鉆桿套管磨損機(jī)理分析及實(shí)驗(yàn)研究

馬鑫　李明飛　秦彥斌

【摘 要】套損是油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中的普遍現(xiàn)象，會(huì)造成巨大的損失及許多令人意想不到的負(fù)面影響。導(dǎo)致石油套管損壞的主要原因很多，由于套管磨損致其強(qiáng)度降低是主要原因。針對(duì)該問(wèn)題，本文在分析套管磨損機(jī)理、磨損因素、磨損模式的基礎(chǔ)上，利用環(huán)塊式磨損試驗(yàn)機(jī)，在水基泥漿中，進(jìn)行了不同鋼級(jí)套管的磨損實(shí)驗(yàn)。確定了套管磨損程度預(yù)測(cè)所需的摩擦系數(shù)和磨損效率，證實(shí)此條件下鉆桿套管間的磨損機(jī)理，確定了套管磨損機(jī)理和磨損程度的關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】磨損機(jī)理；磨損試驗(yàn)；磨損程度

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，套損是油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中的普遍現(xiàn)象，且呈日益上升趨勢(shì)。石油套損問(wèn)題所產(chǎn)生的損失是巨大的且會(huì)帶來(lái)許多令人意想不到的負(fù)面影響。針對(duì)套損，有許多學(xué)者做過(guò)一些研究，取得一些成果。經(jīng)分析歸納，導(dǎo)致石油套管損壞的主要原因是由于套管磨損致其強(qiáng)度降低。

1 套管磨損機(jī)理分析

磨損是相互接觸的物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中表層材料不斷損傷的過(guò)程，它是伴隨著摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果。凡兩個(gè)相互接觸相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面，都不免要發(fā)生摩擦，有摩擦就有磨損發(fā)生。

套管磨損的主要原因是由于與套管接觸的物體施加給套管的綜合的力造成的。套管磨損按失效的基本類型可分為：磨粒磨損、黏著磨損、犁削磨損、表面疲勞磨損、沖刷磨損和腐蝕磨損等。主要為磨粒磨損和粘著磨損。套管磨損的機(jī)理十分復(fù)雜，通常是幾種或多種磨損形態(tài)同時(shí)作用的結(jié)果。磨損的形式多種多樣，但主要磨損形式還是月牙磨損，回收套管中有50%是月牙形狀的磨損。

1.1 磨粒磨損

磨粒磨損是最普遍的磨損形式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在生產(chǎn)中因磨粒磨損所造成的損失占整個(gè)磨損損失的一半左右，因而研究磨粒磨損有著重要意義。一般來(lái)說(shuō)，磨粒磨損的機(jī)理是磨粒的犁溝作用，即微觀切削過(guò)程。顯然，材料相對(duì)于磨粒的硬度、載荷以及滑動(dòng)速度起著重要的作用。

鉆井過(guò)程中，鉆桿硬化接頭表面的微凸體和鉆井泥漿當(dāng)中較硬的固體顆粒與套管內(nèi)壁的接觸，這種接觸會(huì)造成套管的磨粒磨損。磨粒磨損的機(jī)理主要有三種：法向載荷將磨料壓入摩擦表面，而滑動(dòng)時(shí)的摩擦力通過(guò)磨料的犁溝作用是表面剪切，犁皺和切削，產(chǎn)生槽狀磨痕稱為微觀切削；磨料在載荷作用下壓入摩擦表面而產(chǎn)生壓痕，將塑性材料的表面積壓出層狀或鱗片狀的剝落碎屑稱為擠壓剝落；摩擦表面在磨料產(chǎn)生的循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，使表面材料因疲勞而剝落稱為疲勞破壞。

總之，為了提高磨粒磨損的耐磨性必須減少微觀切削作用。例如，降低磨粒對(duì)表面的作用力并使載荷均勻分布，提高材料表面硬度，降低表面粗糙度，增加潤(rùn)滑膜厚度以及采用防塵或過(guò)濾裝置保證摩擦表面清潔等。

1.2 黏著磨損

當(dāng)摩擦副表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，由于黏著效應(yīng)所形成的黏著結(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切破裂，被剪切的材料或脫落成磨屑，或由一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面，此類磨損統(tǒng)稱為黏著磨損。

