減摩及電纜保護油管短節設計與安裝間距分析

張 勇，左明德，孔令楠，高德利，李博文

減摩及電纜保護油管短節設計與安裝間距分析

張 勇1，左明德1，孔令楠2，高德利1，李博文1

（1．中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京102249；2．渤海能克鉆桿有限公司，河北滄州062658）

針對磁導向工具在作業過程中，油管下放摩阻較大及傳輸電纜磨損的問題，提出一種減摩及電纜保護油管短節。對短節的結構及原理進行了闡述，結合管柱受力變形分析給出了扶正器在井下的安裝間距計算方法，并進行了實例計算和分析。結果表明：短節安裝間距計算方法與實際要求基本相符，且隨著井斜角的增大，安裝間距減小。該油管短節結構簡單、安裝方便，能減少油管在井內起下過程中的摩擦阻力和磨損，有效避免電纜在油管與井壁的環空中受到擠壓或磨損，保障井下測試作業的穩定性，節省作業時間和成本。

電纜保護；油管短節；結構設計；間距分析

1 結構設計

減摩及電纜保護的油管短節主要包括油管短節本體、萬向滾動機構、電纜壓蓋、壓蓋內六角螺釘，如圖1所示。在油管短節本體的側壁上成90°軸向對稱分布有4組萬向滾動機構，其中一側2組機構之間有電纜限位通槽和電纜壓蓋的安裝槽，油管短節本體的外徑適當大于油管外徑，以滿足電纜槽的深度要求及提供電纜壓蓋的裝配空間。電纜壓蓋的外側對稱分布有3個沉頭螺釘孔；通過壓蓋內六角螺釘緊定在油管短節本體一側的壓蓋安裝槽內，從而將電纜壓緊在電纜限位通槽內。萬向滾動機構包括支承底座、滾動鋼球、支承滾珠、密封環。滾動鋼球、支承滾珠、密封環均安裝在支承底座上，并且通過螺紋緊定在油管短節本體外側的安裝孔內；滾動鋼球直接與井壁接觸產生滾動摩擦，密封環的作用是防止污物進入支承底座內，影響支承滾珠和滾動鋼球的正常滾動。

圖1　油管短節結構

2 工作原理及技術優勢

減摩及電纜保護的油管短節安裝于一定間距內的兩油管間，如圖2所示。由于磁定位導向工具在井下作用時，油管的主要作用是將測量探管連續輸送至井下某一位置，在直井段油管受自重作用處于垂直拉伸狀態，很少會發生摩擦。因此，油管短節只需要在井眼的水平段和造斜段安裝；并且，從水平段往直井段延伸，兩油管短節間的安裝間距越來越大；連續安裝的油管短節支撐油管，通過外側的萬向滾動機構與套管內壁的滾動摩擦，減少油管在井內起下過程中的摩擦阻力和磨損；電纜在井下從旁通閥引出后，分別通過電纜壓蓋壓緊在每個油管短節本體上，同時保持電纜在兩油管短節之間具有一定的拉伸余量，防止電纜自由懸空在油管與套管內壁的環空中或纏繞油管上，有效避免或減少電纜在油管起下輸送測量探管的過程中受到擠壓和磨損以及電纜在井內自身與套管內壁的磨損，避免出現磁場探測不穩定以及數據傳輸異常等現象，保障電纜在井下供電和數據傳輸的穩定性。

圖2　短節工作原理

3 安裝間距分析與計算

在分析油管短節在井下安放位置時，首先需要了解油管在井內起下過程中的摩阻和軸向力分布，分析兩短節之間管柱的受力變形，然后根據變形值來判斷是否與管壁發生接觸，一旦發現兩短節之間與管壁接觸，則縮短兩短節之間的距離，直至所有油管均不與壁接觸，最后得到水平井穩斜井段及水平井段短節合理的安放位置。

3．1 管柱受力變形分析

在縱橫彎曲條件下，管柱所呈現出的初彎曲對受力后管柱的變形有較大影響。修正初彎曲影響最常用的方法是：以一相當的橫向載荷所產生的影響來代替初彎曲對撓度的影響，并要求相當的均布橫向載荷的彎矩與有初彎曲時軸向力所產生的彎矩相同。管柱初彎曲后因其方位角不變，所以受力在一個鉛垂平面上。因此，建立兩短節間的油管柱力學分析模型，如圖3所示［3-6］。

