TP140V高強度套管磨損研究

申維佳，張建兵，婁爾標(biāo)，張 震，劉應(yīng)應(yīng)

1.西安石油大學(xué) （陜西 西安 710065）

2.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院 （新疆 庫爾勒 841000）

3.西安摩爾石油工程實驗室 （陜西 西安 710065）

隨著我國油氣資源需求的與日俱增，油氣田的勘探開發(fā)逐漸向頁巖氣層、鹽膏層等復(fù)雜地層延伸，深井、超深井、大位移井的數(shù)量急劇上升[1-4]。由于深井、超深井、大位移井等存在井眼斜度大，鉆井時間長等特點[5-7]，導(dǎo)致套管磨損問題非常嚴(yán)重，這樣不僅使整個油井開發(fā)進(jìn)度變緩，同時還會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[8-11]，因此，如何降低套管磨損變得尤為重要。國內(nèi)外關(guān)于套管磨損的研究也有很多。1986年，Bol[12]分析了鉆井液性能對鉆桿-套管摩擦磨損性能的影響；2004年，余磊[14]等人通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，重晶石粉可以有效地降低套管磨損，而隨著鐵礦粉含量的增加，套管磨損加劇；2007年，肖國章[15]研究重晶石粉和鐵礦粉對P110套管磨損機(jī)理的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)重晶石粉和鐵礦粉以一定比例加入鉆井液中比單純使用重晶石粉或鐵礦粉，減磨效果好；2010年，韓勇[16]等人利用全尺寸套管磨損實驗機(jī)研究了側(cè)向力、耐磨帶、減磨劑等因素對套管磨損的影響，得出含重晶石的泥漿對套管有明顯的減磨效果，當(dāng)重晶石和鐵礦粉的比例為1：1和2：1時，減磨效果最好。雖然，研究套管磨損的文章很多，但是在高密度鉆井液下，針對高強度套管磨損的研究較少。因此，以國內(nèi)某油田所使用的TP140V高強度套管為研究對象進(jìn)行全尺寸套管磨損實驗，研究在油基、高性能、飽和鹽水、有機(jī)鹽4種鉆井液條件下，TP140V高強度套管的磨損性能及磨損機(jī)理。

1 實驗原理及設(shè)備

此次實驗采用全尺寸套管磨損實驗機(jī)。實驗時獲取一定長度的套管試樣進(jìn)行磨損實驗。實驗開始時，套管試樣被固定在夾座中，作軸向往復(fù)運動；鉆桿接頭安裝于實驗機(jī)轉(zhuǎn)軸上，作旋轉(zhuǎn)運動；空氣彈簧緊靠夾持的套管支座，并對其提供側(cè)向力；鉆井液通過固定在鉆桿接頭上方的軟管進(jìn)入鉆桿與套管磨損的空間中，對其進(jìn)行潤滑。整套操作設(shè)備，可實現(xiàn)對油田套管磨損情況的真實模擬。整個實驗操作所采用的套管規(guī)格，鉆井液類型，鉆桿接頭耐磨帶型號等均依據(jù)油田真實作業(yè)情況。

2 實驗參數(shù)

對磨損后的套管內(nèi)徑、磨損溝槽寬度以及鉆桿接頭外徑等尺寸的測量，得到套管磨損數(shù)據(jù)，通過計算最終得到套管磨損參數(shù)。以下是對這些磨損參數(shù)含義的解釋：

1）套管磨損后，其內(nèi)壁會形成月牙形溝槽，每隔一定時間測量溝槽前、中、后的寬度，得其平均值，即為套管這一時間段的磨損溝槽寬度。

2）每隔一定時間，對磨損后溝槽處的套管內(nèi)徑進(jìn)行測量，得到最大磨損溝槽深度。套管磨損深度的多少，也直接反映了套管的磨損程度。

3）鉆桿接頭與套管的摩擦力與接觸力的比值。用來反映鉆桿與套管之間的摩擦副的工作情況，同時也反映套管的磨損機(jī)理。鉆桿與套管之間的工作介質(zhì)不同，也會導(dǎo)致套管的磨損機(jī)理不同，從而影響摩擦系數(shù)。通過對套管磨損數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，可以得出不同時間段的套管摩擦系數(shù)。

4）磨損系數(shù)為摩擦系數(shù)與比能的比值。其中比能表示在摩擦過程中移除掉單位體積的套管材料所需要的能量。磨損系數(shù)影響著磨損效率，即磨損的快慢程度。按照一般規(guī)律，磨損系數(shù)的值會隨著磨損溝槽深度的增加而減小。

式中：f為摩擦系數(shù)；e為比能。

此次磨損實驗所使用的材料規(guī)格與類型見表1。

鉆井液類型及參數(shù)見表2。

表1 實驗材料類型與規(guī)格

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 不同類型加重鉆井液下套管磨損參數(shù)對比

從圖1可以看出，在油基、高性能、飽和鹽水、有機(jī)鹽4種鉆井液中，加入高密度重晶石粉，它們的磨損率相差不大，磨損率范圍6.36%～7.63%。有機(jī)鹽鉆井液的磨損率最大，飽和鹽水最小，油基和高性能鉆井液磨損效果相當(dāng)。當(dāng)鉆井液中同時加入高密度重晶石粉和鐵礦粉后，有機(jī)鹽鉆井液的磨損率急劇上升，從7.63%上升到15.68%。飽和鹽水鉆井液的磨損率也有所上升，從6.36%上升到7.84%。高性能鉆井液的磨損率從6.99%上升到9.32%。油基鉆井液的磨損率變化最小，從6.78%上升到7.42%。可見，在不同鉆井液中均加入高密度重晶石粉，套管磨損率相差不大。如果同時加入高密度重晶石粉和鐵礦粉，4種鉆井液的磨損率均有所上升，其中有機(jī)鹽鉆井液的磨損率變化最大，上升最高，套管的磨損最嚴(yán)重。

