第十一章 套管的磨损模型
Petris的套管磨损模型最业界最广泛使用的设计工具，他用于计算和监控由于钻杆与套管的旋转接触、钻柱起下钻和其他向下钻进的元件接触造成材质上的磨损。这个独特的程序最初被莫尔科技在联合规划项目DEA-42-套管磨损技术项目的赞助下开发出来的。这个模型能准确的预计套管磨损的位置和磨损量，并且对于海上或者陆地起钻的钻柱几何形状也可以做出分析。
1、通过计算在旋转的工具接头沿着套管内壁施加的能量。
2、通过除以磨掉套管材料单位体积的量所需要的能量。
钻柱上的侧向力压住钻杆接头贴住套管，这个侧向力由钻杆自身的重力、所受浮力、拉应力、钻具刚性和井眼轨迹的几何形状组成。沿着套管的每个磨损点的深度是从磨损量中计算出来的。
对于套管磨损的一个非常有用的运算法则，从他的理论发展中逐渐形成了一个数学模型，而这个数学模型中最关键的要素是“磨损系数”。这是凭经验导出的量代表了，对于给定的一组物理条件情况下(套管/工具接头的材料、井眼几何形状、钻井液、固含等)，移除单位体积的套管材料所需要的能量。对于在简单的材料属性上的新材料，在套管磨损系数的发展项目中是很难被准确的预测的。相反，他必须在受控制的实验条件下被测量出。磨损-系数数据被测量出，并且从一个广泛大量的，由DEA-42作为其中一部分的项目引导的实验室测试中提炼得出。恰当的评估和应用磨损系数是十分关键的要素，这将会使模型变得更实用，并且成为更准确的工程工具。
11.1输入
11.1.1项目页面
套管磨损模型项目的输入页面与典型的DrillNET项目页面非常相似。
11.1.2轨迹数据页面
套管磨损模型的轨迹数据输入页面与典型的DrillNET轨迹页面很相似。
11.1.3井身数据页面
套管磨损模型的井身数据的输入页面与典型的DrillNET井身数据页面非常相似。
11.1.4作业页面
1)工具接头的参数。用于指定在钻杆上部份的钻柱工具接头的几何形状。这些参数套管的磨损有直接的影响。最终(最深)显示的轨迹井深仅供参考。为了编辑这些值，可以打开轨迹数据页面。
工具接头接触长度是接头与井筒或者套管接触的钻杆单根上长度。下面公式的定义来自于示意图的解释说明。
0<=工具接头接触长度<=工具接头长度(A+B)
管柱保护器参数。管柱保护器的数量和位置来预防和阻止过度的磨损，在输出窗口中他们可以被计算并显示在专门的图形中。详细的关于保护器的模型会在后面的章节详细的介绍。输入设计的值给：每个保护器最大横向载荷---最大的载荷由每个管柱保护器提供，以此来避免损坏保护器。每个工具接头最大横向载荷---在需要管柱保护器之前，工具接头能承受的最大载荷。
2)作业表单。钻井过程中的任何操作都可以在这个表单中指定。每一行代表一个单独的子操作，他们的操作模式和速度可以被认为是常量。
在第一列中，从提供的三个操作中选择适合的钻井操作模型。输入需要的参数将会改变以反映每个选定的操作。
钻进---对于这种情况，如果套管是全新的话，那么最初的套管磨损时零。磨损将会按指定的钻进时间间隔累积起来。在套管磨损模型以前的版本中，“重钻”对于之前已经存在磨损的套管是另外一种操作。磨损来自于之前钻进操作。现在将他们合并为“钻进”模式，因为程序会相应的自动跟踪多个操作，同时累积了套管的磨损。
倒划眼---在这里的初始磨损是之前的钻进操作中的磨损的累积。实事求是的讲，向上倒划眼时没有钻压的钻井方式。
