基于侧钻水平井完井管柱的摩阻分析

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20 0 8年第 5 7卷第 9期第 3 2页

石油矿场机械OI FI LD EQUI M ENT L E P 2 0, 7 9: 2 5 0 83()5~ 5

文章编号：1 0 - 4 2 2 0 ) 9 0 5 - 4 0 1 3 8 ( 0 8 0— 0 20

基于侧钻水平井完井管柱的摩阻分析崔之，健孟

鹏，海江冯宇葛，

(. 1西安石油大学，安 1 0 5 2长庆石油勘探局工程技术研究院，安 7 0 2 )西 70 6; .西 1 0 1

摘要：析并建立了弯曲井段的受迫弯曲摩阻计算模型，新疆百口泉油田百乌 1分对 8并、 6 7井完 80井管柱入井的井口载荷进行了计算。计算结果表明，建立的摩阻计算模型误差小于±1,证所 0验了模型的准确度。该模型具有改进完井管柱的设计、完井管柱下入阻力减小、测实钻井眼中完使预井管柱下入的可能性等优点。 关键词：钻水平井；阻计算；侧摩强度分析中图分类号： E 2. T 953文献标识码： A

Ca c l to fDr g Co f ii n i Ca i g i i er c rz n a e l lu a i n o a e fc e tO l s n n S d ta k Ho io t lW l

CUIZh—in, ENG e g GE Ha—in。 F i a M j P n, i a g, ENG j Yu( .X i an Sh yo U n ve st, i an 71 06 Chi a; E n ne r ng an Te hn o e e c I tt e, 1’ i u i r iy X’ 0 5, n 2. gi e i d c olgy R sar h nsiut CN PC Chan i g e r l um, i an 71 021, i gq n P to e X’ 0 Ch na )

Absr c t a t:W ih t i e us fw e lc m pl ton of r e e i rz n a e ldrli rng t t he w d e o l o e i e nt rng ho i o t lw l ilng du i he

p o e s o he we lc mpl to r c s ft l o e i n,t e d a nd s r ngt r blm fc mpl ton pi e s rng a e i— h r g a te h p o e o o e i

p t i r m po t ntf c or r a a t swhih c n n e e t d.A a a c l to c a otbe n glc e dr g c l u a i n mod 1o or e nd ng o nd ng e ff c d be i fbe is c i n o elw a r pos d a na y e e to f w l s p o e nd a l z d. T he ho k l a fr ni o p e i a i t i n o o d o un ng c m l ton c sng s rng i

Ba2 lc n awu 8o n in aKo Qu n Oi il sc lu ae swe1 i 1b o k a d B i 1 fXiJa g B i u a l ed wa ac lt da l.Th e ut n f er s lsi—dia e ha he e r fd a rc i n c l u a i de sl s h n± 1 ,whih a c r c ft c t d t tt r oro r g f ito a c l ton mo li e st a 0 c c u a y o hem od lw a rfe . T he e pe i e ho e ha he m od lha o e e c le e, s h s i— e s ve ii d x rm nt s w d t t t e s s m x e lnc s uc a m

p o d d sg fc m plto i t i r ve e i n o o e i n p pes rng,t e c d d a fr nni g c m p e i n c sng s rn n he r du e r g o u n o l to a i t i g a d f r c s i h o sbiiy o u i o p e i n c sng s rng i e lwelb e o e a tng t e p s i l fr nn ng c m l to a i t i n r a l or . tKe o d y w r s:sde r c h io a e l d a rc i n c lul ton;s r ng h a l s s i t a k orz nt lw l; r g f ito a c a i t e t na y i

在侧钻水平井完井过程中，井管柱的下入摩完擦阻力及强度问题是不可忽视的。完井管柱在下入

受迫弯曲的实际情况，此基础上建立的模型是与

在井径有关的。当测斜资料、管柱结构、浆性能和摩泥阻系数确定后，就可以用该模型预测管柱在井内运动的摩阻力和轴向力。

到弯曲井段后，由于完井管柱刚度的存在而产生很大的弯矩，之井眼轨迹为不规则的空间曲线，加管柱在下人过程中会与井壁大面积接触，更增大了管这柱与井壁之间的接触压力，且由于管柱自重的影并响，得完井管柱在下人过程中受到较大的摩擦阻使力。摩擦阻力是侧钻水平井钻井、井设计、柱与完管井眼相容性及施工的核心问题之一。本文针对上述

1建立摩阻计算模型在水平井中，忽略动态因素的影响，若完井管柱受轴向力 (力 )、向挤压力、曲力矩、拉径弯泥浆或完

井液的浮力和套管或裸眼施加在完井管柱上的摩阻力等。

问题，建立了一种摩阻计算模型，该模型考虑到管柱收稿日期：0 8 0— 8 2 0— 2 2

作者简介：之健 (9 2)男，徽芜湖人，教授，士，要从事石油工程研究。崔 16一，安副博主

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第3卷 7

第 9期

崔之健，:于侧钻水平井完井管柱的摩阻分析等基

1 1力学模型基本假设 .

