大位移井摩阻計算研究

崔永林魯洪清嚴楊

（1.渤海鉆探塔里木石油勘探開發指揮部第四勘探公司，新疆 庫爾勒 841000；2.長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100）

大位移井摩阻計算研究

崔永林1魯洪清2嚴楊2

（1.渤海鉆探塔里木石油勘探開發指揮部第四勘探公司，新疆 庫爾勒 841000；2.長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100）

在大位移井中，套管能否順利下入是所面臨的技術難題之一。本文采用套管柱軟繩修正模型，建立三維空間套管柱摩擦阻力計算模型。在考慮水平段添加扶正器產生的支反力的基礎上，將套管柱分成微小單元段進行迭代求解，并編寫相應的計算程序。該程序可以計算出套管在下入過程中各測點井深處考慮摩擦阻力的大鉤載荷，預測套管在所設計的軌道中能否順利下入。

大位移井；下套管；摩阻

1 大位移井下套管摩擦阻力計算

圖1 空間坐標系

根據微分的幾何關系可以得出：

方向的未知量n方向的未知量

2 套管柱軟繩修正模型

為了便于計算及力學模型的建立，將所研究的空間三維單元井段簡化為空間斜平面內的一小段圓弧。對三維井身曲面特性的分析，可將套管的空間彎曲分解到兩個平面上來研究：一個是H平面即井斜平面；另一個是V平面，過曲線AB且與H平面垂直的平面即狗腿平面V。任取空間單元段Li(記為AB，其中A為上端點i-1，B為下端點i)為研究微元段，進行力學分析。

圖2 管柱受力的三維圖

圖中：a1=γ，a2=；a1為n向量指向的角，a2為Ti與t的夾角。

將該微元段管柱所受的壓力Ni分解為狗腿平面V上的合側壓力Niv(沿著主法線)和井斜平面H上的側壓力Nih(沿著副法線)，于是就會有Ni2=Niv2+Nih2；于是，管柱受到井壁所產生的摩擦力Fi=（Fiv2+Fih2）0.5=μ（Niv2+Nih2）0.5。

由受力分解可以得到，Nih是管柱的浮重Gi對井壁產生的壓力。將浮重在三維圖中進行分解，V平面上的分力為GV、H平面上的GH和井眼軸線切線方向Gt。浮重Gi分解如下：

γgn為重力方向與主法線的夾角；cosγgn=nD；

γgm為重力方向與副法線的夾角；cosγgm=mD；

γgt為重力方向與井眼切線的夾角；cosγgt=tD。

2.1 井斜平面受力分析

由于副法線方向上只受重力方向的分量GH和井壁對管柱的側面支持力Nih，故由受力平衡有：Nih=|GH|。(6)

2.2 狗腿V平面受力分析

如圖所示，A、B為兩個扶正器，將扶正器和相鄰扶正器間的套管段作為研究對象。考慮到下套管時的情形，此時第i個扶正器上的力有：井壁對扶正器的支反力Niv，與運動方向相反的摩擦力阻力Fiv以及軸力Ti、Ti-1。AB段中套管柱沿井眼軌跡方向的浮重Gt。（兩個扶正器之間只有一段套管柱）

圖3 安裝扶正器的受力簡圖

(7)式化簡可得：

又由于，結合(6)式得出總摩擦力Fi：

μ為摩擦系數，取0.2～0.3；Ti為B點的拉力；Ti-1為A點的拉力；Niv′為單元管柱內外的額外正應力；γ為A、B間的狗腿角。

3 理想直井計算分析

假設井深3 270米，套管外徑127mm(5寸)，內徑108mm，套管線重量338.4N/m，井眼尺寸165mm，完井液密度為1.3g/cm3，取鋼材密度為7.8g/cm3用程序計算出下套管過程中的大鉤負荷，然后與理論計算式計算的數值進行比較。理論計算式為：

式中，T為大鉤負荷(kN)，q為套管線重量(kN/m)，ρs為鉆井液密度(g/cm3)。

圖4 程序計算圖

從圖中可以看出，程序計算結果為906kN，理論計算結果為922kN。誤差為1.7%。理論值大于程序計算結果，說明套管柱在下入的過程中或多或少會與井壁產生軸向摩擦使大勾載荷減小。

4 結論及建議

本文對大位移井下套計算摩阻問題進行了研究，在進行了國內外套管計算摩阻的模型的基礎上提出了摩阻計算模型的修正方法。通過對以上理論修正模型公式的推導和程序對測點參數的分析等工作，我們主要得到以下幾點結論：

4.1 考慮到在大斜度井段因套管重力與井壁緊密結合不利于固井的情況，本文采用加扶正器的方法，并對大斜度段的摩阻進行了計算。

4.2 在下套管時，兩個扶正器間只加一段套管柱，使計算結果更加精確；但是按照這樣下入套管會大大增加套管柱的剛性。在狗腿角嚴重的部分井段建議在兩扶正器間多加1到2段套管，使套管柱能順利下入。

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崔永林（1981.2—），現為長江大學石油工程學院在職研究生，在塔里木油田從事鉆井技術管理工作。

TE22

A

1003-5168(2014)03-0025-02