空钻---对于一个指定的时间，钻柱的旋转没有钻压或者向上/向下移动。如果指定的行程长度小于接头的长度，那么程序认为套管的磨损集中在某一位置上。如果行程长度大于接头长度，那么套管磨损计算按正常情况计算(所有旋转时间/滑行距离被平均在整个钻柱上)。
对于所有这些操作，磨损是基于之前操作的磨损结果。列如：第二个操作(操作表单的第二行)是依赖于第一行操作的磨损结果，在他的基础上计算得出的。第一个操作(在操作表单中的第一行)是基于在磨损系数页面中的磨损记录数据内的当前磨损的历史数据。
段起始深度和段端部深度 为操作指定钻头的起始和结束的位置、指定转速、机械钻速和钻压的大小和钻杆接头与套管之间接触的滑动的量。
对于操作表单的每一行来说，操作表单中的管柱数据必须被填写完整。在列1中被激活的行用蓝色背景显示。
3)操作表单中的管柱。每列于操作表单中子操作必须为他指定一组管柱。相应的，对于操作表单来说，管柱内容的改变依赖于在操作表单中被选择的那一行。在操作表单中的列1通过蓝色的文本框来表示当前的行，对于操作表单来说，他的行数也在管柱的标题行上显示出来(“管柱-作业行:5”)。对于每一行的操作行，输入的管柱被用于他的子操作中。最右边的列中，“说明”是可选填的。
11.1.5磨损系数页面
1)磨损系数选项。您可以根据自己的喜好和可用的数据，为每一磨损分析来选择磨损系数的量。这些系数取决于井筒条件下地层信息的描述和可用的油田区域值，磨损分析可以是简单的(对于整个井筒来说是单一的磨损系数)，或者是复杂的(对于井筒的各个部分采取不同的磨损系数)。
在磨损系数表上，为套管磨损系数来从三个基本操作选项中选择一项:
1、单一个磨损系数。点击“单一个磨损系数”并在文本框中输入一个磨损系数值。
2、从上到下沿着井筒分布变化的磨损系数。点击“沿隔水管/套管输入”并且在磨损系数表单从表套开始，为每一段的长度定一个磨损系数。这个选项被具有多个部分段的隔水管/套管所使用，尤其是使用了不同材质的套管，因此，可以根据需要为每一部分来改变磨损系数。
3、沿着井筒底部向上来分布不同的磨损系数。点击“沿钻柱输入”并且在磨损系数表单中从钻头开始为每一个磨损系数定义一个长度。如果用户喜欢根据不同的接头类型定义一个磨损喜欢的话，这一项是非常有用的。
考虑钻杆同套管接触。现在这个运算法则对钻杆本体接触的磨损做出了说明(即，除钻具接头外)。当钻杆在高压载荷下通过十分弯曲的井眼路径中一段时，钻杆的本体与套管凸起的一边相接触。因此，套管的合成的磨损率将会受影响，不仅仅只是接头的特性，也有钻杆本体的磨损特性。
通过计算和使用一个某段钻柱部分(钻杆接头和钻杆本体与套管接触的部分)的有效磨损系数来说明钻杆与套管接触和磨损的影响。这个有效的磨损系数将会是钻具接头的磨损系数和钻杆本体的磨损系数之间的值。
注意：钻杆的基体磨损系数是在【专家系统】按钮上面文本框中单独定义的。对于钻杆本体的磨损系数也可以用于挠性接头，对于这种情况，隔水管/套管柱含有一个挠性接头部分。
如果您想忽视钻杆本体与隔水管/套管之间的接触的话，请不要选择这一项。
2)专家系统的磨损系数。在最好的磨损系数的选项中，他作为一个帮助使用，专家系统已经纳入到DrillNET软件中。专家系统引用了大量的由DEA-42项目引导的实验室测试结果。一系列的选项允许您快速定义推荐的磨损系数。
