技术套管磨损程度预测技术探讨

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摘 要：在长水平段水平井或大位移水平井的水平段钻进过程中，上部造斜点和入窗处的大斜度井段由于接触力较大通常会引起技术套管产生严重的磨损问题，造成套管强度受到破坏。文章假设磨损截面为月形条件下，根据磨损截面的几何关系，构建套管磨损深度与体积之间的关系。同时，根据能量原理，即套管内表面的磨损体积与旋转钻具在相同位置所作的功成正比，建立了技术套管磨损体积与井眼轨迹、钻具组合、机械钻速、转速、钻进井段长度及套管磨损系数之间的函数关系。利用联立方程进行技术套管磨损程度预测，并简要说明套管防磨技术法。

关键词： 套管磨损；预测；防磨

中图分类号：TM216+.5 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2013）03-（页码）-页数

在长水平段水平井或大位移水平井的水平段钻进时，由于裸眼井段长、井斜角大，技术套管的磨损是一个不容忽视的问题。钻具接头磨损套管的主要有黏着磨损、磨料磨损及犁削三种形式。套管磨损主要产生于钻具接头对套管壁的相对转动过程中，而起下钻作业和钻具的往复运动对套管磨损的影响要小得多；在井眼曲率较大之处，钻杆与套管之间接触力较大，易引起大的磨损。钻杆在井内的运动状态非常复杂，有自转、公转（涡动）、纵向振动、扭转振动、横向振动等方式，几种运动方式的叠加加速了钻杆和套管的磨损。

国外对套管磨损研究是在定向井技术大规模应用时展开的，起步比较早[1-3]。取得的主要成果有：（1）钻井液能在钻具接头与套管之间形成一层膜，无论对减磨还是对都有重要的作用；（2）根据实验研究表明，高钢级套管比低钢级套管更易磨损，套管在油基钻井液中比在水基钻井液中更易磨损；（3）套管磨损在造斜点及套管鞋比较严重；（4）提高钻具接头表面的光洁度和钻井液密度，减少接触力，可以缓解套管磨损；（5）钻杆/套管保护器对套管防磨的效果并不可靠。

国内对套管防磨展开研究起步相对较晚[4]，主要的研究内容有：（1）深井、超深井及大位移井套管磨损机理及预测技术；（2）新型套管防磨接头的研制与应用；（3）钻井液加重剂的减磨性能。本文主要是在前人的基础上，进行原理分析，构建技术套管磨损程度预测。

1.套管磨损程度模型建立

1.1 套管磨损几何描述

假设套管表面的磨损截面由钻杆接箍圆周和套管内壁圆周相交而成，如图1所示。套管圆心为O，内壁圆半径为Rci；钻杆接箍外壁圆心为O1，圆半径为Rtj，两圆心之间的距离为a；两圆相交于A和B，弦AB中点为C，圆O和x轴的交点为D，圆O1和x轴的交点为E；最大磨损深度为Dw；图1中，月牙形部分为磨损面积，它等于直线AB和接箍外壁圆心O1形成的弓形面积减去直线AB和套管内壁圆心O形成的弓形面积，根据图形的关系可得

钻杆接箍在套管内的位置是变化的，钻头前进一根钻杆的长度时，上一个接箍正好处在下一接箍原来所在位置。因此，由式（12）计算的磨损体积除以单根钻杆的长度，即得磨损截面积。而接触力约等于单位长度上的接触力与单根钻杆长度的乘积。因此，直接将单位长度上的接触力代入式（12）中，计算得到的结果就是磨损截面积。

1.3 套管磨损深度预测

实践表明，把Dw表示成Aw的显式函数较复杂，需用二分法求解。

（1）令Dw1等于0，Dw2等于钻杆接箍的半径；

（2）令Dw=（Dw1+Dw2）/2，用式（1）至（11）计算Aw；

（3）比较Aw和给定的套管磨损量Awc，如果|（Aw-Awc）|

（4）如果Aw小于Awc，则说明Dw小于所求的解，令Dw1=Dw；如果Aw大于Awc，则说明Dw大于所求的解，令Dw2=Dw，并转到第（2）步。

2.算例计算与分析

苏里格某气井水平井井身结构数据如表1所示，实测井身轨迹数据如表2所示。水平段钻具数据选择：Φ152.4mmPDC Bit+Φ127mm单弯螺杆（0.75°-1°） +Φ120mm回压凡尔+ Φ148mm扶正器+Φ120mm随钻测井工具（G+R）+Φ120.7mmNMDC（MWD）+Φ120mm转换接头（311×HLST39母）+Φ101.6mmHWDP×6根+Φ101.6mmDP×9根+Φ120.7mm水力震荡器+Φ120.7mm减震器+Φ101.6mmDP×（156-204）根+Φ101.6mmHWDP×54根+Φ101.6mmDP，三开水平段采用有利储层保护和降摩减阻的使用无土相低伤害暂堵钻（完）井液体系，密度范围为1.04～1.15 g/cm3。

假定Φ177.8mm技术套管的钢级为N80，壁厚约为9.19mm。根据计算可知，水平段钻进1500m后，造斜点2780m由于钻具侧向力，套管的磨损厚度为约1.49mm，大斜度井段3545-3635m由于钻具的纵向接触力，套管的磨损厚度越大约为1.36mm。

3.套管防磨技术

由上面分析可知，影响套管磨损的主要因素包括套管/钻杆（磨损副）材料性质和钻井液性质，摩擦系数，钻杆接头表面和套管内表面之间的接触力，以及相对运动的累计路程等。因此，提高套管硬度（耐磨损性），增加钻井液性（降低摩阻因数），减小接触力，减少累计路程等均可减少套管的磨损。

如果钻具材料密度和井眼轨迹不变，钻杆接头表面和套管内表面之间的接触力是不可能减少的，唯有增加钻井液性和减少累计路程是可行的，因此，可以在接触力大的位置安装防磨接箍。

4.结论与认识

（1） 套管磨损几何描述虽然是在理想化的圆形截面下进行的，预测模型有着一定的误差，但对制定钻井措施、防止套管磨损有着一定的指导作用。（2） 在钻井过程中，应尽量提高机械钻速，减少钻井时间，从而有效地减少钻杆与套管之间的磨损，防止套管提前失效。（3） 磨损影响套管的强度，但磨损现象比较复杂，应需要继续进行磨损机理研究。

参考文献

[1] BOL G M.Effect of mud composition on wear and friction of casing and tool joints[J].SPE D rilling Engineering， 1986，1（5）：369-376.

[2] BRUNO B.Casing wear caused by tooljoint hardfacing [J].SPE D rilling Engineering，1986，1（1）：62-70.

[3] WH ITE JERRY P，RAP IER D.Casing wear laboratory measurements and field p redictions[J].SPE D rilling Engineering，1987，2（1）：56-62.

[4] 黄伟和.YK1井技术套管磨损分析[J].石油钻探技术，1997，25（4）：27-28.

[5] SCHOENMAKERS J M.Casing wear during drilling：simulation，p rediction，and control[J].SPE D rilling En2gineering，1987，2（4）：375-381.