套管防磨技术在新港1井的应用

陶瑞东，尤 军，许京国，邹林坪，张建荣，杨 静，张 燕，白承斌

（渤海钻探第三钻井工程公司，天津300280）①

深井、超深井、大斜度井和大位移井因下部井段钻井施工周期长，套管磨损问题日显突出。尤其是在深井定向井、大位移井钻井施工过程中，套管偏磨是套管磨损的一个显著特征，主要是钻井过程中钻杆与套管在径向、轴向发生不同程度的碰磨造成的［1－4］。套管偏磨会使其承载能力降低，严重时导致套管柱挤毁或破裂，甚至造成全井报废［5－7］。大港油田新港1井是1口五开三段制定向井，完钻井深6 716 m，三开311.1 mm的定向、稳斜井段长达2 470 m，由于该井段的岩石可钻性差，钻井施工时间长，钻杆对上层技术套管的磨损相对较为严重，甚至可能磨漏套管，给油井的安全施工和后续作业的安全带来了隐患。通过应用兰德公司的减阻防磨套，成功地保护了套管，同时减少了钻杆的磨损。

1 影响套管磨损的因素

在套管钢级一定的条件下，影响套管磨损的因素主要有转盘转速、机械钻速、钻井液密度与类型、钻具组合等，其中转盘转速、机械钻速以及泥浆密度对套管磨损影响较大，而且在一定范围内可以控制。本文以新港1井三开钻进时在井深2 607m处的二开339.7 mm的技术套管为研究对象，套管钢级为N80，钻井液设定为水基钻井液（本区块的钻井液全为水基钻井液），分析预测转盘转速、机械钻速以及泥浆密度对套管磨损的影响。

1.1 转盘转速的影响

当钻井井段和机械钻速一定的条件下，转盘转速越高，接触点滑移的距离越长，磨损越严重。在2 607 m（造斜段终点）处，机械钻速为2 m/h，钻井液当量密度为1.25 g/cm3时，339.7 mm的技术套管在不同转速下的磨损情况如图1所示。

图1 造斜段底端套管磨损量与转速关系曲线

1.2 机械钻速的影响

当钻井井段和转盘转速一定时，平均机械钻速决定磨损时间，从而决定了接触点的滑移距离，滑移距离越长，套管磨损越严重。在2 607 m处，转盘钻速为60 r/min，钻井液当量密度为1.25 g/cm3时，技术套管在不同机械钻速下的磨损情况如图2所示。

图2 造斜段底端套管磨损量与钻速关系曲线

1.3 钻井液当量密度的影响

钻井液对套管磨损的影响主要表现在钻井液体系和钻井液密度2个方面。本研究根据本区块的情况选取水基钻井液，而同一段钻具组合在不同的钻井液密度下浮重不同，则钻柱与套管间的侧向力有所不同，从而使得套管磨损量的不同。在造斜段终点处，机械钻速为2 m/h，转盘钻速为60 r/min时，技术套管在不同钻井液当量密度下的磨损情况如图3所示。

图3 造斜段底端套管磨损量与钻井液密度关系曲线

由图1～3可以看出：磨损量随转盘转速的增加而增加，随机械钻速及钻井液密度的增加而减小；机械钻速和转盘转速对套管磨损的影响较大，钻井液密度对套管磨损量的影响相对较小。

2 兰德公司减阻防磨套作用机理

兰德公司减阻防磨套是由卡箍、铰链切面、低阻惰性面、胶筒插销、卡箍螺栓等部件组成的筒状装置（如图4），使用时套装在钻杆外壁上，卡箍分为上下2个，是减阻防磨套安装在钻杆上的轴向定位机构，其作用是防止减阻防磨套沿钻杆轴向滑动；同时位于2个卡箍之间的胶筒可以围绕钻杆转动，胶筒外壁与套管内壁接触，同时胶筒内壁与钻杆外壁接触，钻进过程中钻柱转动时，钻柱只与防磨套接触，并不能与套管接触，而且防磨套不随钻柱转动，避免了或减少钻杆与套管内壁直接接触产生的摩擦磨损。安装减阻防磨套后，套管与钻杆有线接触改为点接触，钻杆转动时，减阻防磨套起到了类似“轴承”的作用，有效降低了套管内钻具的摩擦转矩。

图4 兰德公司防磨套安装示意

3 现场应用分析［8］

大港油田新港1井井身结构为：762 mm导管×80 m＋660.4 mm钻头×1 502 m（508 mm套管×1 500 m）＋444.5 mm钻头×3 354 m（339.7 mm套管×3 352.4 m）＋311.1 mm钻头×5 720 m（244.5 mm套管×5 717.47m）＋215.9 mm 钻头×6 450 m（177.8 mm 尾管 ×（5 566.41～6 446.23）m）＋152.4 mm 钻头×6 716 m（127 mm尾管×（6 246～6 714）m）。从井身结构可以看出：三开311.1 mm的定向、稳斜井段长，钻井施工周期长，是本井套管防磨的关键井段，因此本井三开311.1 mm井段应用了兰德公司的套管防磨技术。

