影响套管磨损的因素、磨损预测及剩余强度分析

钻井过程中,技术套管的磨损是普遍存在的问题,越来越得到人们的重视。本文简要介绍了钻井期间影响套管磨损的主要因素：钻杆与套管的接触力、狗腿严重度、泥浆成分和套管钢级;介绍了套管磨损的预测方法;介绍了套管磨损对其剩余强度的影响.     

套管磨损的研究进展

套管磨损在深井、超深井、大位移井和水平井的钻井和修井期间是一个不容忽视的问题,引起套管柱磨损的因素很多,本文着重概述了钻杆柱的旋转及起下钻、井壁狗腿严重度和泥浆成分等几种主要影响因素;指出套管磨损的主要形式是月牙型磨损,介绍了月牙型磨损对套管的抗挤毁、抗内压强度的影响,并提出了两种磨损预测公式以及减少套管磨损的措施．     

套管磨损的研究进展

套管磨损在深井，超深井，大位移井和水平井的钻井和修井期间是一个不容忽视的问题，引起套管柱磨损的因素很多，本文着重概述了钻杆柱的旋转及起下钻，井壁狗腿严重度和泥浆成分等几种主要影响因素；指出套管磨损的主要形式是月型磨损，介绍了月牙型磨损对套管的抗挤毁，抗内压强度的影响，并提出了两种磨损预测公式以及减少套管磨损的措施。     

庆深气田水平钻井水基泥浆中套管磨损机理实验研究

水平井钻井过程中,钻杆与技术套管的接触力较大,套管磨损比较严重,套管强度降低较多,给后续试油及完井投产作业留下隐患。为了深入了解水平井水基泥浆中钻杆-套管的磨损机理,为准确评价庆深气田套管磨损程度及剩余强度提供依据,在西安石油大学创新研制的环块式钻杆-套管磨损实验机上,模拟实际钻进参数,进行了该气田常用的水基泥浆中钻杆-套管磨损实验,考察了接触压力、转盘转速、磨损时间等因素对套管磨损效率的影响。利用试件磨损表面扫描电镜(SEM)图片进行了形貌分析,确定了水基泥浆中套管的磨损机理。实验结果表明:水基泥浆中,套管的磨损类型兼有粘着磨损、疲劳磨损和犁沟磨损等。黏着磨损是最主要的类型,采用基于黏着磨损机理的White磨损效率模型预测井下套管的磨损是可信的。水基泥浆中P110套管的磨损效率在(2~8)×10-131/Pa之间,稍大于钻井手册中的套管磨损效率(2×10-131/Pa);磨损效率随接触压力和转速的增加而增加,前期增长速率小,后期增长速率大;磨损效率随磨损时间的增加先增加,后逐渐减少,最后趋于稳定。     

基于钻柱正弦屈曲的套管磨损预测模型

在复杂井况油气勘探开发的钻井过程中,巨大的摩阻扭矩和严重的狗腿度使钻柱和套管不可避免地发生接触,导致严重的套管磨损。基于能量耗散原理和新的复杂几何关系,建立一种考虑钻柱正弦屈曲的套管磨损预测模型,并利用套管磨损因子反演的方法校正并预测具有相似结构和井眼轨迹的井的套管磨损情况。该模型应用于涪陵页岩气套管磨损预测,通过井X1现场井径测试数据对具有相似结构和井眼轨迹的井X2进行磨损预测。结果表明:当测深达到2 700 m时,如果不考虑钻柱的正弦屈曲会导致磨损深度预测误差超过23.9%;对于位于1 989 m钻柱接头与套管的目标磨损位置,若考虑正弦屈曲情况,实际位于1 794 m处,预测误差达到9.8%;忽略钻柱正弦屈曲对套管磨损的影响会导致套管磨损预测不准确。     

深部盐膏岩地层套管磨损后等效应力分析

针对盐膏层蠕变和套管磨损联合作用下套管变形破坏的关键技术难题,结合室内盐岩蠕变试验,确定盐膏岩的蠕变参数,考虑盐膏层蠕变的影响,研究深部盐膏层非均匀地应力条件下蠕变、磨损程度、磨损位置对套管等效应力的影响.结果表明:蠕变在一定程度上降低了磨损套管抵抗外部载荷的能力,套管等效应力的非均匀性增强;随着蠕变时间的增加,套管等效应力逐渐增加,在1 a左右达到平衡;套管磨损越深,套管的等效应力越大且非均匀性越强;磨损位置明显改变了套管等效应力的分布规律,沿最小地应力方位磨损时,套管等效应力最大,最容易屈服;磨损位置不同时,只有当磨损程度较小时套管最大等效应力才出现在水平最小地应力方位;沿0°方向磨损时,只有当磨损程度较小时才会有“套管最大等效应力随磨损程度变化不大”的结论.     

