“上提下沖”下套管作業(yè)方法的力學(xué)分析*

宋執(zhí)武，陳鵬舉，高德利，韓禮紅，王建東，馮 春

(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249；2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

·試驗(yàn)研究·

“上提下沖”下套管作業(yè)方法的力學(xué)分析*

宋執(zhí)武1，陳鵬舉1，高德利1，韓禮紅2，王建東2，馮 春2

(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249；2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

針對(duì)在水平井固井工程中，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常采用的“上提下沖”下套管作業(yè)方法是否安全問(wèn)題，用能量守恒原理，建立了“上提下沖”下套管作業(yè)方法的力學(xué)計(jì)算模型，并通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，應(yīng)用這一計(jì)算模型通過(guò)實(shí)例計(jì)算出了下沖力的數(shù)值，經(jīng)過(guò)與套管強(qiáng)度值的比較，得出了如下結(jié)論：這種下套管作業(yè)方法既可有效地克服水平井下套管阻力，又不會(huì)對(duì)套管產(chǎn)生難以接受的損傷，是一種可行的水平井下套管作業(yè)方法。

上提下沖；摩阻/扭矩；水平井；能量守恒原理

0 引 言

由于水平井、大位移井井眼軌跡長(zhǎng)，井眼約束復(fù)雜，摩阻大，在下套管時(shí)往往比較困難。有時(shí)候，當(dāng)套管下入受阻時(shí)，司鉆先將套管上提至一定的高度，然后迅速下放套管，利用套管獲得的動(dòng)能去克服過(guò)大的摩阻。一般這種下套管的方式在現(xiàn)場(chǎng)被通俗的稱(chēng)為“上提下沖”下套管。實(shí)踐證明這種方式能夠把常規(guī)下不去的套管下入到井底。但這種方法對(duì)套管的傷害有多大，是否安全，研究的人還較少。本文主要計(jì)算套管在該操作中的受力特性，并進(jìn)行相應(yīng)的分析。

1 下入摩阻的分類(lèi)和下放過(guò)程的兩個(gè)階段

1.1 下入摩阻的分類(lèi)

套管在下入過(guò)程中，主要要克服兩類(lèi)阻力：

1)摩擦摩阻

這類(lèi)摩阻是由套管在與井壁接觸狀態(tài)下，套管的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦阻力，其數(shù)值的大小與套管和井壁間的接觸力成正比，所以與套管的重量，井眼井斜角的大小及狗腿度大小，摩擦系數(shù)的大小等有關(guān)。這類(lèi)摩阻的特點(diǎn)是在下放時(shí)，大鉤載荷值逐漸減小。

2)緊點(diǎn)摩阻

由于鉆頭的振動(dòng)和地層的各向異性等因素，導(dǎo)致實(shí)鉆井眼是不規(guī)則的，井壁上會(huì)有一些小突起，我們稱(chēng)之為“緊點(diǎn)”，這些“緊點(diǎn)”會(huì)對(duì)套管柱上第一個(gè)扶正器施加阻力，阻礙扶正器通過(guò)，如圖1所示。當(dāng)套管下落至“緊點(diǎn)”時(shí)，本文假設(shè)套管柱與緊點(diǎn)處不規(guī)則井壁發(fā)生碰撞，若能撞毀“緊點(diǎn)”，則套管能夠繼續(xù)前進(jìn)。這一阻力實(shí)際是一種破壞力，就是將井壁上的小突起撞掉，所以其大小與井壁巖石的強(qiáng)度，及小突起的寬度和長(zhǎng)度有關(guān)。

圖1 水平井下套管緊點(diǎn)摩阻示意圖

套管之所以下不去，應(yīng)該是上面兩種阻力共同作用的結(jié)果。

1.2 “上提下沖”下套管作業(yè)方法下入過(guò)程的兩個(gè)階段

在應(yīng)用”上提下沖”下套管作業(yè)方法時(shí)，套管先被提到一定的高度，然后加速下放，套管在下放過(guò)程中，應(yīng)分為兩個(gè)階段：