在鉆井過(guò)程中，鉆柱和套管內(nèi)壁會(huì)發(fā)生接觸。接觸產(chǎn)生的側(cè)向力會(huì)增加套管內(nèi)壁的粘著磨損。除潤(rùn)滑條件和摩擦副材料性能之外，影響?zhàn)ぶp的主要因素是載荷和表面溫度。然而，關(guān)于載荷或溫度哪個(gè)是決定性的因素迄今尚未取得統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。

2 鉆桿-套管磨損實(shí)驗(yàn)與研究

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)材料

采用MRH-1A鉆桿-套管摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)（圖1），主要采用BG140套管材料，采用5″×10.92mm-S135的鉆桿材料。實(shí)驗(yàn)用套管與鉆桿材料的幾何和物理參數(shù)如表1、表2所示。

鉆桿-套管磨損實(shí)驗(yàn)選用的是油田水基泥漿，密度1.2g/cm3，并使用重晶石粉加重到密度為1.3g/cm3、1.4g/cm3、1.6g/cm3、1.8g/cm3。

2.2 改變?cè)囼?yàn)參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選取選取油田常用的BG140套管材料和S135鉆桿材料。用密度為1.2 g/cm3的水基泥漿，并用的重晶石加重到1.3 g/cm3、1.4 g/cm3、1.6 g/cm3、1.8g/cm3進(jìn)行BG140套管的磨損實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)分析BG140套管在不同正壓力、不同轉(zhuǎn)速下和不同鉆井液密度下的磨損效率和摩擦系數(shù)。

（1）不同正壓力下BG140套管磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果

鉆桿試環(huán)轉(zhuǎn)速固定在90轉(zhuǎn)/min，改變鉆桿和BG140套管試樣之間的正壓力，確定不同正壓力作用下，BG140套管的磨損效率和摩擦系數(shù)。分別取正壓力為200N、400N、600N，每種正壓力下在密度1.2g/cm3的水基泥漿中進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值，實(shí)驗(yàn)時(shí)間60min，結(jié)果如圖2、圖3所示。

（2）不同轉(zhuǎn)速下BG140套管磨損實(shí)驗(yàn)

正壓力固定在400N，鉆桿試環(huán)轉(zhuǎn)速分別取60轉(zhuǎn)/min、90轉(zhuǎn)/min、120轉(zhuǎn)/min，在密度1.2g/cm3的水基泥漿中進(jìn)行BG140套管磨損實(shí)驗(yàn)。每種轉(zhuǎn)速下，在密度1.2g/cm3的水基泥漿中進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值，實(shí)驗(yàn)時(shí)間60min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

（3）不同鉆井液密度下BG140套管磨損實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速固定在90轉(zhuǎn)/min不變，正壓力固定在400N。泥漿密度1.2g/cm3，并使用重晶石粉加重到密度為1.3g/cm3、1.4g/cm3、1.6g/cm3和1.8g/cm3進(jìn)行BG140套管磨損實(shí)驗(yàn)，測(cè)量不同鉆井液密度下的套管磨損效率和摩擦系數(shù)。每種鉆井液下進(jìn)行3次套管磨損實(shí)驗(yàn)，套管磨損效率和摩擦系數(shù)平均值，時(shí)間30min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

3 總結(jié)

（1）套管磨損按失效的基本類型可分為：磨粒磨損、黏著磨損、犁削磨損、表面疲勞磨損、沖刷磨損和腐蝕磨損等。套管磨損的機(jī)理十分復(fù)雜，通常是幾種或多種磨損形態(tài)同時(shí)作用的結(jié)果。磨損的形式多種多樣，主要為月牙形磨損。

（2）在相同泥漿中對(duì)N80、P110、VM140、TP140和BG140鋼級(jí)套管做磨損實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論是，五種套管磨損表面情況相似，在此工況下磨損機(jī)理相同。套管磨損表面較為光滑區(qū)域，為較細(xì)磨粒造成的磨粒磨損。套管磨損表面有明顯的溝槽出現(xiàn)區(qū)域，磨損較為嚴(yán)重，為鉆桿與套管試樣之間的粘著磨損。

（3）隨著工況的變化，摩擦系數(shù)和磨損效率都在變化，總的趨勢(shì)為隨著正壓力、轉(zhuǎn)速、泥漿密度的增大，摩擦系數(shù)和磨損效率增大。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]