降低深井套管磨损应用技术

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【摘　要】针对深井钻井过程中套管磨损突出问题，制定利用非金属防磨接头配合高效减磨剂的双效防磨技术及配套工艺实现对套管的保护。利用LANDMARK计算套管侧向载荷，确定非金属防磨接头不同工况下的安放位置，现场利用不同工况下减磨剂配伍性试验、钻井参数变化和磁铁吸附物变化检验了双效防磨技术的应用效果，验证了双效防磨技术优于单一防磨技术的特点。通过上述技术措施的实施，为解决深井套管磨损难题做出了有益的尝试，取得了较好的现场应用效果。

【关键词】深井;减磨技术;非金属防磨接头;减磨剂

钻井过程中的套管磨损主要由钻柱与套管内壁相互摩擦引起。发生磨损后，套管抗内压强度明显降低，对油气井安全生产造成威胁。针对川西地区进行的深井套管磨损研究显示，造成该地区深井套管磨损的主要因素有：天然气目的层埋藏深,一般垂直深度达到4000m；深部地层硬，研磨性强；深部井段机械钻速低、钻井周期长；实际井眼轨迹局部狗腿度大。该地区已完的X101井、CX565井、DY101井、DY4等井，因为套管磨损，导致后期开发存在较为严重的安全隐患[1]。针对深井套管磨损问题，优选出防磨接头加减磨剂的“双效防磨技术”方案，在多口井应用效果推广，实际使用效果显著，套管磨失铁屑降低率平均在70%以上。

1.川西深井套管防磨技术难点

（1）根据川西地层三压力剖面，深井井身结构优化空间较小，目前以须二为目的层的深井普遍采用四开制井身结构，平均井深在5400m左右，四开采用Φ139.7mm尾管射孔完井，钻井过程中对上部三开Φ193.7mm油层套管本身存在磨损风险。

（2）深井段须二储层岩石硬度高、石英含量大，可钻性差，平均厚度约500~700m，平均机械钻速仅0.6~0.8m/h，而纯钻率仅为40%，频繁起下钻和较长的钻井周期对套管的磨损更加严重。

（3）深井段地层自然造斜率大、方位漂移在130~330°变化没有规律，局部井段井斜角变化率和狗腿度变化大也是造成深井套管磨损的重要原因。

2.防磨减磨技术

根据室内评价结果，优选出“双效防磨”技术方案：采用防磨接头配合适当的减磨剂达到套管保护最佳效果的防磨技术，即利用TFF防磨接头+AFC7101高效减磨剂在套管壁形成强度保护膜对套管进行保护。

2.1高效减磨剂AFC7101简介

该减磨剂是由多种抗磨材料在高温下合成的有机产品，其耐温高达200℃以上，套管磨损降低率最高可达80%，能明显降低磨阻，可代替普通剂的使用，并有助于降低泥浆泵的修理时间；该产品与钻井液的配伍性好，高温稳定性好，不起泡，不增粘，产品中含有的多种活性基团能够迅速吸附在钻具和套管表面，形成高强度保护膜，从而降低钻进和起下钻过程中钻具对套管的磨损，起到保护套管的目的。

2.2 TFF系列套管防磨接头简介

TFF系列非金属套管防磨接头是根据现场存在的技术问题，开发的新型套管防磨工具。由于采用了新型的表面材料和非金属材料，整体式接头采用40铬镍锰钢或42铬钼钢，强度符合要求。其防磨套摩擦系数极低，具有较强的自性能，自身具有较高的耐磨性，结构合理，无镶嵌件，使用安全可靠。

3.套管防磨方案优化设计

3.1侧向力载荷预测

X301井套管防磨段在Φ193.7mm油层套管内，根据测斜结果及四开钻具组合采用landmark-wellplan进行钻柱侧向力计算，软件输出侧向力单位为千克力kgf（1kgf=9.81N）结果见图1，由计算结果可以看出，该井在以下井段侧向力明显高于正常趋势：

井深355~610米，侧向载荷105~276kgf；

井深3890~4200米，侧向载荷201~989kgf；

井深4310~4996.52米，侧向载荷145~254.1kgf；

井深3900米～5003.5米，为定向及稳斜段，井斜由0.67°增至55.39°，此井段侧向载荷平均约306kgf，最高达989kgf。另外，井深4751~4775米井眼呈正弦或螺旋屈曲状态；井深4905~4939米井眼呈螺旋屈曲状态。根据力学原理，当摩擦系数一定时，摩擦力正比于接触压力（即钻柱侧向力），以上钻柱侧向力异常高井段需采取套管防磨措施，以避免套管磨损。

图1 X301井四开旋转钻进套管内钻柱侧向载荷分布图

3.2防磨接头安放位置设计

由于该井套管头中心管内径偏小，PDC钻头无法下入，只能下入牙轮钻头，受牙轮钻头寿命的限制，均采用牙轮钻头转盘钻进，该井有四个侧向力异常井段，根据侧向力的大小以及井口三点一线的偏斜情况，确定防磨接头安放位置如下：

型 号：TFF156/193-NC38

数 量：共37只，下井32只，备用5只

安放位置：

井口以下0~10m，安放1只，共1只，用于保护井口套管；

井深523~624m，每柱钻杆1只，共4只；

井深3891.98~4070.32m，每柱钻杆1只，共7只；

井深4433.37~4996.52m，每柱钻杆1只，共20只。

经计算，在泥浆排量为12l/s，泥浆密度1.67g/cm3时，每只防磨接头所增加的环空压耗为0.05~0.1MPa，32只井下防磨接头所增加的环空压耗最高共计为3.2MPa。

4.现场应用及效果分析

4.1减摩剂配伍性能分析

在X301井场取泥浆样品与AFC7101减磨剂进行配伍性试验，试验结果下表：

表1 X301井AFC7101减磨剂配伍性试验表

试验结果表明：该井钻井液与减磨剂配伍性试验结果说明该井2%减磨剂加量配伍效果良好，加入AFC7101后钻井液性能无明显变化，钻井液摩阻降低，钻井液中气泡减少，钻井液中停止使用剂，剂的功能被减磨剂替代。

4.2钻井参数分析