“上提下沖”下套管作業方法的力學分析*

宋執武，陳鵬舉，高德利，韓禮紅，王建東，馮 春

(1.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室 北京 102249；2.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

·試驗研究·

“上提下沖”下套管作業方法的力學分析*

宋執武1，陳鵬舉1，高德利1，韓禮紅2，王建東2，馮 春2

(1.中國石油大學石油工程教育部重點實驗室 北京 102249；2.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077)

針對在水平井固井工程中，現場經常采用的“上提下沖”下套管作業方法是否安全問題，用能量守恒原理，建立了“上提下沖”下套管作業方法的力學計算模型，并通過室內模擬實驗驗證了計算模型的準確性，應用這一計算模型通過實例計算出了下沖力的數值，經過與套管強度值的比較，得出了如下結論：這種下套管作業方法既可有效地克服水平井下套管阻力，又不會對套管產生難以接受的損傷，是一種可行的水平井下套管作業方法。

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，井眼約束復雜，摩阻大，在下套管時往往比較困難。有時候，當套管下入受阻時，司鉆先將套管上提至一定的高度，然后迅速下放套管，利用套管獲得的動能去克服過大的摩阻。一般這種下套管的方式在現場被通俗的稱為“上提下沖”下套管。實踐證明這種方式能夠把常規下不去的套管下入到井底。但這種方法對套管的傷害有多大，是否安全，研究的人還較少。本文主要計算套管在該操作中的受力特性，并進行相應的分析。

1 下入摩阻的分類和下放過程的兩個階段

1.1 下入摩阻的分類

套管在下入過程中，主要要克服兩類阻力：

1)摩擦摩阻

這類摩阻是由套管在與井壁接觸狀態下，套管的運動產生的摩擦阻力，其數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，摩擦系數的大小等有關。這類摩阻的特點是在下放時，大鉤載荷值逐漸減小。

2)緊點摩阻

由于鉆頭的振動和地層的各向異性等因素，導致實鉆井眼是不規則的，井壁上會有一些小突起，我們稱之為“緊點”，這些“緊點”會對套管柱上第一個扶正器施加阻力，阻礙扶正器通過，如圖1所示。當套管下落至“緊點”時，本文假設套管柱與緊點處不規則井壁發生碰撞，若能撞毀“緊點”，則套管能夠繼續前進。這一阻力實際是一種破壞力，就是將井壁上的小突起撞掉，所以其大小與井壁巖石的強度，及小突起的寬度和長度有關。

圖1 水平井下套管緊點摩阻示意圖

套管之所以下不去，應該是上面兩種阻力共同作用的結果。

1.2 “上提下沖”下套管作業方法下入過程的兩個階段

在應用”上提下沖”下套管作業方法時，套管先被提到一定的高度，然后加速下放，套管在下放過程中，應分為兩個階段：

1)加速階段

開始時，重力大于阻力，套管柱加速下滑，這時沒有緊點摩阻，只有摩擦摩阻。當套管運動到初始上提點時，速度達到最大值。

2)減速階段

過了初始上提點后，阻力大于重力，套管柱減速運動，直到其速度為零。用傳統方法下套管之所以在這一點下不去，應該是遇到緊點了，所以阻力是摩擦摩阻和緊點摩阻兩個阻力的和。如果過了緊點后，套管的下行速度還是很快，我們就得用剎車的方式讓套管停下來，否則吊卡就撞到轉盤上了。緊點阻力需要假設。

2 公式推導

根據圖2所示的井下管柱微元力學分析模型，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 井下管柱微元力學分析模型

為確定套管運動的加速度，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)式可求出過緊點后的速度v2。

加速度可用(11)式計算：

(11)

將推導的公式編寫成了計算軟件。

3 模擬實驗驗證

為了驗證以上計算公式的正確性，進行了室內模擬實驗分析。

3.1 實驗設備和材料

測斜數據見表1。

表1 實驗井眼軌跡測段數據

所用的模擬管柱為直徑10 mm和直徑為6 mm的鋼筋。具體數據見表2。

表2 實驗管柱數據(從底部開始)

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

3. 2 實驗結果和計算對比

通過頂部的滑輪，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表3和表4：

表3 阻力塊的質量為3.065 kg時上提下沖數據

表4 阻力塊的質量為4.760kg時上提下沖數據

用相同的數據，計算結果見表5和表6。

表5 阻力塊的質量為3.065 kg時軟件計算結果

表6 阻力塊的質量為4.760 kg時軟件計算結果

從以上實驗數據的計算結果可以看出，實驗數據和計算結果相差不超過5%，這就驗證了計算模型的正確性。

4 現場數據計算

4.1 計算參數：

井眼軌跡情況如圖3所示，套管數據見表7。

圖3 井眼軌跡垂直剖面圖

段長/m尺寸/mm壁厚/mm質量/(kg·m-1)抗拉強度/kN4412139.712.3438.633332

4.2 緊點摩阻分析

假設在4 000 m時,有一個小突起“緊點”,不同的上提高度能夠產生的沖擊力見表8(假設緊點寬度為5 cm，裸眼段摩擦系數為0.3，巖石抗剪切強度為100 MPa)。圖4為有650 kN 緊點阻力時的軸向力分布情況。

表8 對“緊點”的沖擊力

一般“緊點”長度不會超過10 cm，所以用下沖的方式可以將“緊點”沖掉。

圖4 有650 kN 緊點阻力時的軸向力分布

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

5 結 論

從實驗和計算結果可以看出，“上提下沖”下套管作業方法對水平井套管下入能力有很大的提高，特別是對“緊點”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。現場多口水平井，在使用常規方法下不去后，使用這種方法都下去了，也證明了本文結論的正確性。同時，這種方法對套管的沖擊載荷也不是很大，遠小于其強度極限值。因此，“上提下沖”下套管作業方法是一種既有效又安全的水平井下套管作業方法，可推廣應用。

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[3] 高德利.鉆柱力學若干基本問題的研究[J].石油大學學報(自然科學版),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分析新模型[J].天然氣工業,2006,26(11):77-79.

[5] 高德利.油氣井管柱力學與工程[M].東營:中國石油大學出版社,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 “lift 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.國家自然科學基金創新研究群體項目：復雜油氣井鉆井與完井基礎研究(批準號：51521063). 2.國家科技重大專項課題：復雜結構井、叢式井設計與控制新技術(合同號：2016ZX05009-003).

宋執武，男，1972年生，2003年獲中國石油大學(北京)工學博士學位，現主要從事井下管柱力學與控制工具研究。E-mail:364219521@qq.com

TE973

A

2096-0077(2016)06-0045-04

2016-07-05 編輯：馬小芳)