套管磨损的危害及其机理

套管磨损的危害及其机理

摘要：随着石油钻井技术的发展，在深井、超深井、大斜度井、大位移井和水平井中，钻井时间长、钻杆接头作用在套管上的侧向力增高，因此套管和钻杆接头的摩擦与磨损问题越来越突出。其直接后果是：不仅导致钻杆接头的快速磨损与过早失效；而且也会降低套管柱的抗挤压强度和抗内压强度，造成套管柱挤毁、变形及泄漏，严重时造成全井报废。

关键词：套管磨损钻杆接头磨损机理

1、套管磨损现状及危害

在油气田勘探开发钻井中，尤其是在深井、大位移井、水平井、大斜度井中，钻杆接头和套管的磨损严重，给油气田带来重大损失。因此，钻井过程中钻杆接头和套管的磨损及防磨问题，引起钻井界的密切关注。

由于施工周期长、井眼深、井身结构复杂的原因，我国深探井、超深探井套管磨损严重乃至于磨穿。在钻井和修井作业期间，钻具在井中旋转以及起下钻，将不可避免地对套管柱内壁造成磨损。Bradley和Fontenot在对现场回收的旋转磨损套管试样测定后认为：大部分磨损是由钻杆旋转，而不是钻杆往复移动造成的。Fontenot和M. C. Ever对钻杆往复移动产生套管磨损进行研究后，也得出基本相似的结论：钻杆往复移动对套管造成的磨损作用要比钻杆旋转小得多。钻杆柱对套管的磨损作用包括钻杆接头和钻杆本体两部分，其中对套管磨损最有影响的是钻杆接头，因为它们和套管接触并承受侧向力。套管的磨损速度主要取决于接触力的大小。这说明接触力越大，对套管的磨损程度越显著。这很可能是由于在接触力很大的面上缺少润滑膜而引起的，当接触力足够大时，就可使钻杆接头与套管之间的润滑膜破裂，导致钻杆接头与套管内壁直接接触，从而加速了套管的磨损。

实际井壁总是弯曲的，井壁弯曲程度用狗腿严重度表示；套管在井壁弯曲处要随之弯曲，狗腿度越大，套管弯曲得越严重。钻杆接头在通过这些弯曲套管的地方，钻杆一侧与套管壁接触，并产生正压力。当钻柱拉力一定时，钻杆与套管壁之间的正压力随狗腿度增大而增大，从而加速了钻杆（接头）与套管之间的磨损。狗腿度对套管磨损有严重影响，不单是由于狗腿度增大了钻杆接头与套管壁之间的正压力，而且表现为在狗腿严重处钻杆、钢丝绳、电缆等始终与套管的同一局部发生接触，这样它们对套管的磨损始终在同一个地方，形成局部磨损。这大大地加速了套管的磨损，从而使套管的使用性能，特别是抗挤毁和抗内压爆破性能迅速降低。因此，狗腿度对套管的磨损不容忽视，必须严格控制钻井质量，尽量减小狗腿度，这在深井、超深井中具有重要意义。

2、套管防磨的措施及发展现状

侧向力和井眼轨迹是引起套管磨损的主要因素，那么降低钻杆接头和套管之

间的摩擦接触或摩擦系数是防止套管磨损的核心和关键。特别是在大位移钻井施工中，套管磨损是一个应高度重视的问题。实际经验表明，通过使用相关的技术很大程度上解决了此类问题，降低了钻井扭矩并在对待这个问题上达成了一些共识，也引起石油公司的高度重视。在钻井过程中，常用的有以下几种防磨或减磨方法：

（1）钻杆胶皮护箍

实践证明胶皮护箍可以有效地防止套管和钻杆（接头）的磨损，但是由于其容易老化掉块，造成井下复杂（如卡钻、井眼不清洁、蹩泵等）事故，较大外径的胶皮护箍造成井眼环空变小、影响井眼清洁，寿命较短。裸眼中胶皮护箍增加了井下不安全因素及不适合于裸眼中使用等因素的影响，在实际的钻井工程中钻杆胶皮护箍没有得到很好的推广。

