復雜結構水平井管柱與井眼相容性分析

李俊勝，張志剛，王輝東，姜朝民

（西部鉆探定向井技術服務公司，新疆烏魯木齊830026）

在三維繞障水平井中，管柱通過彎曲井段并順利下入受摩阻、井眼曲率、井眼尺寸、管柱尺寸以及管柱自身特性等較多因素的影響，對于井眼曲率較大的井，管柱下入要克服摩阻，還要保證管柱能夠通過的最大井眼曲率要大于實鉆井眼曲率。同時，為了保證固井質(zhì)量，需要安裝扶正器，這在增加管柱居中度，提高固井質(zhì)量的同時，也增加了完井管柱的剛性，影響管柱的下入。

1 井眼曲率計算

井眼曲率是一個用于描述井眼軌跡上任意點的臨近的彎曲程度的關于井深的函數(shù)，通常空間井眼曲率不是常數(shù)，因此，一般使用平均井眼曲率表示，計算公式如下：

式中：K——測量井段平均井眼曲率（°）/30m；

γ ——對應的狗腿度，（°）。

平均井眼曲率單位換算成（°）/30m，則計算公式為：

2 管柱可通過的最大井眼曲率

當某井段的井眼曲率較大，管柱通過該井段時可能會因為不能順利通過而發(fā)生彎曲而受損，甚至發(fā)生破壞，因此，在這種情況下需要判斷管柱在最大井眼曲率處的可通過性。

根據(jù)管柱自身參數(shù)，考慮安全系數(shù)和螺紋應力集

式中：Cm——允許套管通過的最大井眼曲率，（°）/30m；

σs——管柱屈服強度，MPa；

D0——管柱外徑，mm；

K1——安全系數(shù)；

K2——螺紋應力集中系數(shù)。

在管柱實際下入過程中，管柱在彎曲井段的通過性會受到軸向力的影響，管柱可通過的最大井眼曲率問題，就是管柱可承受最大彎曲應力的問題，顯然在不同的軸向應力條件下，管柱可承受的最大彎曲應力也將不同，軸向應力越大，則可承受的最大彎曲應力將越小，在考慮軸向力的情況下計算允許管柱通過的最大井眼曲率公式為：中系數(shù)，在不考慮軸向力的計算允許管柱通過的最大井眼曲率的公式為：

式中：Cmp——考慮軸向力求得管柱可通過的最大井眼曲率，（°）/30m；

Pj——管柱螺紋連接抗拉強度；

Pe——有效軸向力，kN；

D0——管柱外徑，cm；

A——管柱橫截面積,cm2；

K——系數(shù)。

因此，要計算考慮軸向力的管柱可通過的最大井眼曲率，必須計算出有效軸向力，綜上所述：可以得出用于判斷管柱是否能夠安全通過彎曲井段的公式為：

在水平井井眼曲率較高的井段，必須對管柱允許通過的最大井眼曲率進行計算，而且管柱允許通過的最大井眼曲率應大于實際井眼曲率，否則應重新校核。

為了保證固井質(zhì)量，往往會在管柱上安裝扶正器，管柱的受力也會發(fā)生變化，其最大井眼曲率公式為：

式中：Cmf——安裝扶正器后管柱允許通過的最大井眼曲率，（°）/30m；

Df——扶正器外徑，mm；

K3——扶正器影響系數(shù)。

3 HW6131井完井管柱與井眼相容性分析

3.1 基礎數(shù)據(jù)

3.1.1 井身結構

HW6131井井身結構數(shù)據(jù)見表1。

表1 HW6131井井身結構數(shù)據(jù)

3.1.2 井眼軌跡

HW6131井井眼軌跡數(shù)據(jù)見表2。

3.1.3 井徑

表2 HW6131井井眼軌跡數(shù)據(jù)

HW6131井實鉆井徑見圖1。

圖1 HW6131井實鉆井徑圖

3.2 井眼曲率計算

3.2.1 設計套管可以通過的井眼曲率分析

HW6131井設計套管可以通過的井眼曲率分析結論見表3和圖2。

圖2 設計套管可以通過的井眼曲率圖形

3.2.2 實鉆套管可以通過的井眼曲率分析

HW6131實鉆套管可以通過的井眼曲率分析結論見表4和圖3。

套管可以通過的井眼曲率計算結果設計軌道最大狗腿度6.5°/30m，實鉆軌跡最大狗腿度8.57°/30m，均小于套管可以通過的最大狗腿度。

表3 設計套管可以通過的井眼曲率

表4 實鉆套管可以通過的井眼曲率

圖3 HW6131實鉆套管可以通過的井眼曲率圖形

4 結論

（1）三維繞障水平井設計過程中必須要做好管柱與井眼相容性分析，根據(jù)分析結果優(yōu)化設計完井管柱結構和下套管固井工藝。

（2）完鉆后根據(jù)實鉆數(shù)據(jù)和完井管柱結構進行管柱下入分析，滿足管柱下入條件后再進行下一步作業(yè)。

（3）在軌跡控制過程中做好待鉆井眼的軌跡預測工作，確保井眼曲率小于完井管柱最大允許通過井眼曲率。