水平井完井管柱可下入性分析研究

李想 王華 張帆 周娟

摘要：隨著水平井技術的發展，水平井完井管柱的下入性問題及強度校核問題越來越受到人們的重視。本文通過對完井管柱下放過程的受力分析，根據擬合出的井身軌跡，建立了完井管柱二維“軟桿”，二維“剛桿”及三維“軟桿”三種摩阻預測分析數學模型，為方便計算分析，用VisualBasic語言編寫出了水平井完井管柱可下入性分析軟件，軟件還具有三維井眼軌跡繪制和管柱最大下入深度及摩阻計算功能。

關鍵詞：完井管柱;數學模型;軟件開發;

一.水平井完井管柱可下入性研究概述

水平井技術的出現是石油開采業發展的必然結果。80年代水平井鉆井技術的長足發展，為90年代世界范圍內的“水平井鉆井熱”奠定了技術基礎。由于水平井可大幅度提高勘探開發各類油氣藏的綜合經濟效益，改善了石油工業的經營狀況。因此，鉆水平井將成為開發各種類型油氣藏的最主要的技術手段之一。隨著水平井技術的發展，完井管柱的下入及強度問題引起了有關部門的高度重視。完井管柱在下入到彎曲井段以后，由于完井管柱剛度的存在而產生很大的彎矩，加之井眼軌跡是不規則的空間曲線，管柱在下入過程中會與井壁大面積接觸，這更增大了管柱與井壁之間的接觸壓力，使得完井管柱在下入過程中受到較大的摩擦阻力，為了保證在施工中完井管柱能夠順利下入井底，必須要對水平井的管柱摩阻力以及完井管柱在下入井底以后是否會發生強度破壞等一系列問題進行系統的研究。

二.水平井完井管柱可下入性技術分析

水平井完井管柱是由一根根套管和完井工具組成的，在井口通過螺紋連接依次下入井內的。下入過程中是靠管柱的自重做為動力，鉆機大鉤通過絞車懸吊著全部管柱緩慢送入，下入過程可近似看為一個勻速運動，因此受力分析時不考慮管柱的慣性負荷，同時由于下放速度較慢，在下入過程中可不考慮境內液體對完井管柱的摩擦阻力。完井管柱進入造斜段，管柱與裸眼井壁貼合產生摩阻。當摩阻力較大時，靠管柱自重難以繼續下入，故需要對完井管柱進行力學分析，保證完井管柱在滿足強度許可得條件下順利下入。而水平井井眼軌跡的復雜性決定了套管柱在下井過程中受力比較復雜。在水平井彎曲段，套管柱要隨井眼一起彎曲，除受到重力、浮力作用外，還有摩擦阻力、彎曲應力、接觸應力等附加力作用，且此附加力隨井眼軌跡的變化而不同，井眼曲率越大，曲率半徑越小，附加力越大。井眼彎曲時套管柱緊貼下井壁。進入水平段后套管柱會完全貼在下井壁上，此時，套管柱與地層的接觸段很長，地層對套管柱的摩擦阻力相當大，可能使下套管受阻;也可能因套管剛性很大使套管柱卡在井眼的彎曲段而無法下入。在大斜度井和水平井的完井設計和施工中都必須準確計算套管的摩阻力，這是因為：①改進井身剖面設計，使套管柱的下入阻力最小;②預測實鉆井眼中套管柱下入的可能性，便于選擇套管柱的下入方法;③準確計算套管柱的軸向載荷，以便進行套管柱強度設計與校核。套管柱能否順利通過水平井彎曲段，關系到水平井完井的成敗，分析套管柱的受力分布及其摩阻預測至關重要。

三.水平井完井管柱可下入性分析軟件實現的功能

水平井完井管柱可下入性分析軟件是在鉆井井眼軌跡數據的基礎上，對水平井完井管柱的下入性進行分析，采用建立的摩阻計算模型求出完井管柱在下入過程中的摩阻力，通過所受摩阻力與管柱自重的比較，判斷管柱是否可以順利下入。若不能順利下入，判斷出完井管柱最大的下入深度。同時應用本軟件還可對水平井中下入的完井管柱進行強度校核。軟件主要可以實現以下三方面的功能：

（1）井眼軌跡曲線示意圖的繪制

對已知井眼軌跡數據采用三次多項式插值方式進行數據擬合，然后對擬合后的數據進行分析處理，繪制井眼軌跡曲線。

（2）完井管柱可下入性分析

應用本軟件可以預先分析計算水平井完井管柱在下入過程中所受的摩阻力及軸向力，通過總的摩擦阻力與管柱自重的比較，判斷在該井身軌跡下完井管柱是否可以順利下入;如果不能順利下入至井底，計算該管柱可以下入的最大深度。

（3）完井管柱強度校核

完井管柱在下入過程中需要對其進行強度校核，通過分析研究管柱在下入過程中的受力情況，對完井管柱進行強度校核。從云圖可以直觀看出套管在下井過程中由彎曲應力、拉壓應力、接觸應力共同影響的應力狀態。分析數據得出，套管的應力狀態主要是由彎曲應力和拉壓應力共同影響的，接觸應力較小。通過下井深度可知，套管最大應力達到整個下井過程的最大值，套管下端截面軸線與井壁切線方向夾角較大，不利于套管下入因而產生較大的應力。同時可以求出對應于不同下井深度時，套管下入所需要的軸向力，以此可以判斷套管依靠自重的可下入性。套管每個位置所需軸向力均小于其自重，故在滿足套管應力要求的情況下，完全可以靠自重下入井中，并且通過觀測套管在下井過程中的運動軌跡，得出套管在下入的過程中往復與井壁上下兩側接觸，在此基礎上可對套管下井摩阻做深入分析。

四.結論

本文通過已開發的水平井完井管柱可下入性分析軟件分析該軟件的功能及意義，發現該軟件具有井眼軌跡曲線繪制、管柱下入過程中摩阻力的計算以及完井管柱強度校核等功能，能夠較為準確地對水平井管柱的可下入性進行判斷分析。當判斷出管柱不能順利下入至預定深度時，可以計算其最大下入深度以及此過程中管柱所受到的摩擦阻力。

參考文獻：

[1]陳紅偉，郝振憲，何漢坤等.水平井設計應用與展望[J].鉆采工藝，2004（5）：8-11