页岩气井套管磨损分析

页岩气井套管磨损分析

刘晓灿

中石化江汉石油工程有限公司钻井二公司 湖北 武汉 430223

摘要：针对页岩气井套管磨损问题，分析了页岩气井套管磨损机理，讨论了油基钻井液和水基钻井液两种钻井循环介质、钻井时间对全井段套管磨损的影响。分析了不同因素对套管磨损厚度的影响，预测了页岩气井套管磨损厚度。结果表明，全井段套管磨损随侧向力的增大而增大，三开钻井时间越长，套管磨损越严重。

关键词：页岩气井；套管磨损；磨损厚度

目前页岩气井眼轨迹一般均为水平井，水平段较长多为1500m左右。由于水平段较长、钻井周期较长、井眼曲率较大，导致钻柱在起下钻和在定向复合钻井过程中井下的受力状态非常复杂，不可避免的和井壁以及上层技术套管会有接触摩擦，导致侧向力的产生。在侧向力的作用下会致使上层技术套管产生套管磨损。本文研究页岩气井套管磨损规律，为生产提供理论依据。

1.磨损机理

磨损是由于两个物件表面接触并发生相对运动，在承载表面上不断出现材料损失的过程。可分为粘着磨损、磨粒磨损、冲刷磨损和腐蚀磨损等。在钻井过程中，钻杆接头与套管内壁相接触，在接触力非常大时，可能会在两个物件表面发生粘着磨损。在钻井液中加重材料对套管壁造成磨粒磨损。当钻井液固相颗粒中硬质颗粒含量较高时，高速流动的钻井液将对套管形成冲刷磨损。在摩擦过程中，同时与周围介质发生化学或电化学反应，发生腐蚀磨损，表层金属的损失或迁移的现象。套管磨损的机理复杂，通常是多种磨损形态同时作用的结果。影响因素很多，钻遇不同地层、钻井液体系、摩擦副材质、钻柱运动状态、钻杆与套管力学接触状态等都将影响套管的磨损的状态。

2.套管磨损实例分析

焦页某井是中石化重庆涪陵页岩气公司平桥区块的一口水平井，水平段长2095m，，三开钻井周期为55天，造斜段位于上层技术套管内，三开钻井液密度为1.55-1.58 g/cm³，由于钻井液密度相对较高，所以在三开钻井过程中对上层套管产生磨损。各开次套管下深如表1所示。

表1 焦页某井各开次套管下深

根据摩阻扭矩分析可以计算出三开钻井过程中Ф127mm钻杆与Ф244.5mm套管之间的侧向力如图1所示。

图1 三开钻井过程中Ф244.5mm套管与Ф127钻杆之间的接触力

目前在三开钻井过程中，一般都采用油基钻井液作为循环介质，另外页岩气水基钻井液的研发已经相对成熟，所以有必要对水基钻井液和油基钻井液两种不同循环介质条件下Ф244.5mm技术套管磨损进行研究。

油基和水基钻井液两种不同介质中，该井三开钻井时间为60天的技术套管磨损量，如图2所示。循环介质为油基钻井液，三开钻井周期为10天、30天和60天三种环境下，技术套管磨损量如图3所示。

图2三开钻井时间60天Ф244.5mm技术套管磨损

图3 不同钻井周期下Ф244.5mm技术套管磨损

由图2可以看出，在钻井时间为60天条件下，全井段循环介质为水基钻井液相比油基钻井液，技术套管磨损较大.在侧向力较大的井段，也是井眼曲率较大的井段，技术套管的磨损相对严重, 在水基钻井液条件下某些井段磨损量超过2mm，这对于技术套管的抗挤强度和抗内压强度都会有大幅度的降低，不利于整个井筒的完整性，但是在油基钻井液条件下，技术套管磨损量为1.2mm，磨损量相对较小，技术套管的抗挤强度和抗内压强度降低相对较小。

由图3可以看出，技术套管磨损随整个三开井段的钻井时间的增加而增加。在三开钻井时间为60天条件下，某些井段套管磨损最高为1.2mm。钻井时间为30天条件下，套管磨损量最高为0.77mm，钻井时间为10天条件下，套管磨损量最高为0.4mm。所以在油基钻井液条件，为了减少技术套管磨损，一方面需要在钻井过程中提高钻井井身质量，减少出现大井眼曲率井段的概率，另一方面需要提高钻井机械钻速，减少钻井周期，从而降低技术套管的磨损量，保证井筒的完整性。

3.结论与认识

通过以上计算分析，可以得到如下结论与认识：

（1） 在页岩气钻井过程中，技术套管磨损厚度随钻进时间变化而变化，钻进时间越长，套管磨损越严重。

（2）在全井段中套管磨损随侧向力和井眼曲率的影响较大，井眼曲率越大，侧向力越大，技术套管磨损量也越大。

（3）由于油基钻井液的润滑性要由于水基钻井液，在水基钻井液中钻柱与套管之间的磨损程度要比在油基钻井液中严重。

（4）为了减少技术套管磨损，需要提高钻井井身质量，减少出现大井眼曲率井段的概率，还必须提高钻井机械钻速，减少钻井周期，降低技术套管的磨损量，保证井筒的完整性。

参考文献

[1]Bradley WB，Fontenot J E Jr. The Prediction and Control of Casing Wear[J].Pet.Tech，1975（2）:233～243

[2]Jerry P.White，et al．Casing Wear：Laboratory Measurements and Field Predictions．SPE14325

[3]王关清，陈元顿等．深探井和超深探井钻井的难点分析和对策探讨．CPI论文，1984，4

[4]（美）A.鲁宾斯基.钻井工程进展（第二册）.北京：石油工业出版社，1993.6889