钻杆与套管摩擦磨损研究

摘要

套管磨损使其承载能力降低，给后续钻井、完井、采油及修井带来重大影响。在对套管磨损机理深入分析基础上，研制出模拟井下工况的钻杆套管摩擦磨损实验机；实验分析找出了影响套管磨损的主要因素及其一般规律。在载荷、温度、时间恒定的情况下，磨损体积随转速呈线性趋势变化；载荷对钻杆与套管之间的磨合期、摩擦系数均有显著影响，增大载荷会加剧振动和加速磨损，合理载荷可以降低摩擦系数，减小磨损；粘度高的水基泥浆可以有效降低套管磨损；低于60℃的温度对套管磨损没有明显影响。建立了套管和钻杆的磨损预测方程。 通过有限元软件研究磨损对套管的剩余抗挤强度、剩余抗内压强度的影响，并与其它计算方法进行了比较。磨损套管的剩余抗挤强度与磨损半径、磨损量分别呈线性和指数关系，磨损量越大剩余抗挤强度越小，磨损半径越小剩余抗挤强度越大；较大的轴向载荷对磨损套管的剩余抗挤强度有显著影响，轴向压应力增加套管的抗挤强度，轴向拉应力减小套管的抗挤强度；运用解析解和有限元分析模型计算月牙形磨损套管的周向应力分布；磨损套管的局部弯曲会增大周向应力，降低套管的抗内压强度。 总结了不同工况下磨损对钻杆抗拉、抗弯性能的影响，针对目前的各种减磨措施提出改进建议。为钻具优化设计和钻井参数优选提供了参考依据。

目录

文摘

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第1章绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.2.1影响套管磨损的主要因素

1.2.2钻杆与套管磨损机理

1.2.3实验室测试

1.2.4磨损模型研究

1.2.5套管剩余强度分析

1.2.6防磨减磨研究

1.3技术路线和预期达到的目标

第2章套管磨损程度及影响因素

2.1引言

2.2磨损套管几何形状描述

2.2.1套管磨损部位方程

2.2.2套管横截面几何磨损面积

2.2.3磨损套管与钻杆接触面积

2.2.4套管磨损量测量

2.2.5磨损套管剩余壁厚

2.2.6磨损钻杆形状

2.3套管磨损影响因素分析

2.3.1磨损机理

2.3.2接触力对磨损影响

2.3.3摩擦系数对磨损影响

2.3.4摩擦路程对磨损影响

2.3.5材料布氏硬度对磨损影响

2.4套管磨损预测

2.4.1接触力

2.4.2摩擦系数

2.4.3磨损预测模型

2.5钻柱磨损预测

2.6本章小结

第3章油井钻杆/套管摩擦磨损实验机结构原理

3.1引言

3.2结构特征与工作原理

3.2.1主轴及驱动系统

3.2.2摩擦副及摩擦力测量系统

3.2.3套管磨损量测量系统

3.2.4杠杆施力系统

3.2.5腐蚀箱温度调控系统

3.3主要技术参数

3.4应用情况

3.5本章小结

第4章钻杆与套管磨损实验分析

4.1引言

4.2实验准备

4.3套管磨损与转速关系

4.3.1实验方法

4.3.2结果分析

4.4正压力对磨损影响分析

4.4.1实验方法

4.4.2结果分析

4.5温度对套管磨损影响

4.6间歇负载对套管磨损影响

4.7钻井液对套管磨损影响

4.8本章小结

第5章磨损套管剩余强度分析

5.1引言

5.2磨损套管抗挤强度有限元分析

5.2.1分析原理

5.2.2磨损套管剩余抗挤强度计算

5.2.3考虑轴向载荷下的磨损套管最小抗挤强度分析

5.3磨损套管剩余抗内压强度分析

5.3.1无磨损套管抗内压强度

5.3.2磨损套管割缝环模型

5.3.3磨损套管剩余抗内压强度有限元分析

5.4磨损钻杆剩余强度分析

5.4.1轴向拉力产生的拉应力

5.4.2扭矩产生的剪应力

5.4.3井眼弯曲产生的弯曲应力

5.4.4屈曲产生的应力和接触压力

5.4.5内压力产生的拉应力

5.4.6应力强度

5.4.7安全系数

5.5本章小结

第6章防磨减磨及磨损套管井处理

6.1引言

6.2套管防磨减磨措施

6.2.1降低摩擦系数

6.2.2降低接触力

6.2.3降低摩擦路程

6.2.4合理选择套管硬度

6.3钻柱防磨减磨措施

6.4减磨护箍布置

6.5监测井下磨损

6.6磨损套管井处理

6.6.1波纹管补贴

6.6.2悬挂小套管技术

6.6.3套管内侧钻工艺

6.6.4预防套损井作业事故

6.7本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

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