3)磨损系数数据库。磨损系数数据库提供更多、更广泛的由于DEA-42实验室测试得出的结果。广泛的数据库涵盖了为钻井工程师去比较钻井环境和套管/钻具接头组合下的广阔范围磨损系数。
4)设置套管和尾管。在套管磨损被计算后，您可以返回到磨损系数页面，输入一个新的套管或者尾管管柱。
选择“设置为新套管”来从管柱中删除所有计算出的磨损值。当您想要基于一个新的套管串来计算磨损时，可以使用这一项。
选择“设置尾管或者侧钻”来为新的管柱输入一个深度。在尾管顶部或者侧钻点之下，套管磨损会被设置成零，并且程序将会准备一个新的磨损日志数据集合。新数据集的MD范围是从表层点的MD到尾管顶部或者侧钻点的MD之间。如果您点击了【应用】按钮，那么这组新的磨损记录数据将会被导出到“上一页”磨损记录数据表单中，以此来给列出的钻井操作来作为新初始条件。
5)磨损记录数据。磨损历史数据是随着井深的变化来进行浏览的。这里显示了两组磨损历史数据方便用户进行“之前和之后”的比较。他们与称为“上一个磨损”和“当前磨损”相关。
在表单上右击鼠标选择“打开上一个磨损记录文件”选项，再选择一个新的数据集文件来输入数据，同样您可以输入或者直接改变表单中的数据。为了能够编辑当前的或者上一个磨损历史数据，或者能够在他们里面直接输入新的数据，您需要移动鼠标并且在您感兴趣的行或单元格中点击鼠标，再输入新的数据。前三列(黄色背景单元格)是不能被编辑的。这些列是依赖于井眼几何形状中的测点位置和其他过度点的位置。白色单元格中的数据是可以被改变的。
如果您在任意的深度输入一个新套管壁厚，相对应的磨损百分比率将会被重新计算，并且会自动更新。行是不能从当前磨损记录数据表中插入或者是删除的。
6)更新上一个磨损。在套管磨损计算完成以后，您可以返回到输入窗口来浏览运行程序前的和后的磨损数据(分别在磨损记录数据表中的“上一个”和“当前的”)。如果您想要将输出结果长期保存到一个文件中，点击【更新上一个磨损】来复制“当前”表单的数据到“上一个”表单中。
11.1.6参数选择页面
1)屈曲模型选项。为估计正弦屈曲和螺旋屈曲准则提供的模型中三选一的选项。不同的模型将会产生不同的结果，这些结果是基于使用了不同的假设在他们各自的推导过程中。我们将会在后面的章节对这些模型进行讨论。
2)抗内压和抗外挤强度的选项。这里为套管磨损的抗内压和抗外挤强度计算提供了三种模型(双轴应力、API和OTS方程)。系统默认的选项是双轴应力模型。
3)套管磨损的扭矩和摩阻选项。选择“考虑螺旋屈曲摩擦力”选项来说明由于钻具螺旋状的弯曲造成的压缩力产生的摩阻。这些力的侧向力分量将钻具推向井壁。这些额外产生的侧向力增加了钻具与套管的摩擦。如果这些侧向力很大，那么钻具和套管都会受到额外的磨损。
选择“考虑弯曲刚度”来说明钻具在井眼轨迹的弧形段抵抗自身弯曲的强度。传统的软-绳扭矩和摩阻模型的假设，这个假设钻具的由自身重力导致了载荷，钻具的摩擦阻力是由钻具与定向井的井眼相接触导致的。如果您没有勾选这一选项，程序将会使用软-绳模型(即：管子的刚度不会影响计算结果)。对于短半径定向井和钻具具有较高的抗弯刚度，井眼与钻具之间额外的法向力是非常重要的，而钻具的抗弯刚度影响是不能被忽视的。为了在实际应用中考虑到钻具的抗弯刚度，那么需要勾选这一选项使他在扭矩和摩阻计算中考虑到抗弯刚度的影响(抗弯刚度会造成磨损)。
11.2输出
套管磨损的输出界面包括三种标签项：
