防磨旋轉接頭也有自身的限制，很多旋轉接頭通過螺紋連接于鉆桿之上，現場操作較為不便，在較大的彎矩情況下使用時會產生較強的振動，容易造成聯結螺紋的疲勞損壞。所以在具體的應用中還需考慮到現場的實際情況，判斷防磨旋轉接頭是否適用。

3.4 鉆桿保護器

在實際鉆井過程中，還可通過安裝鉆桿保護器來達到保護管套的目的，用類似于橡膠等硬度較低的材料制成套筒，然后將其固定在鉆桿接頭的附件。在實際應用時，鉆桿會先磨損接頭與管套之間的材料，進而減少對管套的磨損。鉆桿保護器可分為非旋轉式和旋轉式兩種方式。旋轉鉆桿保護器固定于鉆桿上，它會隨著鉆桿一起旋轉運動，而非旋轉式鉆桿保護器安裝在鉆桿接頭的附近。

非旋轉式鉆桿保護器由高分子耐磨材料制成，通過卡箍固定于鉆桿本體上，可保證自身的旋轉。當鉆桿在套筒內完全居中時，非旋轉式鉆桿保護器會由于外力而旋轉，當有側向負荷時，管套內壁會與非旋轉式鉆桿保護器形成阻力，阻止其旋轉。這相當于在鉆桿與套筒之間增加了液體軸承，進而達到了防止套管磨損的目的。目前非旋轉式套管防磨保護器在北海、墨西哥等地都廣泛應用，而且主要應用于大位移延伸井。我國目前相應的應用還較少，可針對性地引入這一技術，并不斷擴大其應用的范圍，以此來減少鉆井過程中對管套的磨損。

3.5 管套磨損預測與監測

管套磨損監測技術屬于較為先進的技術，它雖然不能直接減少管套的磨損情況，但是能實時反饋管套的磨損，這樣管理者就能及時了解到相關情況。如果管套磨損較快，則可針對性分析工藝選擇是否正確，為后續的改進提供基礎。另外，管套磨損監測技術還可根據設定的閾值進行實時報警，管套磨損達到上限前，監測系統就會發出警報，這樣就能避免管套磨損失效而引發的各類損失。目前管套磨損預測與監測軟件有多種，相應的預測是結合輸入的參數分析管套磨損情況，輸入的參數越接近真實值，預測的情況就會更準確。結合預測可提前分析所選擇的參數與工藝是否可行，為前期的規劃設計提供了強有力的支持。實施監測則是反饋具體的磨損情況，主要是借助各類傳感器采集參數，然后將信息上傳到系統中，通過計算模型了解到管套內壁的具體某種情況，為管理者提供最為真實的數據。目前，管套磨損預測與監測軟件十分常用，有效提升了管套運行的穩定性。

除上述的幾點措施外，在實際的應用中還可安裝耐磨帶，通過減少鉆桿扭矩來降低鉆桿對套筒的磨損。該措施能夠實現套筒與鉆桿的隔離，進而延長其使用壽命。當然，不同油田的情況有著較大的區別，在采用套筒方磨損技術時要充分考慮到實際情況，分析各類技術的可行性，經過嚴格論證后再采取相應的技術，這樣才能更好地保障套筒運行的穩定性，延長其使用的壽命。

4 結束語

隨著石油開采技術的不斷發展，當前超深井和大位移井越來越多，雖然有效提升了鉆井的效率，但是在鉆井的過程中也很容易發生管套磨損的問題，不僅會造成經濟損失，而且還可能引發安全問題，所以在鉆井的過程中針對性采用管套防護措施十分重要。結合當前的實際情況，石油鉆井管套磨損的主要因素為鉆桿柱的運動形式、井壁狗腿角大小、鉆井液和管套材料。基于此，從鉆桿結構的表面處理、鉆井液與添加劑的優化、防磨旋轉接頭的使用、鉆桿保護器的應用四個方面總結了石油鉆井管套磨損的防護措施。