1)加速階段

開(kāi)始時(shí)，重力大于阻力，套管柱加速下滑，這時(shí)沒(méi)有緊點(diǎn)摩阻，只有摩擦摩阻。當(dāng)套管運(yùn)動(dòng)到初始上提點(diǎn)時(shí)，速度達(dá)到最大值。

2)減速階段

過(guò)了初始上提點(diǎn)后，阻力大于重力，套管柱減速運(yùn)動(dòng)，直到其速度為零。用傳統(tǒng)方法下套管之所以在這一點(diǎn)下不去，應(yīng)該是遇到緊點(diǎn)了，所以阻力是摩擦摩阻和緊點(diǎn)摩阻兩個(gè)阻力的和。如果過(guò)了緊點(diǎn)后，套管的下行速度還是很快，我們就得用剎車(chē)的方式讓套管停下來(lái)，否則吊卡就撞到轉(zhuǎn)盤(pán)上了。緊點(diǎn)阻力需要假設(shè)。

2 公式推導(dǎo)

根據(jù)圖2所示的井下管柱微元力學(xué)分析模型，在考慮了加速度因素后，井下管柱微元的平衡方程如(1)式至(8)式所示：

Fndp=-(T1+T2)sin(θ/2)-Lsqn3+Lsqan

(1)

Fnp=-Lsqm3

(2)

FE=11.3×106EIK3

(3)

(4)

(5)

an=v2K

(6)

qom=q+Aiρi

(7)

q=10-3(q0+Aiρi-A0ρ0)g

(8)

圖2 井下管柱微元力學(xué)分析模型

為確定套管運(yùn)動(dòng)的加速度，需額外引入能量守恒方程。

1)在加速段

WGu=WGL+WE1+WQ1

(9)

式中：

利用(9)式可求出加速段的末速度v1。

2)在緊點(diǎn)段

WGu+WE1=WGL+WE2+WQ2+WF

(10)

式中：

WF=F×b

F=σ×c×b

利用(10)式可求出過(guò)緊點(diǎn)后的速度v2。

加速度可用(11)式計(jì)算：

(11)

將推導(dǎo)的公式編寫(xiě)成了計(jì)算軟件。

3 模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上計(jì)算公式的正確性，進(jìn)行了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

測(cè)斜數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)井眼軌跡測(cè)段數(shù)據(jù)

所用的模擬管柱為直徑10 mm和直徑為6 mm的鋼筋。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)管柱數(shù)據(jù)(從底部開(kāi)始)

下部阻力塊的重量為3.065 kg(摩擦系數(shù)約為0.39，阻力為1.2 kg)和4.760 kg(摩擦系數(shù)約為0.39，阻力為1.9kg)。

3. 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算對(duì)比

通過(guò)頂部的滑輪，將管柱提起不同的高度，然后讓管柱自由下落。上提的高度和阻力塊被沖出的距離見(jiàn)表3和表4：

表3 阻力塊的質(zhì)量為3.065 kg時(shí)上提下沖數(shù)據(jù)

表4 阻力塊的質(zhì)量為4.760kg時(shí)上提下沖數(shù)據(jù)

用相同的數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

表5 阻力塊的質(zhì)量為3.065 kg時(shí)軟件計(jì)算結(jié)果

表6 阻力塊的質(zhì)量為4.760 kg時(shí)軟件計(jì)算結(jié)果

從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果相差不超過(guò)5%，這就驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性。

4 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算

4.1 計(jì)算參數(shù)：

井眼軌跡情況如圖3所示，套管數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

圖3 井眼軌跡垂直剖面圖

段長(zhǎng)/m尺寸/mm壁厚/mm質(zhì)量/(kg·m-1)抗拉強(qiáng)度/kN4412139.712.3438.633332

4.2 緊點(diǎn)摩阻分析

假設(shè)在4 000 m時(shí),有一個(gè)小突起“緊點(diǎn)”,不同的上提高度能夠產(chǎn)生的沖擊力見(jiàn)表8(假設(shè)緊點(diǎn)寬度為5 cm，裸眼段摩擦系數(shù)為0.3，巖石抗剪切強(qiáng)度為100 MPa)。圖4為有650 kN 緊點(diǎn)阻力時(shí)的軸向力分布情況。

