黃根爐, 李 偉, 倪紅堅(jiān), 孟祥偉, 于 凡, 王書超

(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國(guó)石油大學(xué)非常規(guī)油氣與新能源研究院,山東青島 266580)

提拉-釋放法套管下入機(jī)理

黃根爐1, 李 偉1, 倪紅堅(jiān)2, 孟祥偉1, 于 凡1, 王書超1

(1.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國(guó)石油大學(xué)非常規(guī)油氣與新能源研究院,山東青島 266580)

提拉-釋放法是鉆井現(xiàn)場(chǎng)下套管遇阻時(shí)最常用且易用的增加套管下入能力的方法,但其應(yīng)用主要是憑經(jīng)驗(yàn)操作,缺乏機(jī)理分析和必要的理論指導(dǎo)。根據(jù)提拉-釋放后一段水平井眼中套管柱的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和實(shí)際井眼中套管柱的運(yùn)動(dòng)機(jī)理本質(zhì)上相同這一認(rèn)識(shí),建立提拉-釋放法套管下入機(jī)理分析模型,闡明該方法的套管下入機(jī)理,以此為基礎(chǔ)研究套管長(zhǎng)度、摩阻系數(shù)、軸向壓力、無(wú)因次提拉力和管柱釋放方式等因素對(duì)套管下入能力的影響。結(jié)果表明:提拉-釋放法進(jìn)行套管下入是利用提拉-釋放過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力波減小摩阻,即使在原始軸向壓力小于總摩阻的情況下仍然可以推動(dòng)套管柱前進(jìn);套管長(zhǎng)度、摩阻系數(shù)與提拉-釋放法套管下入的單次軸向位移呈負(fù)相關(guān),軸向壓力、無(wú)因次提拉力與提拉-釋放法套管下入的單次軸向位移呈正相關(guān),快速釋放管柱時(shí)的單次軸向位移明顯更大。

套管下入; 提拉-釋放法; 摩阻; 應(yīng)力波; 影響因素

下套管作業(yè)是固井過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是整個(gè)鉆井過(guò)程中最容易出現(xiàn)問(wèn)題的環(huán)節(jié)之一,其問(wèn)題突出表現(xiàn)為井眼質(zhì)量不高或在位垂比較大的井中套管下不到井底。針對(duì)不同的原因,可以采取反復(fù)通井修整井眼[1]、漂浮下套管[2-3]、套管鉆井井口加壓[4]、套管鉆井[5]或提高鉆井液潤(rùn)滑性[6]等措施進(jìn)行解決。然而,這些措施的實(shí)施大都須使用新的裝置或顯著增加作業(yè)時(shí)間,造成鉆井成本上升,有些措施由于裝置的可靠性不高還會(huì)帶來(lái)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，因此在可能的情況下,會(huì)少采用或不采用這些措施。套管在少數(shù)井段遇阻或難以完全下到井底時(shí),可以利用在井口提拉-釋放套管柱產(chǎn)生的沖擊作用使其通過(guò)遇阻井段或下至井底。此外,在下套管特別困難的井中,即使采取了各種措施也不能使套管下至井底時(shí),可以配合使用提拉-釋放法增加套管成功下入的可能性。盡管提拉-釋放法在鉆井現(xiàn)場(chǎng)套管下入遇阻時(shí)會(huì)被普遍采用,但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用基本都是憑經(jīng)驗(yàn)操作,缺乏機(jī)理分析和必要的理論指導(dǎo)。針對(duì)這種情況,筆者對(duì)提拉-釋放法的套管下入機(jī)理進(jìn)行研究,分析摩阻系數(shù)、軸向壓力等因素對(duì)套管下入能力的影響,為現(xiàn)場(chǎng)更好地應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 提拉-釋放法套管下入機(jī)理分析模型的建立

要闡明提拉-釋放法套管下入的機(jī)理,須建立必要的理論模型。套管所在的實(shí)際井眼理論上是一條三維圓柱形井筒[7-8],管柱在井眼中的受力和變形較為復(fù)雜,導(dǎo)致套管下不到井底的根本原因是套管與井壁之間的正壓力和摩阻力過(guò)大而推動(dòng)管柱前進(jìn)的軸向力偏小[9-10]。提拉-釋放法產(chǎn)生的沖擊波在套管中的傳播打破了軸向上摩阻力和向前推動(dòng)力的平衡,使其向前移動(dòng)。顯然,軸向摩阻力、向前推動(dòng)力和沖擊力是機(jī)理分析的關(guān)鍵,研究提拉-釋放后一段水平井眼中套管柱的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和實(shí)際井眼中套管柱的運(yùn)動(dòng)機(jī)理在本質(zhì)上相同。為了聚焦所研究問(wèn)題的本質(zhì),對(duì)提拉-釋放后水平段單一套管柱進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

