技术套管磨损程度预测技术探讨

技术套管磨损程度预测技术探讨

摘要：在长水平段水平井或大位移水平井的水平段钻进过程中，上部造斜点和入窗处的大斜度井段由于接触力较大通常会引起技

术套管产生严重的磨损问题，造成套管强度受到破坏。文章假设磨损截面为月形条件下，根据磨损截面的几何关系，构建套管磨损深度与体积之间的关系。同时，根据能量原理，即套管内表面的磨损体积与旋转钻具在相同位置所作的功成正比，建立了技术套管磨损体积与井眼轨迹、钻具组合、机械钻速、转速、钻进井段长度及套管磨损系数之间的函数关系。利用联立方程进行技术套管磨损程度预测，并简要说明套管防磨技术法。

关键词：套管磨损；预测；防磨

中图分类号：tm216+.5 文献标识号：a 文章编号：2306-1499（2013）03-（页码）-页数

在长水平段水平井或大位移水平井的水平段钻进时，由于裸眼井段长、井斜角大，技术套管的磨损是一个不容忽视的问题。钻具接头磨损套管的主要有黏着磨损、磨料磨损及犁削三种形式。套管磨损主要产生于钻具接头对套管壁的相对转动过程中，而起下钻作业和钻具的往复运动对套管磨损的影响要小得多；在井眼曲率较大之处，钻杆与套管之间接触力较大，易引起大的磨损。钻杆在井内的运动状态非常复杂，有自转、公转（涡动）、纵向振动、扭转振动、横向振动等方式，几种运动方式的叠加加速了钻杆和套管的磨损。国外对套管磨损研究是在定向井技术大规模应用时展开的，起步

比较早[1-3]。取得的主要成果有：（1）钻井液能在钻具接头与套管之间形成一层膜，无论对减磨还是对润滑都有重要的作用；（2）根据实验研究表明，高钢级套管比低钢级套管更易磨损，套管在油基钻井液中比在水基钻井液中更易磨损；（3）套管磨损在造斜点及套管鞋比较严重；（4）提高钻具接头表面的光洁度和钻井液密度，减少接触力，可以缓解套管磨损；（5）钻杆/套管保护器对套管防磨的效果并不可靠。

国内对套管防磨展开研究起步相对较晚[4]，主要的研究内容有：（1）深井、超深井及大位移井套管磨损机理及预测技术；（2）新型套管防磨接头的研制与应用；（3）钻井液加重剂的减磨性能。本文主要是在前人的基础上，进行原理分析，构建技术套管磨损程度预测。

1.套管磨损程度模型建立

1.1 套管磨损几何描述

假设套管表面的磨损截面由钻杆接箍圆周和套管内壁圆周相交

而成，如图1所示。套管圆心为o，内壁圆半径为rci；钻杆接箍外壁圆心为o1，圆半径为rtj，两圆心之间的距离为a；两圆相交于a和b，弦ab中点为c，圆o和x轴的交点为d，圆o1和x轴的交点为e；最大磨损深度为dw；图1中，月牙形部分为磨损面积，它等于直线ab和接箍外壁圆心o1形成的弓形面积减去直线ab和套管内壁圆心o形成的弓形面积，根据图形的关系可得

钻杆接箍在套管内的位置是变化的，钻头前进一根钻杆的长度

时，上一个接箍正好处在下一接箍原来所在位置。因此，由式（12）计算的磨损体积除以单根钻杆的长度，即得磨损截面积。而接触力约等于单位长度上的接触力与单根钻杆长度的乘积。因此，直接将单位长度上的接触力代入式（12）中，计算得到的结果就是磨损截面积。

1.3 套管磨损深度预测

实践表明，把dw表示成aw的显式函数较复杂，需用二分法求解。（1）令dw1等于0，dw2等于钻杆接箍的半径；

（2）令dw=（dw1+dw2）/2，用式（1）至（11）计算aw；

（3）比较aw和给定的套管磨损量awc，如果|（aw-awc）|

2.算例计算与分析

苏里格某气井水平井井身结构数据如表1所示，实测井身轨迹数据如表2所示。水平段钻具数据选择：φ152.4mmpdc bit+φ127mm 单弯螺杆（0.75°-1°） +φ120mm回压凡尔+ φ148mm扶正器+φ120mm随钻测井工具（g+r）+φ120.7mmnmdc（mwd）+φ120mm转换接头（311×hlst39母）+φ101.6mmhwdp×6根+φ101.6mmdp×9根+φ120.7mm水力震荡器+φ120.7mm减震器+φ101.6mmdp×

（156-204）根+φ101.6mmhwdp×54根+φ101.6mmdp，三开水平段

采用有利储层保护和降摩减阻的使用无土相低伤害暂堵钻（完）井液体系，密度范围为1.04～1.15 g/cm3。

假定φ177.8mm技术套管的钢级为n80，壁厚约为9.19mm。根据计算可知，水平段钻进1500m后，造斜点2780m由于钻具侧向力，套管的磨损厚度为约1.49mm，大斜度井段3545-3635m由于钻具的纵向接触力，套管的磨损厚度越大约为1.36mm。

3.套管防磨技术

由上面分析可知，影响套管磨损的主要因素包括套管/钻杆（磨损副）材料性质和钻井液性质，摩擦系数，钻杆接头表面和套管内表面之间的接触力，以及相对运动的累计路程等。因此，提高套管硬度（耐磨损性），增加钻井液润滑性（降低摩阻因数），减小接触力，减少累计路程等均可减少套管的磨损。

如果钻具材料密度和井眼轨迹不变，钻杆接头表面和套管内表面之间的接触力是不可能减少的，唯有增加钻井液润滑性和减少累计路程是可行的，因此，可以在接触力大的位置安装防磨接箍。

4.结论与认识

（1）套管磨损几何描述虽然是在理想化的圆形截面下进行的，预测模型有着一定的误差，但对制定钻井措施、防止套管磨损有着一定的指导作用。（2）在钻井过程中，应尽量提高机械钻速，减少钻井时间，从而有效地减少钻杆与套管之间的磨损，防止套管提前失效。（3）磨损影响套管的强度，但磨损现象比较复杂，应需要继续进行磨损机理研究。

参考文献

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