3.1 3 350～5 000 m井段减阻防磨套安装方案

在本井三开3 350～5 000 m井段钻进过程中，经过测量分析，在2 000～2 460 m井段套管与钻杆之间的接触力突然增大（如图5），因此将减阻防磨套安装于此井段。安装数量和安装方案如下：钻进前将NRP（S－550）型减阻防磨套安放于井深为2 000～2 460 m井段，每柱加6套共加16柱计96套NRP，备用4套。安装减阻防磨套后，套管内摩擦转矩显著降低（如图6），平均下降了15%。每钻进300 m，NRP随钻具下移至2 300～2 760 m井段，然后起钻，重新将减阻防磨套安装于2 000～2 460 m井段，直至钻到5 000 m井深。

图5 减阻防磨套下入前套管与钻杆的接触力变化曲线

图6 减阻防磨套下入前后转矩对比

3.2 5 000 m以下井段的套管防磨安装方案

在三开5 000～5 720 m井段钻进过程中，经过测量分析，在2 000～2 270 m井段套管与钻杆之间的接触力突然增大（如图7），因此将减阻防磨套安装于此井段。安装数量和安装方案如下：钻进前NRP（HT－550）型减阻防磨套安放于井深为2 000～2 270 m井段，每柱加9套共加8柱计72套NRP，备用8套。安装减阻防磨套后，套管内摩擦转矩显著降低（如图8），平均下降了23%。每钻进300 m后，NRP随钻具下移至2 300～2 570 m井段，然后起钻，重新将减阻防磨套安装于2 000～2 270 m井段，直至钻到5 720 m井深。

新港1井的减阻防磨套从2011－05－30开始入井使用，入井时井深3 850 m。根据设计3 350～5 000 m井段采用的是S－550型 NRP。到2011－08－07拆卸减阻防磨套为止，S－550型减阻防磨套累计入井使用64 d（1 075.5 h）完成进尺1 067 m。期间的钻井参数为：钻压40～140 k N，转速40～90 r/min（根据钻具组合不同，还要附加马达转速），排量60～65 L/s，泵压24～28 MPa，泵冲100 min－1。泥浆性能为：密度1.35～1.39 g/cm3，失水3.0～3.5 m L，泥饼0.4～0.5 mm，含砂0.3%～0.5%，初切2.5～5.0 Pa，终切7～12 Pa，p H＝9。钻井施工期间起下钻具至最终拆卸，每套减阻防磨套经检查完好无损、部件无脱落、沿钻杆轴向无移位。

图7 5 000 m以下井段减阻防磨套下入前套管与钻杆的接触力变化曲线

图8 减阻防磨套下入前后转矩对比情况

根据设计，5 000 m之后井段采用的是HT－550型 NRP，从 2011－08－28防磨套入井到 2011－10 为止，HT－550型 NRP累计入井使用47 d（948 h）完成进尺569 m。期间的钻井参数为：钻压80～140 k N，转速40～90 r/min（根据钻具组合不同，有时要附加马达转速），排量55 L/s，泵压24～28 MPa，泵冲80～90 min－1。泥浆性能为：密度1.43～1.48 g/cm3，，失水3～4 m L，泥饼0.4～0.5 mm，含砂0.3%～0.5%，初切6.5～9.5 Pa，终切14～19.5 Pa，p H＝9～10。钻井施工期间起下钻具至最终拆卸，每套减阻防磨套经检查完好无损、部件无脱落、沿钻杆轴向无移位。

4 结论

1） 新港1井在三开钻进约3 000 m时发现套管磨损严重、转矩偏高、钻进困难等问题，之后钻进时由于应用了兰德防磨套技术，起到了保护斜井段套管免受磨损、降低钻柱转矩、减少摩阻的作用，成功顺利完钻，为该井的安全钻进和下步施工作业提供了保障。

2） 减阻防磨套起到了类似“轴承”的作用，有效降低了套管内钻具的摩擦转矩。减少了钻杆磨损的几率，保护了套管。

3） 减阻防磨套的防磨性能可靠，固定牢靠，使用期间无损、无脱落，没有沿钻杆滑移，有利于钻井安全施工。

4） 建议国内研发机构尽快研发出同类型的国产产品，提高安全作业和经济效益。

［1］ 谢桂芳，高翔.深井套管防磨技术研究与应用［J］.石油矿场机械，2008，37（2）：69－74.

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