大斜度井中套管磨损机理研究

针对套管在大斜度井中的磨损失效,首先开展了套管的磨损实验研究,根据Dawson 和White 提出的基于能 量损失的线性磨损模型以及本文的实验数据,获得了钻杆接头与套管的磨损系数。建立了钻杆接头与套管磨损机理 研究的有限元模型,通过任意拉格朗日欧拉自适应网格划分,在数值模拟过程中可以对套管磨损的节点进行“实时 调整”,并对网格单元做光滑处理,不断更新钻柱接头与套管的接触关系,对钻进过程中套管磨损机理进行了研究。在 磨损后套管结构形状研究的基础上,开展了套管剩余抗挤强度的数值模拟研究,得到了套管的最大磨损深度随时间的 变化关系,建立了套管剩余抗挤强度与最大磨损深度的关系,进而可以预测套管在某一累积磨损时间内套管的最大磨 损深度和套管的剩余强度,为磨损套管的安全性评价提供了理论依据。     

油基泥浆中P110套管磨损机理和耐磨性能

固井后的技术套管与旋转的钻杆接头在一定正压力下接触导致不同程度的磨损,磨损后套管抗挤毁和抗内压强度降低,威胁油气井的安全。为计算井下套管磨损深度和磨损套管的剩余强度,确定减少套管磨损的有效措施,在油基泥浆中进行了P110套管的磨损实验,测量了不同磨损时间、转速和正压力下套管的磨损效率和摩擦系数。通过套管磨损表面形貌分析,确定了套管磨损机理。油基泥浆中P110套管的磨损效率和正压力和转速成正比,磨损效率在2~4×10-131/Pa之间。各转速下套管表面的磨损机理基本相同,黏着磨损、犁沟和疲劳磨损同时发生。正压力对套管表面磨损机理的影响有较大,低接触力下套管表面磨粒和犁沟磨损同时存在,高正压力下主要发生黏着和犁沟磨损。不同转速和正压力作用下,P110套管主要发生了黏着磨损,采用基于粘着磨损机理的磨损效率模型预测井下套管的磨损程度是可行的。     

套管防磨措施研究进展

在大位移井、大斜度井、水平井和深井钻井中,或者在狗腿严重度较大的井段,或者在技术套管下入后的长裸眼钻井过程中,常常出现套管磨损问题。由此而诱发的套管抗挤强度和抗内压强度降低问题制约了油井的后续完井测试作业的顺利进行,影响了油井寿命,严重时还会导致某段油井报废和整口油井报废。国内外学者研究了许多措施来减缓套管磨损问题。通过对这些措施的原理进行研究,为油田作业选用和科学研究提供借鉴。敷焊耐磨带的效果明显,操作方便,是深井钻井、大位移井钻井和大斜度钻井中重点推广的技术。     

高抗挤套管磨损后的外压失效行为分析

采用Abaqus软件,通过有限元模拟分析方法,按照月牙形磨损模型,对我国深井、超深井中广泛使用的140 ksi(965 kPa)钢级Φ244.5 mm×11.99 mm、110 ksi(758 kPa)钢级Φ339.7 mm×12.19 mm和Φ244.5 mm×11.99 mm等3种高抗挤套管在0到70%之间不同磨损率下的挤毁失效行为和挤毁强度变化规律进行了分析,得到了不同磨损率下套管的挤毁失效类型和挤毁强度数据。研究发现磨损在改变套管几何形状的同时,也使套管的挤毁失效行为发生了变化,从而使其剩余挤毁强度值的计算变得复杂。原本为塑性挤毁的Φ244.5 mm×11.99 mm110 ksi(758 kPa)套管在磨损后转变为以弹性失稳为主;原本为过渡挤毁的Φ244.5 mm×11.99 mm140 ksi(965 kPa)套管,当磨损率小于50%时,其挤毁失效类型为过渡挤毁,当磨损率大于50%时,其挤毁失效类型转变为弹性失稳;原本为弹性挤毁的Φ339.7 mm×12.19 mm110 ksi(758 kPa)套管在磨损后依然为弹性挤毁,但磨损加剧了其结构的不稳定。3种套管磨损后的剩余挤毁强度都低于原本失效模式下的挤毁强度值。     

偏轴钟摆钻具组合力学特性分析

运用纵横弯曲连续梁理论和达朗伯原理 ,建立了偏轴钟摆钻具组合动力学分析模型。该模型能够用于求解钻头处的侧向力和转角以及偏轴接头处的侧向力 ,以评价钻具组合的防斜 (纠斜 )能力和偏轴接头附近的偏磨程度。计算结果表明 ,适当降低钻压或提高转速 ,有利于纠斜 ;增加偏轴接头偏心距或将偏轴接头位置上移 ,有利于纠斜 ,但不利于控制钻铤 (或接头 )偏磨 ;扶正器位置上移基本上不利于纠斜 ,也不利于控制钻铤 (或接头 )偏磨 ;偏轴接头处存在较大的接触力时 ,适当调整钻井参数或钻具结构能够避免或减轻钻铤偏磨     

