降低深井套管磨損應用技術

【摘 要】針對深井鉆井過程中套管磨損突出問題，制定利用非金屬防磨接頭配合高效減磨劑的雙效防磨技術及配套工藝實現對套管的保護。利用LANDMARK計算套管側向載荷，確定非金屬防磨接頭不同工況下的安放位置，現場利用不同工況下減磨劑配伍性試驗、鉆井參數變化和磁鐵吸附物變化檢驗了雙效防磨技術的應用效果，驗證了雙效防磨技術優于單一防磨技術的特點。通過上述技術措施的實施，為解決深井套管磨損難題做出了有益的嘗試，取得了較好的現場應用效果。

【關鍵詞】深井;減磨技術;非金屬防磨接頭;減磨劑

鉆井過程中的套管磨損主要由鉆柱與套管內壁相互摩擦引起。發生磨損后，套管抗內壓強度明顯降低，對油氣井安全生產造成威脅。針對川西地區進行的深井套管磨損研究顯示，造成該地區深井套管磨損的主要因素有：天然氣目的層埋藏深，一般垂直深度達到4000m；深部地層硬，研磨性強；深部井段機械鉆速低、鉆井周期長；實際井眼軌跡局部狗腿度大。該地區已完的X101井、CX565井、DY101井、DY4等井，因為套管磨損，導致后期開發存在較為嚴重的安全隱患[1]。針對深井套管磨損問題，優選出防磨接頭加減磨劑的“雙效防磨技術”方案，在多口井應用效果推廣，實際使用效果顯著，套管磨失鐵屑降低率平均在70%以上。

1.川西深井套管防磨技術難點

（1）根據川西地層三壓力剖面，深井井身結構優化空間較小，目前以須二為目的層的深井普遍采用四開制井身結構，平均井深在5400m左右，四開采用Φ139.7mm尾管射孔完井，鉆井過程中對上部三開Φ193.7mm油層套管本身存在磨損風險。

（2）深井段須二儲層巖石硬度高、石英含量大，可鉆性差，平均厚度約500~700m，平均機械鉆速僅0.6~0.8m/h，而純鉆率僅為40%，頻繁起下鉆和較長的鉆井周期對套管的磨損更加嚴重。

（3）深井段地層自然造斜率大、方位漂移在130~330°變化沒有規律，局部井段井斜角變化率和狗腿度變化大也是造成深井套管磨損的重要原因。

2.防磨減磨技術

根據室內評價結果，優選出“雙效防磨”技術方案：采用防磨接頭配合適當的減磨劑達到套管保護最佳效果的防磨技術，即利用TFF防磨接頭+AFC7101高效減磨劑在套管壁形成強度保護膜對套管進行保護。

2.1高效減磨劑AFC7101簡介

該減磨劑是由多種抗磨材料在高溫下合成的有機產品，其耐溫高達200℃以上，套管磨損降低率最高可達80%，能明顯降低磨阻，可代替普通潤滑劑的使用，并有助于降低泥漿泵的修理時間；該產品與鉆井液的配伍性好，高溫穩定性好，不起泡，不增粘，產品中含有的多種活性基團能夠迅速吸附在鉆具和套管表面，形成高強度保護膜，從而降低鉆進和起下鉆過程中鉆具對套管的磨損，起到保護套管的目的。

2.2 TFF系列套管防磨接頭簡介

TFF系列非金屬套管防磨接頭是根據現場存在的技術問題，開發的新型套管防磨工具。由于采用了新型的表面材料和非金屬材料，整體式接頭采用40鉻鎳錳鋼或42鉻鉬鋼，強度符合要求。其防磨套摩擦系數極低，具有較強的自潤滑性能，自身具有較高的耐磨性，結構合理，無鑲嵌件，使用安全可靠。

3.套管防磨方案優化設計

3.1側向力載荷預測

X301井套管防磨段在Φ193.7mm油層套管內，根據測斜結果及四開鉆具組合采用landmark-wellplan進行鉆柱側向力計算，軟件輸出側向力單位為千克力kgf（1kgf=9.81N）結果見圖1，由計算結果可以看出，該井在以下井段側向力明顯高于正常趨勢：

井深355~610米，側向載荷105~276kgf；

井深3890~4200米，側向載荷201~989kgf；

井深4310~4996.52米，側向載荷145~254.1kgf；

井深3900米～5003.5米，為定向及穩斜段，井斜由0.67°增至55.39°，此井段側向載荷平均約306kgf，最高達989kgf。另外，井深4751~4775米井眼呈正弦或螺旋屈曲狀態；井深4905~4939米井眼呈螺旋屈曲狀態。根據力學原理，當摩擦系數一定時，摩擦力正比于接觸壓力（即鉆柱側向力），以上鉆柱側向力異常高井段需采取套管防磨措施，以避免套管磨損。

