[01021825]深井超深井套管磨损机理及监测预防技术研究

在油气井的钻井过程中，钻具接头与套管之间的磨损，会导致用于隔离岩层和支撑井壁的套管壁厚减薄、强度降低，使其易于发生变形或破损，造成钻井卡堵、井漏等事故，甚至使整口井报废。套管磨损使钻井工艺复杂化，直接影响钻井安全和钻井效率；而磨损后的套管，即便在完井后成功进入开发生产，也会成为油气田开发过程中的事故隐患，影响生产井的使用。有资料表明，国外一口井因技术套管磨损造成的修井费用或回接套管费用达100万美元以上。在中国西部地区和海洋石油领域复杂地质条件下深井超深井钻井过程中，套管磨损问题十分突出，已成为导致井下事故多、钻井周期长、钻井成本居高不下的重要原因；据统计，仅在塔里木油田的迪那地区近年来先后有迪那11、迪那2、迪那102、迪那203和迪那2-3等5口井在钻井过程中发生严重的套管磨损，直接经济损失达5000万元；其中迪那2-3因卡钻被迫弃井，损失惨重，严重影响了该地区天然气资源的勘探开发进程。随着国内油气资源勘探开发的向高危高难度方向发展，深井、超深井、水平井和大位移井的钻探工程规模大幅增加，套管防磨已成为中国钻井工程领域急待解决的重大技术难题。工程实践表明，国内外现有的套管磨损研究存在的以下问题严重制约了深井超深井套管防磨技术的进步：⑴对深井超深井套管磨损机理认识不足，未能揭示深井段钻具复杂运动条件下套管磨损规律及其关键影响因素，套管防磨缺乏基础依据；⑵缺乏适合现场使用的套管磨损状态实时监测技术，难以在钻井过程中有效控制严重套管磨损事故的发生；⑶基于磨损效率模型的套管磨损预测方法无法准确预测深井段的套管磨损状况；⑷未能形成系统完善的套管防磨准则，实际工程中的套管防磨设计、磨损监控及防磨工艺的合理实施缺乏充分的理论依据，防磨效益低下。为此，该项目依托1项国家自然基金课题、3项西部油田科研课题和1项中国石油化工集团公司科研课题，系统开展深井超深井套管磨损机理及监测预防技术研究，经过8年的努力，取得了以下创新性技术成果：⑴研制成功世界上首台滑台式全尺寸动载套管磨损试验机(ZL200620133922.0)，实现了对套管与钻杆接头之间冲击-滑动复合磨损工况的模拟，为深入认识深井超深井钻井过程中的套管磨损机理、掌握套管磨损规律和评价各种防磨措施的技术性能提供了基础试验手段；设计了另一种冲击滑动磨损试验机获发明专利(ZL2005101232609)和实用新型专利(ZL200520133036.3)各一项；⑵研制出基于磨屑分析和钻具接头检测的套管磨损监测系统(ZL20082018498.3和ZL200820108497.9)，提出了实际工况条件下的套管磨损定量与定性分析方法，为在钻井过程中动态监测井下套管磨损状况的变化，有效控制套管严重磨损事故的发生提供了实用的技术手段；⑶开发出套管内表面专用形貌检测仪，实现了对套管磨损表面形貌的精确测定；⑷结合室内模拟试验研究与现场监测试验研究，揭示了深井超深井套管磨损机理以及冲击-滑动耦合工况参数、加重钻井液、钻井杆管材料匹配及相关阻尼特性对套管磨损的影响机制，丰富和发展了套管磨损理论，为解决深井超深井套管磨损问题提供了基础依据；⑸针对深井超深井工况，改进了基于磨损效率的套管磨损预测方法，提出了基于监测的套管磨损预测模型，开发出相应的预测软件；⑹结合理论研究和试验研究成果，提出了深井超深井套管防磨设计准则，形成了结合钻井工程设计、套管磨损监控与防磨工艺合理应用的套管综合防磨技术体系；⑺结合试验研究，提出了钻井液复配合理加重剂的套管减磨方法。该项目申请国家专利7项，已取得发明专利1项、实用新型专利4项；形成企业套管综合防磨技术规范1项；8年间累计培养博士、硕士研究生13名；发表学术论文32篇，依据相关理论研究成果形成的防磨技术规范、套管磨损监测系统及预测软件和减磨技术在塔里木油田公司取得成功应用。2006年以来该油田钻井工程中的套管磨损事故显著降低，累计节约钻井成本8150余万元(见经济效益证明)；取得了显著的社会经济效益。