圖3　兩短節間油管柱力學模型

圖3中：P為軸向力；T為油管的軸向載荷；Y0為初彎曲撓度；Y1為在初彎曲基礎上的彎曲撓度；l為兩油管短節間的油管長度；β為l長度井段平均狗腿角。

假定兩短節之間油管的撓曲曲線為二次拋物線，則其最大初彎曲撓度的近似值為

假定初彎曲撓度曲線為一拋物線，則

將P值代入式（3）可得

設油管柱的二次撓曲變形曲線為

則油管柱的總撓度曲線表達式為

該幾何邊界條件為

（在施工計算中，由于L相對曲率半徑R是極小的數值，即l 接近于零，由泰勒級數可知：

兩短節間在外載荷的作用下從正直狀態發生撓曲至Y，產生的彎曲應變能為

則

在一彈性系統中，對其平衡位置作一微小位移，此系統位能增量應等于內力在此位移下所作的功。當撓度曲線用Y0表示時，微小的位移可以使用系數a1，a2，a3，…的微小改變來求解。若系數an有一微小增量d an，在y方向上產生1個微小的位移增量，結合初彎矩所產生的等效均布載荷，則外力在此位移下所作的功有：

油管柱的有效重力橫向載荷做功為

油管柱的有效重力縱向載荷做功為

油管柱軸向力做功為

油管柱應變能的增量為

彈性系統中，平衡位置若有變動，則可知系統的位能增量等于內力在其位移下所做的功，則

由式（14）化簡可得

二維斜直、水平井段的撓度一般發生在2個油管柱短節的中間位置（x＝l），即

在實際工程應用中，用a1代替an就可以達到工程要求，則

2個短節中點處的油管發生的撓度最大，最易與管壁發生接觸。油管短節的安裝確定原則為：油管的最大偏心距小于或者等于許可偏心距［6］，用公式表示為

油管許可的偏心距取理論最大值（忽略油管以及短節彈性變化），設油管直徑為Dh，短節的外徑為Dg，即

式中：I為油管的截面慣性矩，m4；E為彈性模量，；We為油管在井中的有效重力，分別為井斜角、井斜角增量、平均井斜角，（°）；δmax為油管的最大撓度，m；［e］為油管的許可偏心距，m；Dg為油管短節的最大外徑，m；Dh為油管外徑，m。

3．2 安放間距計算

油管短節安裝間距的基礎設計就是給定1個油管柱的居中度，并結合初始的油管柱短節的安裝間距，通過軟件編程計算逐步逼近求出滿足給定油管居中度的安裝間距。若安裝短節的數量過多、過密，并使油管柱的剛度大幅增加，特別是在彎曲井段和部分井眼曲率變化較大的造斜段，過大的剛度值有可能使測量探管難以下入到預計的位置。

為了更加節省操作時間并使安裝難度貼合工程實際，油管短節安裝間距的優化設計按照工程常規做法，一般采用每1根、2根、3根最多4根油管之間安裝1個短節，因此安裝距離有9．47、18．94、28．41、37．88 m 4種間距可供選擇（實際工程安裝間距）。首先給出1個初始的試算值38 m，程序自動計算此時油管的居中度，滿足居中度要求，則取該值；如果不滿足，則按設定步長0．5 m遞減至滿足居中度要求，輸出該值。在實際工程應用中，依然取單根的整數倍，如計算的準確值為29．5 m，則按照28．41 m來進行安裝，即對lmax／l四舍五入取整數N，則按照單根的N倍進行安裝［7-8］。計算流程如圖4。

圖4　安裝間距計算流程

4 算例分析

以遼河油田杜84區塊某井為例，計算減摩及電纜保護的油管短節在井下的安裝間距。該水平井設計井深992 m，水平段長度500 m，造斜點為70 m，造斜率8°／30 m，?215．9 mm鉆頭完鉆，實際鉆完井深為1 000 m，最大井斜角90．13°，最大井眼曲率10．5°／30 m，完鉆后在水平段下入?177．8 mm的套管，根據上述短節安裝間距計算方法進行模擬計算，計算結果如表1所示。