表2 鉆井液性能

圖1 不同加重劑對套管磨損率的影響

從圖2可以看到，添加不同加重劑后，套管磨損系數(shù)的變化。加高密度重晶石粉后，油基、高性能、飽和鹽水、有機(jī)鹽4種鉆井液的磨損系數(shù)范圍為1.90×10-6～2.54×10-6cm3/N?m，飽和鹽水鉆井液的磨損系數(shù)最小，為1.90×10-6cm3/N?m。當(dāng)鉆井液中同時加入高密度重晶石粉和鐵礦粉后，高性能鉆井液的磨損系數(shù)從2.39×10-6cm3/N?m增加到3.68×10-6cm3/N?m。有機(jī)鹽鉆井液的磨損系數(shù)也從2.54×10-6cm3/N?m增加到7.09×10-6cm3/N?m。油基和飽和鹽水鉆井液的磨損系數(shù)，雖然也有所上升，但是上升不明顯。

圖2 不同加重劑對套管磨損系數(shù)的影響

套管的摩擦系數(shù)變化如圖3所示。加入高密度重晶石粉后，油基鉆井液的摩擦系數(shù)最小，為0.115。高性能、飽和鹽水、有機(jī)鹽3種鉆井液的摩擦系數(shù)相差不大，有機(jī)鹽為0.165，飽和鹽水為0.178，高性能為0.205。當(dāng)同時加入高密度重晶石粉和鐵礦粉后，除了飽和鹽水鉆井液的摩擦系數(shù)略有下降，從0.178下降至0.164。油基、高性能、有機(jī)鹽3種鉆井液的摩擦系數(shù)都有所增加，油基鉆井液的摩擦系數(shù)0.115～0.160，高性能鉆井液摩擦系數(shù)0.205～0.226，有機(jī)鹽鉆井液摩擦系數(shù)增加最多0.165～0.334。

圖3 不同加重劑對套管摩擦系數(shù)的影響

3.2 套管磨損機(jī)理分析

選取了以高密度重晶石粉作為加重劑的有機(jī)鹽鉆井液的磨損套管電鏡掃描照片（圖4），進(jìn)行分析。從放大1 000倍后的SEM照片可以看出：圖4(a)有明顯的硬質(zhì)顆粒劃出的犁溝以及密集的麻點和微裂紋。這些犁溝是重晶石顆粒在接觸力作用下，在套管摩擦面滑動造成的；還可以看到，這條犁溝比其他犁溝都要寬而深，應(yīng)該不屬于重晶石滑動摩擦造成的，而是磨損過程中產(chǎn)生的磨屑對套管磨損面的二次磨損造成的;另一處是明顯的剝落坑。因此主要是磨粒磨損，同時伴隨局部剝落磨損。

圖4（b）有較淺的幾條犁溝以及輕微的裂紋，屬磨粒磨損。

圖4（c）磨損比較嚴(yán)重，磨損表面有許多剝落坑。這是鉆桿與套管磨損過程中產(chǎn)生的磨屑，沒有被鉆井液及時帶出，而在大的接觸力下，壓入套管磨損面，并且產(chǎn)生滑動，形成大小不一的滑槽，在接觸力的反復(fù)作用下，使得套管表面材料剝落，進(jìn)而形成剝落坑。屬三體磨粒磨損。

圖4（d）有幾條較明顯的犁溝，同時還有一些短而深的凹槽，屬于三體磨粒磨損。磨屑磨粒與磨損表面產(chǎn)生極高表面應(yīng)力，磨粒越大，進(jìn)入基體深度越大，則產(chǎn)生的摩擦阻力越大，從而形成這些短而深的凹槽。

對比發(fā)現(xiàn)：有機(jī)鹽鉆井液的套管磨損面比飽和鹽水鉆井液的平整、光滑，這也驗證了有機(jī)鹽鉆井液的摩擦系數(shù)比飽和鹽水小的事實。

圖4 套管磨損面SEM照片（×1000）

4 結(jié)論

對加重后4種鉆井液下，TP140V套管的磨損率、磨損系數(shù)和摩擦系數(shù)進(jìn)行圖表分析得出如下結(jié)論：

1）當(dāng)添加重晶石粉加重后，相同密度下，油基、高性能、飽和鹽水、有機(jī)鹽4種鉆井液的磨損率、磨損系數(shù)差別不大。當(dāng)同時加入重晶石粉和鐵礦粉后，油基、高性能、飽和鹽水鉆井液的磨損率、磨損系數(shù)相差不大，而有機(jī)鹽鉆井液的套管磨損率急劇增加，上升到15.68%，是僅添加高密度重晶石粉時套管磨損率的2倍多。由此可見，鐵礦粉含量的增加，導(dǎo)致有機(jī)鹽鉆井液的套管磨損加劇。因此，對有機(jī)鹽鉆井液進(jìn)行加重時，可適當(dāng)增加重晶石粉的含量，減少鐵礦粉的含量，從而有效降低套管磨損。

2）重晶石粉加重后，有機(jī)鹽鉆井液的磨損面較為光滑，屬于輕微磨粒磨損；而飽和鹽水鉆井液下，TP140V套管的磨損機(jī)理為磨粒磨損同時伴隨局部剝落磨損，這是由于重晶石粉含量過高，導(dǎo)致套管磨損機(jī)理由磨粒磨損向黏著磨損轉(zhuǎn)變。因此實際操作時，重晶石粉的含量不要太多。