石油钻井套管磨损原因及防护措施

深井、定向井和大斜度井的技术套管由于后期钻井时间过长, 套管受到钻杆施加的侧向力较大。在这种情况下钻杆接头紧贴套管壁的旋转摩擦是造成套管磨损的主要原因。因此针对该现状制定相应的套管防磨措施消除套管磨损带来的安全隐患具有非常重要的意义。

一、影响套管磨损的主要因素

1. 井深、井斜及全角变化率

套管内壁受到的侧向载荷越大, 套管磨损就越严重。而影响侧向应力大小的主要因素有井深、井斜, 以及全角变化率 (狗腿度) 的大小等[1]。井深越深, 井斜越大, 钻柱因自重较大会对套管产生更大的侧向力载荷, 这时就会对套管内壁下侧造成更多的磨损;在全角变化率 (狗腿度) 较大, 且钻柱受到上提拉力较大的情况下, 钻柱会被强烈地拉伸到狗腿曲线的内侧, 套管也会受到较大的侧向力载荷, 这时钻杆会对套管内壁上侧造成更多的磨损。

2. 钻井时间与起下钻次数

在深井、大位移井的施工过程中, 钻井时间长, 起下钻次数频繁不可避免地会造成套管更多的磨损。而且在接近地表的浅井段, 钻柱受到的上提拉力比下部的钻柱高很多, 极易对套管内壁产生较大的侧向应力。而在上部井段的套管内钻柱的施工时间更长, 经历的起下钻次数更多, 旋转摩擦也更为频繁, 因此上部套管的磨损有时会比下部套管更加严重。

3. 钻头的使用和钻具的组合

针对地质条件选择最合理的钻头和钻具组合不仅可以提高钻探的效率, 还对减少套管磨损有积极的作用。在钻探时应尽量减少更换钻头的次数, 而合理的钻具组合可以优化井眼轨迹, 还能使井斜的变化率达到最低, 从而有效减少套管的磨损[2]。

二、减少套管磨损的措施

1. 钻杆接头的表面处理

钻杆接头的旋转摩擦可以从改善钻杆接头表面摩擦因素入手, 减少钻杆接头对套管内壁的磨损。例如:对钻杆接头的耐磨带表面进行抛光处理, 降低摩擦系数, 可以降低套管的磨损速率;采用更加先进的钻杆接头耐磨带材料与更先进的耐磨带焊敷技术, 可以在保护钻杆接头的同时达到有效降低套管磨损的目的[3]。美国ARNCO TECHNOLOGY TRUST公司研制出的ARNCO系列耐磨带被证实可以有效减少钻杆对套管的磨损, 这种新型钻杆接头耐磨带在我国的塔里木油田、克拉玛依油田及中原油田已成功地得到了应用。

2. 优化钻井液与添加剂的性能

实验证明, 钻井液的类型、质量、性能、成分、添加剂等因素对钻杆接头和套管之间的摩擦系数有直接的影响。在钻井液中加入润滑剂, 可降低低密度钻井液体系下钻杆接头与套管内壁之间的摩擦, 能够有效地保护套管, 但是润滑剂在高密度钻井液中则没有明显的效果。某些润滑剂在高温状态下会失效, 并加速套管的磨损, 所以合理优化钻井液与添加剂的性能对套管的防磨保护有积极的作用。

3. 使用防磨旋转接头

该工具通过在钻杆之间加入可旋转的轴承装置, 降低了摩擦系数。类似的产品有“滚轮扶正器”、“胜利旋转钻柱接头”等。这种防磨工具能够有效地保护套管, 减小了钻杆阻力扭矩, 但也存在较为明显的弱点:国内市场上生产的此类工具由上、下两个接头通过螺纹联接于钻杆之间, 不仅增大了立根长度, 不便于现场操作, 而且较大的弯矩以及较强的振动载荷都可能对其上下接头的联结螺纹造成疲劳破坏, 引发井下事故。

4. 安装钻杆保护器

利用橡胶或其他硬度低于套管和钻杆的耐磨材料制成套筒, 将其固定在钻杆接头附近, 来避免钻杆接头与套管之间产生磨损。钻杆保护器可分为旋转式和非旋转式两类[4]。旋转式钻杆保护器整体被固定于钻杆上, 随钻杆一起旋转, 例如插销式钻杆橡胶护箍。非旋转式钻杆保护器也安装在钻杆接头附近, 但其防磨套筒不随钻杆一起转动, 例如非旋转式套管防磨套。

非旋转式套管防磨套的套筒由一种高分子耐磨材料制成, 通过一对定位卡箍将套筒固定在钻杆本体上, 保证其可以自由旋转。当钻杆在套管内完全居中时, 套管防磨套会随着钻杆旋转;当侧向载荷使钻杆压向套管内壁时, 套管防磨套外表面的棱会阻止防磨套旋转。钻杆与防磨套内壁则存在相对旋转, 由于钻井液的存在使得钻杆本体与防磨套内壁之间形成了一个“液力轴承”, 因此该工具能够在降低钻杆摩阻扭矩的同时很大程度地减小了套管的磨损。

目前非旋转式套管防磨保护套已成功应用与阿拉斯加、墨西哥湾、北海和世界其他许多地方的大位移延伸井中[5]。在我国四川油田的几口深井的钻探作业中, 该工具也取得了良好的防磨效果, 应用后原井套管的磨损量与钻杆的阻力扭矩都有了明显的降低。在使用该工具时应通过科学的设计, 对防磨套的安放位置与数量进行优化, 尽可能覆盖所有侧向力显著的井段, 从而更好地保护套管。

结束语

随着国内的深 (超深) 井及大位移延伸类油井的勘探开发技术逐渐成熟, 其套管在施工中的磨损问题也越来越突出。本文主要总结了石油钻井套管磨损与防护的相关问题, 针对影响套管磨损的几点重要因素进行分析, 结合笔者工作经验, 浅析了几种常见的套管防磨措施, 希望能够为从事套管防磨相关工作的同仁提供借鉴。

摘要：随着石油钻井技术的发展与逐步深入, 深井、定向井和大斜度井数量越来越多, 在这类油气井的开发过程中, 常会出现钻井时间长, 钻杆对套管施加的侧向应力大等状况, 这是造成套管磨损的根本原因。过度的磨损可能导致套管被磨穿、挤毁, 引发局部井段甚至整个井眼的报废, 造成严重的经济损失。因此深井、定向井和大斜度井施工过程中的套管磨损问题将会成为目前钻井施工亟待解决的问题之一。本文主要针对石油钻井套管磨损机理以及防磨保护措施进行分析, 为相关工作者提供一些套管防磨保护建议。

关键词：石油钻井,套管磨损,防磨措施

参考文献

[1] 于会媛, 张来斌, 樊建春.深井超深井中套管磨损机理及试验研究发展综述[J].石油矿场机械, 2006, 04:4-7.

[2] 张凤民.套管钻井关键技术研究[D].大庆石油学院, 2010.

[3] 杜征鸿.深井套管非旋转防磨保护技术应用研究[J].中国石油和化工标准与质量, 2012, 07:75+78.

[4] 林元华, 3.付建红, 施太和, 严仁俊, 贺志刚, 董伟, 李润方.套管磨损机理及其防磨措施研究[J].天然气工业, 2004, 07:58-61+137.

[5] 安文忠.非旋转钻杆保护器在大位移延伸井中的应用.