弹性金属塑料磨损表面的分形特性研究

通过对完成磨损试验后的弹性金属塑料（EMP）试样表面轮廓的测量与计算,获得EMP材料的磨损表面轮廓具有分形特性,通过比较分形维数的各种计算方法,推荐结构函数法为EMP材料磨损表面的轮廓进行分形维数计算的优选方法,并计算出了该材料在本研究条件下稳定磨损状态时的分形维数。     

超薄磨耗层高黏高弹沥青混合料性能研究

为给超薄磨耗层提供一种性能优良的沥青混合料,通过优化级配并以高黏高弹改性沥青为胶结料研制骨架密实型高黏高弹沥青混合料。借鉴SAC( stone asphalt concrete）级配设计方法,以8 mm为集料最大粒径,改变4.75 mm筛孔通过率得到骨架嵌挤程度不同的3种SAC-7级配。通过室内试验和控制变量的方法,分析级配、沥青用量、压实度、粉胶比等对骨架密实型高黏高弹沥青混合料路用性能影响。研究表明：当高黏高弹沥青混合料中粗集料嵌挤程度≥90%,油石比在7.3%～7.9%,粉胶比在0.8～1.2时,沥青混合料综合性能最优。采用SAC设计方法设计的高黏高弹沥青混合料应用于超薄磨耗层具有优良的路用性能,能够满足高等级道路养护需求。     

沥青路面凝冰损坏程度检测设备

针对沥青路面磨耗层损坏程度的评价目前还没有成熟的检测设备和方法,根据沥青路面凝冰损坏的形式和特点开发了路面磨耗层损坏程度的检测设备,并对检测设备的技术参数、试验方法和评价指标进行了深入研究。结果表明,所研制的检测设备性能良好,在此基础上提出的试验方法和评价指标能够快速、准确地检测出沥青路面受凝冰损坏的程度,具有良好的区分度和实用性。     

等、变径浮动滑动轴承耐磨性能实验分析研究

对等直径浮动滑动轴承和变直径浮动滑动轴承在相同条件下进行了磨损实验。在等压作用和其它条件相同的情况下,通过改变工作转速、内外圈间隙、内外圈间隙比、磨损量等参数,进行了多因素的实验,分析其结果,发现无论转速如何变化,对变径轴承,当内间隙较大,外间隙较小时平均磨损量较小;对等径轴承,间隙比较小的磨损量较小。总的趋势是变径轴承的磨损量远小于等径轴承的磨损量。据此得出了变径轴承易于形成动压润滑油膜,其磨损量大小和摩擦功耗远小于等径轴承,从而表明变径浮动轴承具有较等径浮动轴承更优的承载能力;实验研究表明：浮动轴承的内外间隙比在1.17～1.20较为合理,随着转速的增加,可以提高轴承的工作稳定性,减少磨损等结论。     

碳化硅颗粒增强ZL201合金复合材料磨损性能研究

研究了碳化硅颗粒增强ZL2 0 1合金复合材料在干摩擦和油润滑摩擦条件下的磨损性能。结果表明 :复合材料的耐磨性高于基体合金 ,随碳化硅含量的增加 ,其耐磨性逐渐增强。在油润滑条件下 ,载荷越大、碳化硅含量越高 ,复合材料的耐磨性越优于基体合金。复合材料的磨损机理是微切削磨损、表层剥落和磨粒磨损的综合作用     

软氮化处理的铸铁材料的滑动磨损抗力

通过磨损试验、金相及X射线衍射分析等手段,研究了经软氮化处理的4种铸铁材料渗层(化合物层和扩散层)的滑动磨损抗力,结果表明,经处理的4种材料在干摩擦条件下其耐磨性与未处理的相比均有提高,其中H类材料优于Q类材料;耐磨性的提高主要归功于扩散层,且随扩散层深度的增加而增加;原材料的差异影响了渗层的质量状态,从而使各材料耐磨性提高的幅度各不相同。     

流化床内颗粒磨损研究

通过流化床内颗粒磨损实验,探讨了磨损率随床重、气速及时间的变化关系,并对磨损前后物料粒径分布进行了对比,推断出颗粒的磨损机制．     

基于Elman神经网络的盾构滚刀磨损预测方法研究

为了解决盾构在复合地质掘进时滚刀磨损检测的难题,提出一种采用Elman神经网络预测盾构滚刀磨损状况的方法。利用滚刀换刀后正常磨损阶段的盾构掘进参数数据,建立Elman神经网络预测模型,根据依此模型得到的预测掘进速度与实际掘进速度的偏差来预测滚刀的磨损状况。文中分析了滚刀磨损影响因素,确定了Elman神经网络预测模型结构,给出了滚刀磨损判断依据。结合广州地铁五号线草淘区间左线盾构工程项目研究表明,预测结果与实际换刀情况相符。该方法建模简单,模型有效且适应性强,研究结论可为类似地质条件下的盾构滚刀磨损检测和更换提供有益的指导。