1.1 控制微分方程

如圖1(a)所示,假設(shè)有一段很長(zhǎng)的套管柱橫躺在水平段,忽略套管接頭的影響,且套管為單一尺寸,用參數(shù)s表示套管中不同位置,s=0表示水平段的跟部,s=L表示水平段的趾部。在水平方向上,套管柱跟部端受到軸向壓力F的作用,同時(shí)受到與其運(yùn)動(dòng)方向相反的沿程摩阻力和鉆井液阻尼的作用,套管柱上各微元在不同時(shí)刻偏離原始平衡位置(原始平衡位置是指套管柱所有軸向力均為0時(shí)的微元位置)的軸向位移可以用函數(shù)u(s,t)表示。由于該模型主要研究處于靜止?fàn)顟B(tài)的套管柱經(jīng)過(guò)提拉-釋放后的軸向運(yùn)動(dòng)情況,認(rèn)為套管柱在與軸向垂直的平面內(nèi)始終平衡,無(wú)任何運(yùn)動(dòng)。套管柱中任一微元在軸向的受力如圖1(b)所示。

圖1 套管柱及其微元的軸向受力Fig.1 Axial load of casing string and casing infinitesimal

圖1中,F為軸向壓力,N;f為沿程摩阻力和鉆井液阻尼的合力,N;u(s,t)為軸向位移,m;s為距套管柱跟部端的距離,m;t為時(shí)間,s;a為加速度,m/s2;A為管柱橫截面積,m2;E為管柱鋼材彈性模量,Pa;ds為微元管柱長(zhǎng)度,m;df為微元管柱摩阻力和鉆井液阻尼的合力,N。

在圖1(b)中,根據(jù)水平方向上微元受力的平衡條件可以得到套管柱的控制微分方程[11-13]為

(1)

(2)

式中,ρ為管柱鋼材密度,kg/m3;μ為摩阻系數(shù);qm為管柱線浮重,N/m;C為鉆井液作用在管柱上的阻尼系數(shù),(N·s)/m。

1.2 初始條件

提拉-釋放法下入套管時(shí),初始狀態(tài)為跟部端受到一個(gè)提拉力T,在提拉力影響范圍內(nèi)(提拉力應(yīng)不大于套管段的起鉆摩阻力,否則會(huì)起出套管,所以其影響范圍應(yīng)小于或等于套管段長(zhǎng)度),套管因拉伸而產(chǎn)生變形,其初始位移為

(3)

1.3 邊界條件

在套管柱下入過(guò)程中,套管柱跟部端受到軸向壓力F的作用,趾部端是自由端,跟部端和趾部端的邊界條件為

(4)

2 提拉-釋放法套管下入過(guò)程及機(jī)理分析

針對(duì)建立的提拉-釋放法套管下入機(jī)理分析模型,利用有限差分法[14-15]進(jìn)行求解并且編寫相應(yīng)計(jì)算程序,可以通過(guò)計(jì)算得到套管柱在提拉-釋放后的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程,由此可以進(jìn)一步分析提拉-釋放法套管下入機(jī)理。

以算例具體說(shuō)明其下入過(guò)程。算例的基本計(jì)算條件為:水平段套管長(zhǎng)4 000 m,單根套管長(zhǎng)度9 m,套管外徑139.7 mm,套管內(nèi)徑124.26 mm,套管線重248 N/m,鉆井液密度1 630 kg/m3,鉆井液阻尼系數(shù)0.01 (N·s)/m,摩阻系數(shù)0.30,套管材料的彈性模量201 GPa,軸向壓力230 kN。水平井眼長(zhǎng)度大于套管柱的長(zhǎng)度,可以滿足套管柱的軸向移動(dòng)而不被井底阻擋。顯然,軸向壓力小于套管柱總摩阻,套管柱不會(huì)移動(dòng)。在用220 kN的提拉力進(jìn)行提拉-釋放后,該套管柱的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖2所示。

