石油钻井套管磨损与防护措施研究

王家强

（长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100）

1 概述

在进行石油钻探过程当中，除了设计好井深、井轨迹以避开危险区之外，使用合适的钻杆、套管；设计优良的套管性能也相当重要。伴随着石油工业的飞速发展，面对大位移井、水平井、深井都需要有足够优良性能的钻井套管。所以，分析石油钻井套管磨损十分重要，设计合理的防磨措施也成为了研究人员在科研工作当中尤为需要注意的问题[1]。

2 套管磨损的影响因素

一般而言，影响套管柱磨损的成因主要分为钻杆运动形式不同、井壁狗腿角的大小、钻井液的成分不同、套管材料不同等多种情况，以下就将对这些情况简要分析[2]。

2.1 钻杆柱的运动形式不同时对套管磨损的影响

钻杆柱在进行起钻和下钻过程当中，无可避免的将会对套管的内壁产生一系列的影响，对此研究人员在做了大量研究后得到结论：钻杆在往复移动时使得套管发生的磨损量要比钻杆以旋转的运动方式运动时产生的磨损量小很多；并且钻杆对套管的磨损程度也与接触角的大小有关，接触角越大时，其导致磨损量增大[3]。

2.2 井壁狗腿角的大小对套管磨损的影响

当面对大位移井时，钻杆在通过弯曲位置时，钻杆的一部分就会和管壁接触，从而产生正压力，伴随着狗腿度的增大，拉力也逐渐增大，这也会加快钻杆和套管的磨损度。除了这些显而易见的影响之外，井下的钢丝绳、电缆等设施都会在一个很小的范围与套管壁反复接触，从而产生局部磨损，局部磨损的大小要取决于井壁狗腿度的大小。这些磨损对于套管承受挤压强度的下降也会起到一个负面的作用[4]。

2.3 钻井液成分对套管磨损的影响

钻井液的成分对套管的磨损也是需要研究人员着重考虑的关键点之一，通过在实验室内对多种不同类型的钻井液进行套管磨损对比后可以发现，对于套管磨损效果最为显著的是清水，在实验室条件下会使得套管壁厚减少一半左右，而使用水基钻井液对于套管磨损程度的改善最为明显，大概也只有清水磨损套管的一半左右[5]。

2.4 套管材料对套管磨损的影响

套管材料对于套管的磨损程度也有着较大影响，通大量的实验研究可以发现，在相同的实验室环境之下，P110的材料磨损程度要远高于N80 材料的套管，而N80 材料的套管磨损程度要高于N50 套管。因此选择合适钢型的套管材料，对于减小套管磨损也有着及其重要的作用。

3 实验方案

笔者通过以非加重水基钻井液作为试验介质，分析套管磨损随接触载荷、摩擦行程、钻杆转速、钻井液黏度等因素变化的一般规律；探讨套管出现剧烈磨损的原因，对钻井参数的优选提出建议。

3.1 试验装置及工作原理

这是一台MZM-500 型钻杆／套管旋转摩擦磨损试验机，这套实验装置的具体结构由图1 所示，整个运行原理由图2 所示，可以通过大量的数据采集实现温度、摩擦因数、扭矩等数据的自动输出。

图2 实验机器运行原理

1-光电编码器；2-转矩传感器；3-弹性连接轴；4-主轴箱；5-滑动座；6-腐蚀箱；7-试样固定夹具；8-连杆；9-滑动导轨；10-主轴电机；11-小带轮；12-主轴（花键轴）；13-内试样；14-外试样；15-水泥环；16-加载砝码；17-施力杠杆；18-加载轮。

3.2 实验内容

实验主要通过改变接触力、钻杆的钻速、钻井液粘度、摩擦时间等实验参数，通过设置不同实验室条件对实验进行控制变量，钻杆钻速的实验范围在60-180r/min 之间，钻杆总钻速高于10 万转，接触力在90-450N 之间。最终通过目视测量、计算测量等方式，定性、定量的对比对套管的磨损程度。