1、小结---为关键的弯曲参数显示他的值。
2、图形/表格---一个典型的DrillNET多功能输出显示界面，允许输出一个或者多个图形。
3、套管磨损图---套管随着深度变化的磨损与多种参数的比较。
11.3特殊功能项
11.3.1工具条图标
当套管磨损模块被选择后，系统将会为您提供特殊的工具条图标。他们包括：
现场磨损拟合。在套管磨损的现场测量的基础上计算/标准化磨损系数来打开一个现场磨损拟合窗口。
磨损示意图。为预览沿着整个套管/隔水管柱的磨损量，打开套管/隔水管磨损的示意表窗口。
隔水管强度分析。考虑到有磨损槽隔水管柱的抗压和抗挤强度，来显示一组特殊的输出图形。
11.3.2磨损系数专家系统
正如前面所提到的，套管磨损的数学模型中最关键的要素是“磨损系数”。这是一个现场经验导出的量，他表示在给定条件(套管/工具接头的几何形状、钻井液性能、泥浆中的固相含量等)下从套管材质上移去单位体积的量。在项目开发的过程中，基础确定的材料属性和可操作的参数，磨损系数也不能被准确的预测。磨损系数数据通过作为DEA-42项目中一部分的标准实验室和其后私人厂商共同测试产生的。
在磨损系数最佳的选择范围内，他作为DrillNET软件用户的辅助手段，专家系统被纳入到程序中。专家系统采用了很大一部分在DEA-42项目中的实验室测试结果。用户通过点击磨损系数页面中的【专家系统】来访问这个功能。
在专家系统窗口中，选择工具接头的材料、钻井液、添加剂、润滑剂和其他的潜在参数。磨损系数的范围是从实验室数据和为各种钻具条件列出的组合来显示的建议值中得出的。这项功能只能查看数据，其中的数据是不能被编辑和导出到输入窗口中的。
11.3.3磨损系数数据库
磨损系数数据库提供了从DEA-42实验室测试以及从工具接头的耐磨带和套管厂家赞助后测试出的多种结果总汇表。这个广阔的数据库涵盖了宽泛的钻井条件的范围和套管/工具接头的多种组合产生的结果。钻井工程师可以在给定的一组条件下，从多项测试中浏览数据，也可以在不同的接头耐磨带和其他的结果中浏览测试结果。
这个数据库通过点击磨损系数页面中的【数据库】按钮来访问。磨损系数数据库仅为浏览数据而设计的，其中的数据是不能被编辑或者直接输出到输入窗口中的。
11.3.4区块磨损匹配窗口
现场磨损拟合窗口是一个特殊的功能单元，他被用来基于现场的套管/隔水管测量结果来计算/校核他们的磨损系数。磨损系数基于过去发生的钻井操作和对于井眼任意位置深度的磨损的现场测量，他可以回滚-计算出您感兴趣点的结果。这个窗口通过点击
按钮来访问。
在窗口的顶部，首先要输入一个可用的磨损深度。输入到“感兴趣的测深”中。对于您输入的测深，相对应的结果显示在黄色背景的单元格内，同时这些输出结果会随着测深的不同自动更新。显示在这里的套管磨损结果是基于输入页面中当前的输入数据得出的。
其次，在窗口的下部分，输入相对应当前您感兴趣深度的被测量的磨损深度。随后有效的磨损系数会自动计算，并且在底部黄色的文本框中显示出来。
如果您输入的磨损深度等于或者大于套管串的长度，那么被计算和显示的磨损系数是套管从头到尾的磨损规定的操作刚好结束时所需的最小磨损系数。因此，实际现场磨损系数可以比显示出来的磨损系数大。
11.3.5磨损示意图窗口
套管磨损示意图窗口是第二个输出窗口，他被用来浏览已完成的隔水管和套管的磨损文件。这个窗口可以通过
功能图标来访问。