（2）整体式非旋转保护接头

应用整体式非旋转保护接头防磨保护器存在以下不足：

（1）安装拆卸程序复杂。

（2）应用成本较高。

（3）由于外部没有减磨材料，不能有效降低起、下钻磨阻对套管的磨损。

（3）分体式非旋转保护接头

它的工作原理和整体式非旋转保护接头相同，使用过程中套装在钻杆上，并采用了减磨的复合材料，重量轻、可钻性好。其强度相对于整体式非旋转保护接头要低一些。

（4）钻杆接头补焊耐磨合金带技术

据统计，在钻井过程中，可减少套管磨损85%～95%，并提高钻杆接头的寿命300%，同时降低井下钻具旋转阻力，降低扭矩达30%。

但总的来说，由于采用了耐磨合金材料充当减磨介质，但对于套管的磨损仍然不可避免，只是比钻杆接头敷焊硬质合金耐磨带有大幅度的降低且价格非常高。国外新型钻杆接头金属硬化带处理技术、钻杆保护器或特殊钻杆接头属专利产品，在国内使用和授权价格昂贵，才开始在一些油田推广。

（5）钻杆橡胶护箍

许多年来，国内开发出了各种钻杆橡胶护箍，有扩张式、插销式、对开插销式。其中扩张式，寿命短；插销式目前使用广泛；对开插销式是新产品，安装方

便、寿命相对较长。但总的来说：设计结构不尽合理，使用效果和寿命不是十分理想。

国内目前的套管磨损研究，大多集中以力学分析为基础的计算讨论上，而在套管磨损的试验研究、现场磨损检测技术和防磨减磨技术方面，无论是从规模还是从研究深度上与国外相比仍存在着较大差距。

3、套管磨损机理分析

影响套管磨损的因素很多，但主要因素是钻具组合、井身结构、井眼状况、泥浆成分、套管和钻杆材料等等。经过前人的研究，基本得到影响套管磨损的最主要因素是钻杆接头对套管磨损。其原因是钻杆接头的直径比钻杆本体大，一般大20%～30%，因此最容易与套管内壁接触，在接触力的作用下促使钻杆接头和套管都发生磨损。接触力增大，使钻杆接头和套管内壁之间的钻井液润滑膜的润滑作用降低，当接触力足够大时，润滑膜的润滑作用消失，钻杆接头与套管内壁直接接触。在较大载荷作用下，两者之间产生干摩擦，并产生大量热量，不仅加速套管的磨损，而且可能导致钻杆接头纵向磨损。

套管磨损发生的一个先决条件是套管与钻杆工具接头之间相互接触并产生摩擦作用。根据钻杆与套管的复杂受力情况以及钻杆的复杂运动形式来看，套管与钻杆接头之间的接触与摩擦作用通常发生在如下几种情况：

（1）存在井斜或狗腿度。

（2）钻杆发生弯曲变形而与套管表面接触。

（3）钻杆发生公转与套管表面发生碰摩。

（4）钻杆产生横向振动，与套管表面发生周期性碰摩。

（5）套管发生变形。

从套管与钻杆工具接头之间的相互作用以及工作环境条件来看，油气井套管可能存在的主要磨损机理有磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损和冲蚀磨损。这几种形式在许多情况下完全可能同时存在，当套管与钻杆接头表面不能被润滑剂有效分开且存在研磨机制时，粘着磨损和磨粒磨损占主导地位；当接触表面受到复杂的交变或脉动应力作用，局部达到接触疲劳极限并发生材料剥落时，接触疲劳磨损的地位便会十分突出；而钻井液中腐蚀性介质在强烈的摩擦作用过程中，对摩擦表面产生交替腐蚀时，腐蚀磨损的地位便不容忽视。

参考文献

[1]仵雪飞，林元华，巫才文，施太和，李润方，林腾蛟.套管防磨措施研究进展.西南石油学院学报[J]，2004，26（4）：65-69