鉆桿套管磨損機理分析及實驗研究

馬鑫　李明飛　秦彥斌

【摘 要】套損是油田開發過程中的普遍現象，會造成巨大的損失及許多令人意想不到的負面影響。導致石油套管損壞的主要原因很多，由于套管磨損致其強度降低是主要原因。針對該問題，本文在分析套管磨損機理、磨損因素、磨損模式的基礎上，利用環塊式磨損試驗機，在水基泥漿中，進行了不同鋼級套管的磨損實驗。確定了套管磨損程度預測所需的摩擦系數和磨損效率，證實此條件下鉆桿套管間的磨損機理，確定了套管磨損機理和磨損程度的關系。

【關鍵詞】磨損機理；磨損試驗；磨損程度

隨著石油工業的發展，套損是油田開發過程中的普遍現象，且呈日益上升趨勢。石油套損問題所產生的損失是巨大的且會帶來許多令人意想不到的負面影響。針對套損，有許多學者做過一些研究，取得一些成果。經分析歸納，導致石油套管損壞的主要原因是由于套管磨損致其強度降低。

1 套管磨損機理分析

磨損是相互接觸的物體在相對運動中表層材料不斷損傷的過程，它是伴隨著摩擦而產生的必然結果。凡兩個相互接觸相對運動的表面，都不免要發生摩擦，有摩擦就有磨損發生。

套管磨損的主要原因是由于與套管接觸的物體施加給套管的綜合的力造成的。套管磨損按失效的基本類型可分為：磨粒磨損、黏著磨損、犁削磨損、表面疲勞磨損、沖刷磨損和腐蝕磨損等。主要為磨粒磨損和粘著磨損。套管磨損的機理十分復雜，通常是幾種或多種磨損形態同時作用的結果。磨損的形式多種多樣，但主要磨損形式還是月牙磨損，回收套管中有50%是月牙形狀的磨損。

1.1 磨粒磨損

磨粒磨損是最普遍的磨損形式。據統計，在生產中因磨粒磨損所造成的損失占整個磨損損失的一半左右，因而研究磨粒磨損有著重要意義。一般來說，磨粒磨損的機理是磨粒的犁溝作用，即微觀切削過程。顯然，材料相對于磨粒的硬度、載荷以及滑動速度起著重要的作用。

鉆井過程中，鉆桿硬化接頭表面的微凸體和鉆井泥漿當中較硬的固體顆粒與套管內壁的接觸，這種接觸會造成套管的磨粒磨損。磨粒磨損的機理主要有三種：法向載荷將磨料壓入摩擦表面，而滑動時的摩擦力通過磨料的犁溝作用是表面剪切，犁皺和切削，產生槽狀磨痕稱為微觀切削；磨料在載荷作用下壓入摩擦表面而產生壓痕，將塑性材料的表面積壓出層狀或鱗片狀的剝落碎屑稱為擠壓剝落；摩擦表面在磨料產生的循環接觸應力作用下，使表面材料因疲勞而剝落稱為疲勞破壞。

總之，為了提高磨粒磨損的耐磨性必須減少微觀切削作用。例如，降低磨粒對表面的作用力并使載荷均勻分布，提高材料表面硬度，降低表面粗糙度，增加潤滑膜厚度以及采用防塵或過濾裝置保證摩擦表面清潔等。

1.2 黏著磨損

當摩擦副表面相對滑動時，由于黏著效應所形成的黏著結點發生剪切破裂，被剪切的材料或脫落成磨屑，或由一個表面遷移到另一個表面，此類磨損統稱為黏著磨損。

在鉆井過程中，鉆柱和套管內壁會發生接觸。接觸產生的側向力會增加套管內壁的粘著磨損。除潤滑條件和摩擦副材料性能之外，影響黏著磨損的主要因素是載荷和表面溫度。然而，關于載荷或溫度哪個是決定性的因素迄今尚未取得統一認識。

2 鉆桿-套管磨損實驗與研究

2.1 實驗設備與實驗材料

采用MRH-1A鉆桿-套管摩擦磨損實驗機（圖1），主要采用BG140套管材料，采用5″×10.92mm-S135的鉆桿材料。實驗用套管與鉆桿材料的幾何和物理參數如表1、表2所示。

鉆桿-套管磨損實驗選用的是油田水基泥漿，密度1.2g/cm3，并使用重晶石粉加重到密度為1.3g/cm3、1.4g/cm3、1.6g/cm3、1.8g/cm3。

2.2 改變試驗參數實驗結果

選取選取油田常用的BG140套管材料和S135鉆桿材料。用密度為1.2 g/cm3的水基泥漿，并用的重晶石加重到1.3 g/cm3、1.4 g/cm3、1.6 g/cm3、1.8g/cm3進行BG140套管的磨損實驗，重點分析BG140套管在不同正壓力、不同轉速下和不同鉆井液密度下的磨損效率和摩擦系數。

（1）不同正壓力下BG140套管磨損實驗結果

鉆桿試環轉速固定在90轉/min，改變鉆桿和BG140套管試樣之間的正壓力，確定不同正壓力作用下，BG140套管的磨損效率和摩擦系數。分別取正壓力為200N、400N、600N，每種正壓力下在密度1.2g/cm3的水基泥漿中進行三次實驗，實驗結果取平均值，實驗時間60min，結果如圖2、圖3所示。

（2）不同轉速下BG140套管磨損實驗

正壓力固定在400N，鉆桿試環轉速分別取60轉/min、90轉/min、120轉/min，在密度1.2g/cm3的水基泥漿中進行BG140套管磨損實驗。每種轉速下，在密度1.2g/cm3的水基泥漿中進行3次實驗，實驗結果取平均值，實驗時間60min。實驗結果如圖4、圖5所示。

（3）不同鉆井液密度下BG140套管磨損實驗

試驗機轉速固定在90轉/min不變，正壓力固定在400N。泥漿密度1.2g/cm3，并使用重晶石粉加重到密度為1.3g/cm3、1.4g/cm3、1.6g/cm3和1.8g/cm3進行BG140套管磨損實驗，測量不同鉆井液密度下的套管磨損效率和摩擦系數。每種鉆井液下進行3次套管磨損實驗，套管磨損效率和摩擦系數平均值，時間30min，實驗結果如圖6所示。

3 總結

（1）套管磨損按失效的基本類型可分為：磨粒磨損、黏著磨損、犁削磨損、表面疲勞磨損、沖刷磨損和腐蝕磨損等。套管磨損的機理十分復雜，通常是幾種或多種磨損形態同時作用的結果。磨損的形式多種多樣，主要為月牙形磨損。

（2）在相同泥漿中對N80、P110、VM140、TP140和BG140鋼級套管做磨損實驗得出結論是，五種套管磨損表面情況相似，在此工況下磨損機理相同。套管磨損表面較為光滑區域，為較細磨粒造成的磨粒磨損。套管磨損表面有明顯的溝槽出現區域，磨損較為嚴重，為鉆桿與套管試樣之間的粘著磨損。

（3）隨著工況的變化，摩擦系數和磨損效率都在變化，總的趨勢為隨著正壓力、轉速、泥漿密度的增大，摩擦系數和磨損效率增大。

【參考文獻】

[1]黃偉和.YK1井技術套管磨損分析[J].石油鉆探技術，1997，25（4）：27-28.

[2]于會媛，張來斌，樊建春，等.深井、超深井中套管磨損機理及試驗研究發展綜述[J].石油礦場機械，2006，35（4）：4-7.

[3]溫詩鑄，黃平，等.摩擦學原理[M].4版.北京：清華大學出版社，2012：301-355.

[責任編輯：楊玉潔]