圖1 X301井四開旋轉鉆進套管內鉆柱側向載荷分布圖

3.2防磨接頭安放位置設計

由于該井套管頭中心管內徑偏小，PDC鉆頭無法下入，只能下入牙輪鉆頭，受牙輪鉆頭壽命的限制，均采用牙輪鉆頭轉盤鉆進，該井有四個側向力異常井段，根據側向力的大小以及井口三點一線的偏斜情況，確定防磨接頭安放位置如下：

型 號：TFF156/193-NC38

數 量：共37只，下井32只，備用5只

安放位置：

井口以下0~10m，安放1只，共1只，用于保護井口套管；

井深523~624m，每柱鉆桿1只，共4只；

井深3891.98~4070.32m，每柱鉆桿1只，共7只；

井深4433.37~4996.52m，每柱鉆桿1只，共20只。

經計算，在泥漿排量為12l/s，泥漿密度1.67g/cm3時，每只防磨接頭所增加的環空壓耗為0.05~0.1MPa，32只井下防磨接頭所增加的環空壓耗最高共計為3.2MPa。

4.現場應用及效果分析

4.1減摩劑配伍性能分析

在X301井場取泥漿樣品與AFC7101減磨劑進行配伍性試驗，試驗結果下表：

表1 X301井AFC7101減磨劑配伍性試驗表

試驗結果表明：該井鉆井液與減磨劑配伍性試驗結果說明該井2%減磨劑加量配伍效果良好，加入AFC7101后鉆井液性能無明顯變化，鉆井液摩阻降低，鉆井液中氣泡減少，鉆井液中停止使用潤滑劑，潤滑劑的功能被減磨劑替代。

4.2鉆井參數分析

磨阻變化：定向井，套管段長，裸眼段長，摩阻8~10噸，加入減磨劑后磨阻為6~8噸，磨阻明顯降低，前后對比非常明顯。

扭矩變化：加減磨劑前扭矩為8000±200Nm，加入減磨劑后扭矩為5000±100Nm；扭矩明顯降低。

4.3磁鐵吸附物分析

套管防磨工作實施過程中，凡正常鉆進和泥漿循環期間，每2~3個小時在過漿槽處采用強磁吸附取樣，取樣洗凈后烘干稱重封裝。加減磨劑前鐵屑量約2100g/2h，加減磨劑后鐵屑量逐漸減少至400g/3h，磨失量降低率最大達到87.3%，鐵屑變化趨勢明顯如圖2，經過分析測井曲線，僅個別井段套管見輕微磨損和形變，全井筒試壓60MPa試壓合格，套管雙效防磨的效果顯著。

圖2 X301井鐵屑吸附物變化曲線

鄰區X202井也使用了雙效防磨技術，對不同工況下進行了平均磨失量取樣統計如圖3，可以看到鐵屑吸附量降低的明顯變化，平均磨失降低率達到72.8%。

圖3 X202井不同工況下鐵屑吸附量平均量

X5井井身結構與X202井一致，四開使用13只金屬防磨接頭，純鉆時間2874.88h，其中四開純鉆時間459.26h；x202井純鉆時間為2222.8h，四開純鉆時間503.4h。

X5井磁鐵吸附物采樣方式與X202井一致，兩井磁性吸附物對比曲線如圖4，X5井雖然采取了一定的套管防磨措施，但其磁性吸附物的量明顯高于X202井，平均高出38%%，間接證明X202井雙效防磨較X5井采取的防磨措施效果更好。

圖4 X5井和X202井磁性吸附物對比曲線

4.4非金屬防磨接頭使用結果分析

37只防磨接頭入井使用時間約1776h（含起下鉆、劃眼等），并啟用16只已探傷的舊防磨接頭，共更換防磨接頭43只。斜井段防磨接頭使用壽命約500小時、直井段約1000小時，所有防磨接頭均使用靈活，沒有發生脫落或撕裂落井造成井內復雜情況，非金屬減磨套的硬度本身比套管硬度低，避免了金屬防磨接頭卡死對套管可能構成的傷害[2]。

5.結論

采用高效減磨劑配合非金屬防磨接頭防磨減磨技術方案，對川西深井油層套管保護較為成功，達到了保護套管的目的，應用該項技術得到以下結論：

（1）結合井眼軌跡、鉆具組合和鉆井參數，計算不同工況下的套管側向載荷，在側向力異常的井段加密安放非金屬材質防磨接頭，可以有效解決套管重磨損問題。

（2）在泥漿中加入高效減磨劑能夠有效增強泥漿的潤滑性，降低扭矩和起下鉆磨阻，達到保護套管的目的，并且可以大大減少泥漿泵修理次數。

（3）該防磨技術平均磨失降低率達70%以上，優于單一防磨方案，現場相同條件下對比鐵屑吸附量下降達38%，防磨效果十分明顯。

【參考文獻】

［１］姜偉.渤海地區套管磨損問題的研究[J].中國海上油氣(工程)，2002，14(1)：31-34.

［２］王衛，馬清明，徐俊良，等.套管減摩接頭的研制與應用.石油鉆探技術，2003.31(3):