一种高温高压高产油管柱套管摩擦磨损预测方法技术

本发明专利技术公开一种高温高压高产油管柱套管摩擦磨损预测方法，包括根据油管柱套管的动力学模型确定油管柱套管的油套管相对滑移总位移L

【技术实现步骤摘要】
一种高温高压高产油管柱套管摩擦磨损预测方法
本专利技术涉及一种高温高压高产油管柱套管摩擦磨损预测方法。
技术介绍
高温高压高产气井以定向井和水平井为主，油管柱在生产过程中发生纵横向耦合流致振动，导致横向方向与套管发生接触碰撞，纵向方向与套管发生摩擦磨损。磨损后油管的抗挤强度大大降低，若不对此加以重视，将直接导致油管损毁，发生井下事故，更严重的是导致气井的报废。在高温高压高产油气管柱生产过程中，受到复杂的井下工况影响，油管与套管的磨损机理是几种机理共同作用，而不仅仅是单一的机理作用。油管与套管之间的磨损机理可分为磨粒、粘着、疲劳、腐蚀等机理。这些磨损机理即能单独存在也可以同时存在，随着工况的变化还会互相转化。当润滑膜没有完全起到隔离作用，油管与套管表面直接接触在一起产生研磨时，主要发生的是磨粒磨损和粘着磨损；当油管与套管接触表面受到交变载荷作用，产生疲劳裂纹，裂纹由法线方向逐渐发展至与表面平行方向，致使表层脱落，这时疲劳磨损为主要磨损类型。(1)磨粒磨损较硬的表面或嵌入软表面的较硬固相颗粒与另一表面接触摩擦，产生切削作用的现象叫做磨粒磨损。磨粒磨损可分为两体和三体磨粒磨损。1)两体磨粒磨损仅由一对摩擦副参与的磨擦，较硬的表面粗糙突起对较软表面产生的磨粒磨损称为两体磨料磨损。由于摩擦副的两种材料表面硬度不同，相对较硬的表面突起直接对较软的表面进行微观的切削，引起较软表面材料的脱落，所以磨损产物一般为宽片段的切屑。2)三体磨粒磨损外界硬质固相颗粒移动于一对摩擦副接触表面之间，发生的磨损被称为三体磨粒磨损。因为三体磨损主要是外界较硬的固相颗粒进入摩擦副之间，硬质固相颗粒与金属表面产生极高的接触应力引起的，主要是微观的切削，切屑大部分是细长的磨粒。三体磨粒磨损产生的原因是完井液中的硬质固相颗粒受到油管与套管间的接触力挤压，颗粒受到极高的接触应力被嵌入油套管中，随着油管振动被带动，在油套管表面产生犁沟。硬质固相颗粒的犁耕作用产生的犁沟不会直接脱落切屑，但是会加重粘着磨损和腐蚀磨损的程度。磨粒磨损的主要机理有微观切削、挤压剥落、疲劳破坏。微观切削是接触力将钻杆表面凸起或硬质颗粒压入套管表面，而摩擦副相对移动时的犁沟作用使表面被切削，产生槽状磨痕。挤压剥落是指在极大的接触应力作用下，在油套管产生压痕并使其触面脱落基础片状的碎屑。(2)粘着磨损当油管与套管接触力逐渐增大到一定程度时，摩擦副接触表面的凸起或磨粒磨损产生的犁沟互相接触，因产生极高的接触应力而发生粘着效应，当两接触面相对移动时，粘着效应产生的粘着节点发生剪切断裂，被剪切掉的材料形成切屑，这一类磨损统称为粘着磨损。粘着磨损的发生与油套管表面接触应力和套管振动频率有关。当接触应力极大时，套管表面的弹塑性形变必然引起温度升高，而随着油管振动的增快，温度也会升高，两者接触点瞬间产生高温，在这种情况下，表面润滑膜破裂，接触峰点产生粘着节点，随着油管振动，节点又被破坏。这种粘着、破坏、再粘着的循环就是粘着磨损的机理。油管的振动对粘着磨损的的影响还体现在接触面之间的润滑膜形成方面。(3)疲劳磨损油管柱振动时与套管产生周期性的接触应力，油管表面出现微裂纹，在周期性接触力不断作用下，裂纹逐渐扩展，当裂纹扩展到一定程度，在摩擦产生的剪切力作用下生成剥落切屑，接触面形成凹坑，所以被称为接触疲劳磨损。油套管接触面的疲劳磨损机理可以总结为，套管表面硬质凸起或介质中的硬质颗粒滑过油管表面时，油管表面接触点受到极大接触应力发生塑性变形，在油管周期性载荷的作用下，表面金相组织产生大量错位，当剪切力作用累积时，表面金属出现错位累积，继而出现裂纹，在周期接触力作用下裂纹不断扩展，直至表面最终产生剥落切屑。引起疲劳磨损的因素很多，经过大量实验可以总结为三个方面。油套管接触力是是最直接的影响因素，它的大小和性质决定了裂纹产生的大小和速率。油套管的材料性能(摩擦副的情况)是决定接触疲劳寿命的重要因素。完井液的润滑性能和化学作用也对提高抗疲劳磨损能力十分有效。(4)腐蚀磨损油管柱生产过程中，在上述几种磨损类型发生的同时，油管还受到天然气和完井液的化学作用引起腐蚀磨损。油套管表面开始摩擦时，油管表面受化学作用生成腐蚀层，随着其振动过程腐蚀层不断地被磨掉，又很快的形成新的腐蚀层，这个不断循环的过程就是腐蚀磨损。因此，如何预测油管柱套管摩擦磨损已经成为油气生产的关键问题。
技术实现思路
为了克服现有技术中的问题，本专利技术提供一种高温高压高产油管柱套管摩擦磨损预测方法。本专利技术解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种高温高压高产油管柱套管摩擦磨损预测方法，包括：根据油管柱套管的动力学模型确定油管柱套管的油套管相对滑移总位移Lh；根据三高气井油管柱临界屈曲荷载计算模型确定油管与套管内壁的接触力N；根据现场实际工况材料和完井液开展油套管摩擦磨损单元试验确定油套管的滑动摩擦系数μ、磨损效率η/Hb；根据油套管相对滑移总位移Lh、油管与套管内壁的接触力N、滑动摩擦系数μ、磨损效率η/Hb确定油套管磨损体积、磨损面积。进一步的技术方案是，所述三高气井油管柱临界屈曲荷载计算模型包括直井段管柱屈曲临界荷载计算模型、造斜段管柱屈曲临界荷载计算模型、稳斜段管柱屈曲临界荷载计算模型、水平段管柱屈曲临界荷载计算模型。进一步的技术方案是，所述直井段管柱屈曲临界荷载计算模型为：式中：N为油管与套管内壁的接触力；a为油管与套管之间的间隙；F为管柱的轴向力；E为管柱的弹性模量；I为管柱的极惯性矩。进一步的技术方案是，所述造斜段管柱屈曲临界荷载计算模型为：式中：N为油管与套管内壁的接触力；F为管柱的轴向力；qe为微元段管柱的重力；α为管柱的井斜角；R为管柱造斜段曲率半径。进一步的技术方案是，所述稳斜段管柱屈曲临界荷载计算模型为：稳斜段管柱发生屈曲变形后与套管的单位长度接触载荷计算公式为公式：式中：N为油管与套管内壁的接触力；F为管柱的轴向力；E为管柱的弹性模量；I为管柱的极惯性矩；qe为微元段管柱的重力；α为管柱的井斜角；r为管柱截面形心至井眼轴心的径向距离；管柱未发生屈曲变形时接触载荷为公式：N＝qesinα式中：N为油管与套管内壁的接触力；qe为微元段管柱的重力；α为管柱的井斜角。进一步的技术方案是，所述水平段管柱屈曲临界荷载计算模型为：水平的管柱发生屈曲变形后与套管的单位长度接触载荷计算公式：式中：N为油管与套管内壁的接触力；F为管柱的轴向力；E为管柱的弹性模量；I为管柱的极惯性矩；qe为微元段管柱的重力；r为管柱截面形心至井眼轴心的径向距离；管柱未发生屈曲变形时接触载荷的公式：N＝qe式中：N为油管与套管内壁的接触力；qe为微元段管柱的重力。进一步的技术方案是，其磨损效率计算公式为：式中：η/Hb为磨损效率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温高压高产油管柱套管摩擦磨损预测方法，其特征在于，包括：/n根据油管柱套管的动力学模型确定油管柱套管的油套管相对滑移总位移L