表8 對(duì)“緊點(diǎn)”的沖擊力

一般“緊點(diǎn)”長(zhǎng)度不會(huì)超過(guò)10 cm，所以用下沖的方式可以將“緊點(diǎn)”沖掉。

圖4 有650 kN 緊點(diǎn)阻力時(shí)的軸向力分布

從圖4 可以看出，套管上最大軸向受壓載荷只有758kN，遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度值(3332kN)，所以套管是安全的。

5 結(jié) 論

從實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果可以看出，“上提下沖”下套管作業(yè)方法對(duì)水平井套管下入能力有很大的提高，特別是對(duì)“緊點(diǎn)”摩阻，可以有效地刮掉井壁上的小突起，使套管順利下到井底。現(xiàn)場(chǎng)多口水平井，在使用常規(guī)方法下不去后，使用這種方法都下去了，也證明了本文結(jié)論的正確性。同時(shí)，這種方法對(duì)套管的沖擊載荷也不是很大，遠(yuǎn)小于其強(qiáng)度極限值。因此，“上提下沖”下套管作業(yè)方法是一種既有效又安全的水平井下套管作業(yè)方法，可推廣應(yīng)用。

[1] JOHANCSIK C A, FRIESEN D B, DAWSON R. Torque and Drag in Directional Wells-Prediction and Measurement[J]. SPE Journal of Petroleum Technology, 1984, 36(6): 987-992 (SPE 11380).

[2] WU J, JUVKAM-WOLD H C. Drag and torque calculations for horizontal wells simplified for field use[J]. Oil and Gas Journal (Apr 29), 1991, 89(17): 49-56.

[3] 高德利.鉆柱力學(xué)若干基本問(wèn)題的研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1995,19(1):24-35.

[4] 秦永和,付勝利,高德利.大位移井摩阻扭矩力學(xué)分析新模型[J].天然氣工業(yè),2006,26(11):77-79.

[5] 高德利.油氣井管柱力學(xué)與工程[M].東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版社,2006.

Mechanics Analysis of “Lift and Free Fall” Casing Running Method

SONG Zhiwu1, CHEN Pengju1, GAO Deli1, HAN Lihong2, WANG Jiandong2, FENG Chun2

(1.MOEKeyLaboratoryofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China；2.CNPCTubularGoodsResearchInstitute，Xi′an,Shaanxi710077,China)

“Lift and free fall” casing running method was often used in the horizontal well cementing engineering，but whether this method is safety or not was not answered yet. Based on the principle of conservation of energy, the mechanics models of “l(fā)ift and free fall” casing running method was established, and indoor simulation experiment was carried out which proved this models was correct. Using this mechanics models , the maximum impulsive force was calculated according to the real casing data on site, comparing with the casing strength value, the following conclusions were drawn: this casing running method not only can effectively overcome the casing running resistance, but also won't produce unacceptable damage to casing. It is a kind of feasible casing running method.

lift and free fall； torque/drag; horizontal well; principle of conservation of energy

1.國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目：復(fù)雜油氣井鉆井與完井基礎(chǔ)研究(批準(zhǔn)號(hào)：51521063). 2.國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題：復(fù)雜結(jié)構(gòu)井、叢式井設(shè)計(jì)與控制新技術(shù)(合同號(hào)：2016ZX05009-003).

宋執(zhí)武，男，1972年生，2003年獲中國(guó)石油大學(xué)(北京)工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事井下管柱力學(xué)與控制工具研究。E-mail:364219521@qq.com

TE973

A

2096-0077(2016)06-0045-04

2016-07-05 編輯：馬小芳)