为管柱钢材弹性模量， m J N/;为管柱横截面惯性矩， I。 1 T

现有的摩阻模型分为软杆模型 _和刚性模型 2 1]种。但在刚性模型中，设管柱躺在井眼下壁，假由于井眼是弯曲的，因而使管柱产生弯曲；同时由于管柱具有刚度，在井壁与管柱之间就产生了除自重外的额外的接触作用力，而导致额外的摩阻。这种考从

虑管柱刚性的方法仍存在不足之处[, 2由于刚性的 作用，柱不一定是完全躺在井眼的下井壁。更可管能的情况是由于刚性的作用，柱具有维持原来“管直线状态”的趋势，因为井眼是弯曲的，而会形成但从“迫弯曲”这种“迫弯曲”实际情况可能更为受，受与

吻合。在建立完井管柱摩阻计算模型时，须根据必实际情况进行一些必要的假设：

a井壁为刚性， )不考虑井壁变形的影响。

b完井管柱计算单元体的线密度相同。面 )截积相等。 c如有扶正器，考虑其长

度和质量。 )不

图 1管柱受迫弯曲示意

对每一个管柱单元体都可以列出与上相同的 3个方程从而形成方程组，根据边界条件，用一定的采方法就可对方程组进行求解。

d在计算单元体内井眼曲率为常数。 ) 1 2二维弯曲井段摩阻计算模型 .

从推导的结果可以看出，向力了的计算式是轴、 i一

根据单元体在井中的受力和变形，由力的平衡及变形条件，求出管柱与井壁的正压力、可摩阻力及轴向载荷。取第 i元管柱为研究对象，柱在如单管图 1示受力情况下， i、点及该单元长度之所在一1 i中点与井壁接触，在 i、点与井壁相切。套管且一1 i两端受有轴向力丁、T,弯矩 M、,力 内 M剪 NH、。根据受力分析及几何关系，后可得如 N最下 3个方程：T一 T l± (+ N 1 N )+ (一 N 1sn口+ W C N )i L OSa± P ( 1)

个超越方程，需用数值计算求解，求解时从引鞋处

开始，依次取管柱单元体计算直至井口，即可求得管柱各点的轴向力和井口载荷。 1 3三维弯曲井段摩阻计算模型 .在三维弯曲井段中，井斜和方位都在变化，柱管的弯曲是一条空间曲线，受力是一个空间力系。其 根据对三维井身曲线特性的分析E4, aJ可将套管柱的 -

空间弯曲分解到 2个平面上来研究：个平面是 P一平面，即井斜平面；一个平面是 R平面，鲁宾斯另即

基定义的狗腿角平面，样三维问题就简化成了平这面问题。所不同的是在 P平面内轴力 T要换成 T C S Do 2; R平面内轴力 T O ( g/ )在要换成 T CS O

式中，提套管柱取“”,上+号下放套管柱取“号。一”8 EJ(一 1

、

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)+ 1 E 6 J

×、

( a/ )套管浮重在 R平面内的投影为 W O Z 2, X CS ( A )。通过套管柱单元体在 2平面的受力分析 J ]和静力平衡方程，推得套管上端 T的计算模型为可T T】二 -一± (+ N 1+ N )

(譬 ) 。 1zC+也 + O箍j一S 4

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p一 ( - D ) 2[ i D-/一+( -D/￣ o口 ( ) D- ) 2 c s 2Pi( Mii L )+

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式中，提套管柱取“”,放套管柱取“一”上+号下 式中，为下井壁支撑力， p为井眼曲率半径， N N; m; p为管柱单元体曲率半径， Ia为井斜角，o; i I; T ) T为轴向力， 为摩阻系数；为井眼直径， D N; D m;为管柱直径， M为弯矩， N r;为上井壁支撑 m; k nP力， W为管柱在泥浆中的单估长度首力。 m: N; N/ E

号； T为轴向力， N为下井壁支撑力， 为摩阻 N; N;

系数；井斜角，。;为上井壁支撑力， w为 a为 () P N;管柱在泥浆中的单位长度重力， m。 N/ 三维井段的计算模型如果不考虑方位角变化的

影响就可简化成二维井段的计算模型，同理，如不考