冲击2滑动工况条件下套管磨损机制图像分析

　　套管磨损机制的研究,主要是认清在钻井过程中套管磨损的发生发展机制,明确套管磨损的主要型式,从问题的源头上采取措施有效地防止或降低套管磨损[1-2]。

　　Best等人利用磨屑分析的方法研究后认为粘着磨损、二体磨料磨损和三体磨料磨损是套管磨损的主要型式,其中粗糙的钻杆接头表面对套管的二体磨料磨损起主要作用; W illiamson采用磨损式试验机研究了套管与钻杆之间接触压力的影响,实验结果表明,在套管和钻杆间接触压力较低情况下,套管的磨损型式以磨粒磨损为主;在二者之间压力较高情况下,套管的磨损型式主要是粘着磨损;西安管材研究所对套管磨损后的表面进行SEM分析后认为,套管磨损型式主要为疲劳磨损和磨粒磨损。

　　钻杆的横向振动是深井套管磨损的主要原因,但真实再现深井复杂工况条件下的套管磨损试验研究少有报道,本文作者运用SK2005工业显微镜、铁谱显微镜和扫描电镜,对套管在“冲击2滑动”条件下磨损机制进行了显微图像分析。

　　1　套管磨损试验

　　1·1　试验设备及试验工况

　　套管磨损试验是在DCWT21000套管磨损试验机上进行的,该试验机主要由主电机、冲击轴电机、液压加载系统、监测记录系统和泥浆槽等部分组成。根据试验要求,该套管磨损试验机可以实现套管钻杆间静载荷、冲击载荷和冲击滑动载荷等不同载荷条件下的试验模拟,为便于对比分析,试验机采用了手动记录和计算机自动记录2种记录方式。

　　试验套管材料为P140 (244·5 mm×11 mm),钻杆材料为S135,外径为168 mm,冲击载荷幅值分别为2 450 N和3 920 N,冲击载荷频率分别为1Hz、2Hz和3Hz,循环介质为低粘度水基泥浆,试验时间为8 h。

　　1·2　图像采集仪器

　　为了便于分析比较,根据套管磨损表面的特点,此次套管磨损表面的显微图像分析共运用了3种分析仪器。SK2005工业显微镜,该显微镜放大倍数为22~100倍,放大倍数无级可调,该显微镜所摄图像主要用来观察套管磨损表面裂纹分布情况;铁谱显微镜,该显微镜有100倍、500倍和1 000倍3个放大倍数,主要用于拍摄观测磨损表面犁沟效应的图像;扫描电镜[3]放大倍数较高且景深较大,所摄图像主要用于观察套管磨损表面的细微特征,如裂纹扩展情况和疲劳坑形貌等。

　　1·3　分析试样准备

　　试验完毕后,把套管磨损区域运用线切割技术从套管上切割分离,采用普通光学显微镜扫描观测磨损区域后,对套管磨损典型区域进行标记、再切割及清洗以备分析。考虑到扫描电镜限制观测试样大小及图像反映套管磨损表面信息的丰富性,切割试样表面大小为2 cm×2 cm。