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钻杆套管磨损机理分析及实验研究

马鑫　李明飞　秦彦斌

【摘 要】套损是油田开发过程中的普遍现象，会造成巨大的损失及许多令人意想不到的负面影响。导致石油套管损坏的主要原因很多，由于套管磨损致其强度降低是主要原因。针对该问题，本文在分析套管磨损机理、磨损因素、磨损模式的基础上，利用环块式磨损试验机，在水基泥浆中，进行了不同钢级套管的磨损实验。确定了套管磨损程度预测所需的摩擦系数和磨损效率，证实此条件下钻杆套管间的磨损机理，确定了套管磨损机理和磨损程度的关系。
【关键词】磨损机理；磨损试验；磨损程度
随着石油工业的发展，套损是油田开发过程中的普遍现象，且呈日益上升趋势。石油套损问题所产生的损失是巨大的且会带来许多令人意想不到的负面影响。针对套损，有许多学者做过一些研究，取得一些成果。经分析归纳，导致石油套管损坏的主要原因是由于套管磨损致其强度降低。
1 套管磨损机理分析
磨损是相互接触的物体在相对运动中表层材料不断损伤的过程，它是伴随着摩擦而产生的必然结果。凡两个相互接触相对运动的表面，都不免要发生摩擦，有摩擦就有磨损发生。
套管磨损的主要原因是由于与套管接触的物体施加给套管的综合的力造成的。套管磨损按失效的基本类型可分为：磨粒磨损、黏着磨损、犁削磨损、表面疲劳磨损、冲刷磨损和腐蚀磨损等。主要为磨粒磨损和粘着磨损。套管磨损的机理十分复杂，通常是几种或多种磨损形态同时作用的结果。磨损的形式多种多样，但主要磨损形式还是月牙磨损，回收套管中有50%是月牙形状的磨损。
1.1 磨粒磨损
磨粒磨损是最普遍的磨损形式。据统计，在生产中因磨粒磨损所造成的损失占整个磨损损失的一半左右，因而研究磨粒磨损有着重要意义。一般来说，磨粒磨损的机理是磨粒的犁沟作用，即微观切削过程。显然，材料相对于磨粒的硬度、载荷以及滑动速度起着重要的作用。
钻井过程中，钻杆硬化接头表面的微凸体和钻井泥浆当中较硬的固体颗粒与套管内壁的接触，这种接触会造成套管的磨粒磨损。磨粒磨损的机理主要有三种：法向载荷将磨料压入摩擦表面，而滑动时的摩擦力通过磨料的犁沟作用是表面剪切，犁皱和切削，产生槽状磨痕称为微观切削；磨料在载荷作用下压入摩擦表面而产生压痕，将塑性材料的表面积压出层状或鳞片状的剥落碎屑称为挤压剥落；摩擦表面在磨料产生的循环接触应力作用下，使表面材料因疲劳而剥落称为疲劳破坏。
总之，为了提高磨粒磨损的耐磨性必须减少微观切削作用。例如，降低磨粒对表面的作用力并使载荷均匀分布，提高材料表面硬度，降低表面粗糙度，增加润滑膜厚度以及采用防尘或过滤装置保证摩擦表面清洁等。
1.2 黏着磨损
当摩擦副表面相对滑动时，由于黏着效应所形成的黏着结点发生剪切破裂，被剪切的材料或脱落成磨屑，或由一个表面迁移到另一个表面，此类磨损统称为黏着磨损。
在钻井过程中，钻柱和套管内壁会发生接触。接触产生的侧向力会增加套管内壁的粘着磨损。除润滑条件和摩擦副材料性能之外，影响黏着磨损的主要因素是载荷和表面温度。然而，关于载荷或温度哪个是决定性的因素迄今尚未取得统一认识。
2 钻杆-套管磨损实验与研究
2.1 实验设备与实验材料
采用MRH-1A钻杆-套管摩擦磨损实验机（图1），主要采用BG140套管材料，采用5″×10.92mm-S135的钻杆材料。实验用套管与钻杆材料的几何和物理参数如表1、表2所示。
钻杆-套管磨损实验选用的是油田水基泥浆，密度1.2g/cm3，并使用重晶石粉加重到密度为1.3g/cm3、1.4g/cm3、1.6g/cm3、18g/cm3。
2.2 改变试验参数实验结果
选取选取油田常用的BG140套管材料和S135钻杆材料。用密度为1.2 g/cm3的水基泥浆，并用的重晶石加重到1.3 g/cm3、1.4 g/cm3、1.6 g/cm3、1.8g/cm3进行BG140套管的磨损实验，重点分析BG140套管在不同正压力、不同转速下和不同钻井液密度下的磨损效率和摩擦系数。
（1）不同正压力下BG140套管磨损实验结果
钻杆试环转速固定在90转/min，改变钻杆和BG140套管试样之间的正压力，确定不同正压力作用下，BG140套管的磨损效率和摩擦系数。分别取正压力为200N、400N、600N，每种正压力下在密度1.2g/cm3的水基泥浆中进行三次实验，实验结果取平均值，实验时间60min，结果如图2、图3所示。
（2）不同转速下BG140套管磨损实验
正压力固定在400N，钻杆试环转速分别取60转/min、90转/min、120转/min，在密度1.2g/cm3的水基泥浆中进行BG140套管磨损实验。每种转速下，在密度1.2g/cm3的水基泥浆中进行3次实验，实验结果取平均值，实验时间60min。实验结果如图4、图5所示。
（3）不同钻井液密度下BG140套管磨损实验
试验机转速固定在90转/min不变，正压力固定在400N。泥浆密度1.2g/cm3，并使用重晶石粉加重到密度为1.3g/cm3、1.4g/cm3、1.6g/cm3和1.8g/cm3进行BG140套管磨损实验，测量不同钻井液密度下的套管磨损效率和摩擦系数。每种钻井液下进行3次套管磨损实验，套管磨损效率和摩擦系数平均值，时间30min，实验结果如图6所示。
3 总结
（1）套管磨损按失效的基本类型可分为：磨粒磨损、黏着磨损、犁削磨损、表面疲劳磨损、冲刷磨损和腐蚀磨损等。套管磨损的机理十分复杂，通常是几种或多种磨损形态同时作用的结果。磨损的形式多种多样，主要为月牙形磨损。
（2）在相同泥浆中对N80、P110、VM140、TP140和BG140钢级套管做磨损实验得出结论是，五种套管磨损表面情况相似，在此工况下磨损机理相同。套管磨损表面较为光滑区域，为较细磨粒造成的磨粒磨损。套管磨损表面有明显的沟槽出现区域，磨损较为严重，为钻杆与套管试样之间的粘着磨损。
（3）随着工况的变化，摩擦系数和磨损效率都在变化，总的趋势为随着正压力、转速、泥浆密度的增大，摩擦系数和磨损效率增大。
【参考文献】
[1]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.
[2]于会媛，张来斌，樊建春，等.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，2006，35（4）：4-7.
[3]温诗铸，黄平，等.摩擦学原理[M].4版.北京：清华大学出版社，2012：301-355.
[责任编辑：杨玉洁]
科技视界2016年7期
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