1)磨损图。磨损的百分比随着深度的缩放来绘制出。由于磨损常常与井眼轨道的狗腿度有关，那么井斜与对应的狗腿度也随深度显示出来。这个磨损示意图可以描绘出整个井眼、隔水管或者只显示套管。在窗口的右上部分选择您需要的显示项目。
您可以通过在图上点击鼠标来选择您感兴趣的深度。在图上点击鼠标光标在一个或者多个您感兴趣深度的位置，相对应这些井深的数据将会被添加并且显示在窗口底部的数据表中。
2)磨损示意图的单一深度结果数据。他是对于一个在黄色文本框中的指定深度磨损的结果。任何您感兴趣测量深度都可以被选择，他的这些对应的参数可以被浏览，并且总汇的结果输入到窗口底部的总汇表总。
通过(1)点击在磨损示意图上的鼠标光标(在文本框中的MD值会自动的更新)，或者(2)直接输入一个MD值到这个文本框中。在输入了一个新的MD值后，按下【输入】按钮来选定这个深度，并且更新这些参数文本框中的值。
当鼠标指针移动到磨损示意图上方区域时，MD文本框的值将会被更新，显示当前鼠标位置的深度值。在任何您感兴趣的深度，只需要点击鼠标来选择他们的MD值。为了添加当前显示的数据集到总汇表中，点击【加到表格】按钮。与深度相关的参数会以升序显示在列表中。
3)磨损示意图总汇表单。对于您感兴趣的多个深度的磨损总汇数据可以被选择并且收集到下面的总汇表中。在磨损示意图上每一次选择了新的井深，或者在MD文本框中输入一个值，点击【接受】按钮后，井深的数据将会被添加到表单中，点击【清除】按钮来清除总汇表单中的所有行。
在表单上右击鼠标来访问其他的操作选项：复制表单；打印表单；或者在另一开窗口。
11.3.6隔水管强度分析窗口
提供用于分析隔水管强度的一组特殊的输出窗口。他考虑到了磨损槽的影响，因为他影响了抗内挤和抗内压强度。在参数页面中，用户可以选择一个自己喜欢的模型。这种功能只在您输入了隔水管数据后才能使用，通过点击
按钮图标来访问。
对于当前参数的结果计算都会以图标的显示在六个窗口中。他们可以以任意的顺序排列显示，在任意一幅图上双击都会使图形最大化。输出的参数包括以下内容：
1、隔水管抗内压失效。这幅图显示了隔水管的抗内压强度是如何被磨损削弱的。假设最坏的磨损情况是隔水管中的泥浆没有了(隔水管被抽空)。外部的静液柱压力(红色线)等于或者超过隔水管此时的抗内压强度，这里一点的位置是可以被预测出来的。
2、底部隔水管抗内压失效。这幅图显示了底部隔水管的抗内压强度与他的磨损量之间的关系。在这里，隔水管底部最坏的磨损位置总是会被考虑的，在隔水管中流体柱的泥浆重量是您在窗口的底部所指定的。磨损的隔水管的抗内压强度是基于您在参数页面中三种模式选择其一来计算得出的。
3、隔水管最小流体液面高度。保证隔水管不被挤毁的最小的流体液面高度，他随着隔水管磨损的增加而增加。
4、隔水管抗外挤失效。这个窗口显示隔水管的抗外挤强度通过磨损后降低的关系。
5、底部隔水管抗外挤失效。这幅图显示隔水管底部的抗外挤强度因为磨损而降低。在这里，隔水管底部最坏的磨损位置会被考虑，隔水管中流体柱的重量由您指定。
6、隔水管中最大的泥浆重量。这是另外一种方法考虑挤压失效，这幅图显示最大允许的泥浆重量因为磨损而减少。和前面一样，沿着隔水管，系统分析您指定的位置的影响情况。
在窗口的底部，您可以改变您感兴趣的深度和您正在考虑的泥浆重量。在您改变任意一个参数后，点击【计算】按钮来更新图形。
《本章结束》