表1　杜84區塊某井油管短節安裝間距模擬計算結果

表1的計算結果表明：按照兩油管短節間的油管不與套管壁接觸的原則，在井斜角較小的井段，可以3根油管安裝1個短節，隨著井斜角的增大，安裝間距減小；α≥30°后，每2根油管之間安裝1個短節；在水平井段，滿足一定偏心距的情況下，油管與套管不接觸則需要每單根油管接1個短節；電纜不與套管壁發生摩擦。同時，軸向力對油管短節的安裝間距也有較大的影響，軸向力越大，短節的安裝間距則要求越小。

5 結論

1)對減摩及電纜保護油管短節結構及原理進行了闡述，并結合管柱受力對其在井下的安裝間距進行分析。合理的短節安放間距能減少磁導向工具在井下作業時油管起下過程中的摩擦阻力和磨損，避免傳輸電纜井內受到擠壓或磨損，保障井下測試作業的穩定性。

2)短節安裝間距的確定應綜合考慮井斜因素（井斜角α）和油管柱的受力情況；按彎曲斜井段和水平井段應合理確定間距，保證油管盡可能不與套管產生摩擦，才能起到降低油管的摩擦磨損及防止傳輸電纜受到擠壓或磨損的作用。一般情況下，油管柱下部受壓段短節安裝間距較小，由下往上間距逐漸增大；且隨著井斜角的增大，安裝間距減小。

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Eesign and Mounting Eistance Analysis of Tubing Nipple for Anti-friction and Cable Protection

ZHANG Yong1，ZUOMingde1，KONG Lingnan2，GAO Deli1，LI Bowen1
（1．Key Laboratory for Petroleum Engineering of the Ministry of Education，China Uniuersity of Petroleum，Beijing 102249，China；2．Bohai Nkk Drill Pipe Co．，Ltd．，Cangzhou 062658，China ）

Tubing nipple for anti-friction and cable protection came up with the problem of the large tubing friction and cable wearing in the operation process of magnetic steering tools．The structure and principle of the tubing nipple，combined with the installation of the force of the down-hole installation spacing calculation method，was expounded．The practical calculation and analysis show that calculation method is consistent with the actual requirements，and with the increase of deviation angle，installation spacing decreases．The tubing nipple has simple structure and easy installation．It can reduce the friction and wear of tubing in the downhole operation，time and cost．And it can effectively avoid the wear and tear of cable between tubing and borehole wall to ensure the stability of the downhole testing．

cable protection；tubing nipple；structure design；distance analysis磁定位導向技術作為解決雙水平井、U型井等井眼軌跡測量和控制的核心技術，在國內外得到廣泛應用。其磁定位導向工具的測量探管是通過與油管連接，采用井口修井機下放至井內；而傳輸電纜則是由測井絞車控制［1-2］。但油管在起下過程中與套管內壁相互磨損嚴重，同時加大了摩擦阻力，延長了測量探管下放的時間。并且，由于傳輸電纜自由懸空在油管和套管之間，或纏繞油管上；而油管在起下過程中與套管內壁的摩擦以及電纜自身與套管的摩擦，易對電纜造成擠壓和磨損，導致電纜供電和數據傳輸發生異常，影響磁定位導向工具在井下測試的正常作業。因此，研發和設計結構簡單、操作方便快捷的油管減摩及電纜保護的輔助工具越來越受到人們的重視，不僅能夠節省大量的作業時間和成本，還能提高井眼軌跡測量的準確度。

TE931．2

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．010

1001-3482（2015）04-0039-05

2014-10-18

國家科技重大專項課題“復雜結構井優化設計與控制關鍵技術”（2011ZX05009-005）；國家自然科學基金創新研究群體項目（51221003）

張 勇（1990-），男，湖南長沙人，碩士研究生，主要從事油氣井力學與控制工程方向的研究，E-mail：zy＿1363＠163．com。