4 结果分析

4.1 套管磨损随摩擦行程的变化趋势

通过对实验结果进行分析，可以通过控制变量的方法排查得到结果，实验室条件初步设置为140r/min、270N的条件下，得到了套管磨损的变化曲线，如图3 所示。

图3 套管磨损量变化曲线

通过分析图3 可以得到结论，在作业的初期套管的磨损比较大，伴随着套管的壁厚磨损增加，钻杆和套管的接触面积变大，在套管壁厚在0.3 毫米到0.8 毫米之间时，套管的磨损程度最大，当磨损壁厚高于0.8 毫米时，套管的磨损程度呈现逐步下降的趋势。整体来看，套管磨损壁厚随时间接近于线性趋势变化[6]。

通过分析图4的曲线，可以发现套管与钻杆间的摩擦因数随着时间的推移会产生逐步的变化，在同样的实验室条件下，室内得到的平均摩擦系数，在测试时间足够长的情况下和井场的实际情况基本相同，因此可以得到结论：通过降低摩擦因数，可以有效的减少套管的磨损程度。

图4 270N 接触力作用下套管磨损量的变化曲线

4.2 接触力对套管磨损的影响

接触力对套管磨损的影响也十分显著，实验主要采用N80套管，使用非加重钻井液进行研究，最后得到套管磨损率随接触力的变化趋势（见图5），可以得到结论：当接触载荷比较小的时候，接触力与套管的磨损程度呈现出正相关的近乎于线性的关系，而当载荷过高，高于360N 时，非线性的趋势将会越发的明显。

图5 套管磨损率随接触力的变化趋势

通过研究套管摩擦因数随接触力的变化趋势（图6）可以发现，当摩擦系数基本处于稳定的状态，接触载荷过大时，摩擦因数也会显著增大，尤其是载荷在270N 到360N 之间时，摩擦因数的变化幅度要高于其他情况。

图6 套管摩擦因数随接触力的变化趋势

通过研究可以得知，因为接触力增大，钻杆和套管所要承受的应力也会逐渐增大，但是增大趋势较为均匀，如果出现异常磨损，那么接触应力的分布非均匀性应当是主要原因。

4.3 钻杆转速对套管磨损的影响

通过采用非加重介质的钻井液进行实验，当实验条件调整为270N的载荷情况下，可以得到N80 套管在实验室条件下套管磨损率随钻杆转速的变化趋势[7]。从图中可以发现钻书在60r/min 到100r/min 时，随钻杆转速增高套管磨损率略有增大；当转速继续增大直到140r/min 时，套管磨损率继续以近乎线性的方式持续上升，而套管磨损率吧逐渐升高至180r/min 之上时，出现了套管磨损率下降的情况（图7）。这些情况通过钻杆钻速与摩擦因素的曲线也可以发现（图8）。

图7 套管磨损量与钻杆转速关系

图8 摩擦因数随转速的变化趋势

从实际情况的角度进行分析，认为在高钻速下钻井设备极有可能发生共振，当发生共振时，就有可能发生上述情况，同时在这种情况下各类电子、机械仪器都会有着较高的故障率，各种实验仪器的可靠性也会随之降低，不会得出符合现场的结果。因此在后续的研究过程当中，如何解决共振问题也将会是难点之一，同时在现有的工况之下，钻杆钻速也不应当高于140r/min，以保证工程的安全性。

5 结论及防护措施

综上所述，受限于技术方法、应用条件等要素的影响，套管磨损所造成的问题对于石油行业造成损失极大，解决问题刻不容缓，对于防护措施，业内一般采用以下几种手段予以防护[8-10]。

5.1 安装耐磨带

在实际的工作当中，通常会采取安装防磨带作为防护措施，这一措施会有效的减缓钻杆的扭矩。通过安装在钻杆的合适位置，可以实现钻杆与套管的有效隔离，从而实现保护工具、增加使用寿命的意图。

5.2 安装钻杆保护器

通过安装钻杆保护器，可以使用橡胶材料发挥作用。钻杆保护器分为旋转型与非旋转型两种，通过让钻杆与套管壁有足够的空隙，最终达到减缓磨损、保护钻杆与套管的作用。

5.3 旋转钻柱接头

采取旋转钻柱接头，可以有效的降低大斜度井、大位移井的扭矩损失，延缓钻杆和套管磨损，将钻柱与套管之前的滑动摩擦变为滚动摩擦，减小摩擦系数。采取同等技术可以在降低磨损、延缓疲劳的基础上，实现节约能源的目的。