【技术特征摘要】
1.一种高温高压高产油管柱套管摩擦磨损预测方法，其特征在于，包括：
根据油管柱套管的动力学模型确定油管柱套管的油套管相对滑移总位移Lh；
根据三高气井油管柱临界屈曲荷载计算模型确定油管与套管内壁的接触力N；
根据现场实际工况材料和完井液开展油套管摩擦磨损单元试验确定油套管的滑动摩擦系数μ、磨损效率η/Hb；
根据油套管相对滑移总位移Lh、油管与套管内壁的接触力N、滑动摩擦系数μ、磨损效率η/Hb确定油套管磨损体积、磨损面积。


2.根据权利要求1所述的一种高温高压高产油管柱套管摩擦磨损预测方法，其特征在于，所述三高气井油管柱临界屈曲荷载计算模型包括直井段管柱屈曲临界荷载计算模型、造斜段管柱屈曲临界荷载计算模型、稳斜段管柱屈曲临界荷载计算模型、水平段管柱屈曲临界荷载计算模型。


3.根据权利要求2所述的一种高温高压高产油管柱套管摩擦磨损预测方法，其特征在于，所述直井段管柱屈曲临界荷载计算模型为：



式中：N为油管与套管内壁的接触力；a为油管与套管之间的间隙；F为管柱的轴向力；E为管柱的弹性模量；I为管柱的极惯性矩。


4.根据权利要求2所述的一种高温高压高产油管柱套管摩擦磨损预测方法，其特征在于，所述造斜段管柱屈曲临界荷载计算模型为：



式中：N为油管与套管内壁的接触力；F为管柱的轴向力；qe为微元段管柱的重力；α为管柱的井斜角；R为管柱造斜段曲率半径。


5.根据权利要求2所述的一种高温高压高产油管柱套管摩擦磨损预测方法，其特征在于，所述稳斜段管柱屈曲临界荷载计算模型为：
稳斜段管柱发生屈曲变形后与套管的单位长度接触载荷计算公式为公式：



式...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭晓强，李潇，柳军，王国荣，魏安超，方达科，黄亮，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51