反循环空气钻井管柱冲蚀国内外技术研究

摘要：钻井措施中气体钻井较常规钻井有很多明显的优点，比如：可以有效地保护储层，以及加快钻井的速度，还可以降低钻井时的复杂程度等，但由于投入到气体钻井设备的资金多、设备占地大、运行起来造成的能量损耗高，以至于限制了其广泛的应用范围。因此，反循环空气锤钻井正因其具有消除井漏、减小对钻井液的用量、减少污染以及更快找到产层等优势而被广泛应用。但利用此方法进行钻井时，将空气加压注入井内，通过双臂钻杆到达井底，然后空气再携带岩屑向上返，在这一过程中，岩屑会与管柱产生摩擦进而冲蚀管柱。

关键词：空气钻井;反循环钻井;冲蚀模型;冲蚀磨损量;冲蚀速率

1 前言

在现如今的气体钻井过程中，经常会遇到的腐蚀介质是氧、高矿化度的地层水，而当开发高含硫和高压二氧化碳的油气田时，还会出现硫化氧和二氧化碳的侵蚀，以上的这些介质都会对金属设备和钻具产生严重的腐蚀破坏。除此之外，气体钻井时气体携岩的返速相当大，通常在15m/s～100m/s范围内，而且岩屑颗粒的粒径不一，形状也不规则，这对井下作业的冲蚀十分严重。因此，环空岩屑对钻杆的冲蚀作用不可忽视。为了有效地减小岩屑冲蚀对钻柱的损耗，提高钻柱的使用寿命，研究岩屑的冲蚀磨损机理十分必要。

2 国外现状

在国外，气固两相流的冲蚀研究较多，Edwards et al、Chen et al和Zhang et al利用计算流体动力学（CFD）软件，并结合试验验证了冲蚀速率模型的准确性，同时，基于不同的冲蚀模型，研究了固体颗粒对不同结构石油管道弯头的冲蚀影响。

除此之外，早年，Finnie提出了刚性颗粒冲击塑性材料的微切削理论，此模型较好地阐述了塑性材料在多角形颗粒、低攻角下的冲蚀规律，其不足之处是不能清晰地解释有些重要的实验现象，如高攻角下即近于法向冲击时塑性材料产生的冲蚀。几年后，Finnie修正了微切削模型，并将其应用于高攻角下塑性材料的冲蚀研究。

后来，Bitter提出了冲蚀的变形磨损理论，其包含两部分变形，即变形磨损和切削磨损。此外，Bitter以能量守恒为出发点，通过对冲蚀磨损中颗粒冲入和挤出两个阶段的能量分析，得到了变形磨损量、切削磨损量和总冲蚀量的表达式该理论已得到了实验验证，能够较好地解释塑性材料的冲蚀现象，但缺乏物理模型的支持。

以上几种冲蚀磨损理论都假设颗粒为不变形的刚体，这与实际情况不符。因此Tilly在冲蚀微切削理论的基础上，考虑到粒子撞击材料表面时有可能会发生碎裂，提出了二次冲蚀理论，即包括第一次冲蚀和第二次冲蚀两部分。同时，他还发现颗粒的破碎程度与颗粒的速度、冲击角和粒度有密不可分的关系。当粒子太小或冲击速度较小时仅出现一次冲蚀，甚至没有冲蚀发生;当粒子足够大、速度也较大时导致颗粒破碎，从而出现第二次冲蚀。因此，总冲蚀量是两次冲蚀量之和，其计算公式表示如下：

此外，该理论较为成功地解释了Finnie理论难以说明的大攻角下出现的冲蚀现象。后来，Jahanmir和Suh提出了磨损剥层理论，研究了粒子冲击塑性材料表面时其对亚表层应力及空穴成核的影响，并认为冲蚀过程中最大空穴成核区在攻角15?～20?范围内出现。此外，实验也证明带棱角的粒子冲蚀靶材时，最大的冲蚀量经常在攻角15?～20?范围内出现，而球形颗粒的最大冲蚀量在 25?～30?范围内出现。

3 国内现状

起初，万里平等人提出气体钻井时环空气体携带的岩屑对钻杆的冲蚀会引起钻具失效，但没有进一步研究相关的冲蚀磨损机理。随后，郭建华通过计算流体动力学（CFD）软件建立了气体钻井时环空气固两相流模型，分析了环空岩屑对井筒的冲蚀作用，发现冲蚀最严重的位置为井底附近，而井口附近钻杆的冲蚀磨损更易引起钻柱失效。后来，林铁军等采用计算流体动力学的方法建立圆形规则井眼、钻杆居中情况下环空高速气体携岩冲蚀钻杆的两相流模型来模拟环空高速气流对钻杆的冲蚀规律。祝效华等在林铁军研究的基础上，更进一步的考虑了钻杆偏心、井眼扩大、注气量变化和不同机械钻速下环空岩屑对钻杆的冲蚀规律。此外，还计算得到了气体钻井中引起钻具冲蚀的临界气体速度。几年后，黄小兵、董耀文等人认为环空岩屑的粒径、密度、硬度和形状等基本属性会影响钻具的冲蚀特性，开发了气体钻井钻具冲蚀磨损的试验装备，并模拟了不同气体排量、机械钻速等钻井工艺参数，以及不同属性的岩屑对钻具的冲蚀磨损。转年，张晓东、贾国超等人在深入研究冲蚀磨损理论的基础上，提出了适用于气体钻井的冲蚀机理，并且分析了岩屑粒径、形状、冲击角度及速度和井内温度等参数对钻具冲蚀磨损的影响规律。

总之，关于气体冲蚀的研究，国内多停留在计算机模拟和室内实验基础上，还没有现场试验的报道。

4 结论

综上所述，冲蚀磨损是一个非常复杂的物理过程，易受到流体速度、材料属性、岩屑属性等参数的影响，故不可能期望通过某一个参数来表征其所有的过程。此外，冲蚀磨损理论仅能解释一些基本的现象，且也不十分完善。现阶段，国内外学者基本上仍以试验为主要手段，然后提出不同的冲蚀模型来研究颗粒对材料的冲蚀影响。因此，我们要在现有数值模型的基础上，借助先进的计算机技术更加深入的研究油井管柱冲蚀机理，进而探索出切实有效、有针对性的削弱和防治油井管柱冲蚀磨损的方法和措施，改善油井管柱的综合性能，促进我国石油工业的发展。

参考文献

[1]罗整.气体钻井岩屑对钻具和井口设备冲蚀的数值仿真与实验研究[D].成都：西南石油大学，2016.

[2]韩烈祥，孙海芳.气体反循环钻井技术發展现状[J].钻采工艺，2008，31（5）：1-5.

[3]Liebhard M，Levy A.The effect of erodent particle characteristics on the erosionof metals[J].Wear，1991，151（2）：381-390.

[4]Finnie I.Some reflections on the past and future of erosion[J].Wear，1995，186（1）：1-10.

作者简介：

第一作者：王振宇（1990-），毕业于长江大学。现从事定向工程师工作。