全尺寸石油套管冲击滑动复合磨损试验机的研制

　　石油杆2管磨损是在石油天然气生产中普遍存在的问题。其中尤为典型的是油气井钻探过程中钻杆接头与套管的磨损,这种磨损导致用于隔离岩层和支撑井壁的套管壁厚减薄、强度降低,从而诱发钻井事故,直接影响井下安全和钻井效率。有关资料表明,每年因为套管磨损带来的经济损失达数十亿美元。在中国西部油气田,套管磨损问题已成为石油工程领域亟待解决的重大技术问题。但在实际钻井过程中,套管位于很深的井下,难以对其进行直接观测和开展现场试验,以至于在实验室受控条件下开展的套管磨损试验成为套管磨损机制研究的主要途径。

　　为深入综合研究各种复杂工况(尤其是存在横向振动时冲击与滑动复合工况)条件下石油杆2管的磨损机制,掌握深井超深井石油套管磨损规律,并为评价各种防磨技术性能提供基础试验手段,中国石油大学(北京)在国内外首次研制成功了全尺寸动载套管磨损试验机,实现了对套管与钻杆接头之间多种磨损工况的模拟,从而为开展深井超深井的套管磨损试验研究奠定了可靠基础。

　　1　试验机工作原理

　　图1为全尺寸套管冲击滑动复合磨损试验机的工作原理示意图,在该试验机上,直接从钻井套管上切割下来的全尺寸环形套管试样被固定安装在下部与试验机底座固定连接且本身可上下升降的泥浆槽底座上,同时全尺寸钻杆接头试样被固定安装在一根旋转轴上,该旋转轴通过轴承与可上下运动的振动滑台相连接,这样可保证钻杆接头试样在旋转的同时随振动滑台一起上下运动,从而在自身旋转的同时对静止的套管试样内表面产生振动冲击作用,而且含固相的泥浆作为润滑介质通过泥浆循环系统注入到泥浆槽内,被旋转的钻杆接头试样带入钻杆接头试样表面与套管试样内表面的耦合摩擦面之间,产生润滑作用,从而实现了对多相泥浆介质条件下钻杆接头与套管之间冲击2滑动复合磨损工况的模拟。

　　在试验过程中,通过调节振动滑台的上部压力和基座的上下位置,可控制钻杆接头试样与套管试样之间的接触载荷大小;通过变频调速器调节驱动电机的转速,可控制钻杆接头试样的旋转速度;通过改变振动滑台驱动机构的运动速度,可调节钻杆接头试样的横向振动频率;通过改变振动滑台的位移大小,可调节钻杆接头试样的横向振动幅值和冲击能量;而通过改变泥浆的配方可调节泥浆的粘度、密度和固相成分;以及通过更换不同钢级的套管和接头试件以改变试样材质,从而实现对不同工况参数、介质和材料条件下套管磨损的试验分析。

　　2　试验参数测试系统设计