由圖2(a)可知,在釋放提拉力瞬間(t=0 s),套管柱此前由于受到提拉力的作用,其作用范圍內(nèi)的套管柱軸向位移為負(fù)值并呈線性變化;超過(guò)其作用范圍,套管柱的軸向位移為零。在釋放后,套管柱產(chǎn)生的應(yīng)力行波從跟部端向趾部端傳播(t=0.4、0.7 s)。應(yīng)力行波未到達(dá)部分的套管柱軸向位移與釋放前相同;應(yīng)力行波經(jīng)過(guò)后,其獲得一個(gè)正向速度,并且位移不斷增大;當(dāng)應(yīng)力行波到達(dá)套管柱趾部端時(shí)會(huì)返回,從趾部端向跟部端繼續(xù)傳播(t=1 s)。應(yīng)力行波不斷地在兩端部之間來(lái)回傳播,并不斷衰減,直至行波消失、套管柱停止向前移動(dòng),如圖2(b)所示。

圖2 套管下入過(guò)程中不同時(shí)刻、不同位置 處的軸向位移Fig.2 Axial displacement of casing running process at different time and locations

圖3為套管柱跟部端、趾部端軸向位移隨時(shí)間的變化曲線。

圖3 套管柱跟部端、趾部端軸向位移隨 時(shí)間變化曲線Fig.3 Axial displacement of toe and heel of casing string changed with time

由圖3可知,套管柱跟部端最先開(kāi)始運(yùn)動(dòng),獲得一個(gè)初始速度,位移逐漸增大,但隨著時(shí)間的推移,增大的速度逐漸減小;當(dāng)應(yīng)力行波從套管柱跟部端傳播到趾部端時(shí)(t≈0.8 s),趾部端套管開(kāi)始運(yùn)動(dòng),隨著時(shí)間的推移,其位移逐漸增大,但增大的速度逐漸減小;當(dāng)應(yīng)力行波從套管柱趾部端再次傳播到跟部端并被反射回來(lái)后(t≈1.6 s),趾部端的速度再次增大,但增大后的總速度小于初始速度。應(yīng)力行波就是這樣沿著套管柱在跟部端和趾部端來(lái)回反射,表現(xiàn)為明顯的周期性,其周期即為應(yīng)力波從一端傳至另一端并從另一端返回所用的時(shí)間,兩端的相位正好相差半個(gè)周期。在一個(gè)周期內(nèi),盡管兩端的位移一直都在增大,但增大的速度逐漸減小,直至新的周期開(kāi)始獲得一個(gè)速度增量,然后再次逐漸衰減。每個(gè)新的周期相對(duì)前一個(gè)周期,其速度都在減小,如此循環(huán),隨著時(shí)間的延長(zhǎng),正向速度越來(lái)越小,但軸向位移仍在增大,直至正向速度衰減為0,套管柱停止向前移動(dòng)。

通過(guò)具體算例對(duì)套管下入過(guò)程的描述可以得出提拉-釋放法套管下入機(jī)理:提拉-釋放法套管下入是利用套管本身的彈性,在提拉過(guò)程中積聚彈性能,利用釋放過(guò)程將所積聚的彈性能轉(zhuǎn)換為應(yīng)力波,通過(guò)應(yīng)力波在套管中的傳播減小摩阻[16],即使原始軸向壓力小于總摩阻但仍然可以推動(dòng)套管柱前進(jìn)。由于應(yīng)力波的衰減受凈摩阻力(指套管柱總的摩阻力與跟部端軸向壓力的差值)影響較大,所以當(dāng)凈摩阻力較大時(shí)應(yīng)力波的能量衰減得越快,允許套管向前運(yùn)動(dòng)的時(shí)間越短,單次提拉-釋放后下入的深度越小。

3 提拉-釋放法套管下入影響因素

影響提拉-釋放法套管下入能力的因素[17-20]很多,主要有摩阻系數(shù)、水平段管柱長(zhǎng)度、跟部端軸向壓力、無(wú)因次提拉力、管柱釋放方式等。以算例井的計(jì)算條件為基礎(chǔ),研究上述參數(shù)的變化對(duì)套管下入能力的影響。由于進(jìn)行下套管作業(yè)時(shí)須接單根,因此進(jìn)行一次提拉-釋放法套管下入的軸向位移不能超過(guò)單根套管長(zhǎng)度,對(duì)于單次下入軸向位移超過(guò)套管長(zhǎng)度的情況,為繪圖考慮均按單根長(zhǎng)度9 m計(jì)算。同時(shí)，考慮到套管不同位置處的軸向位移不同，文中的軸向位移指套管跟部端的軸向位移。

3.1 摩阻系數(shù)

圖4為3種不同長(zhǎng)度套管在軸向壓力為180 kN時(shí)不同提拉力條件下套管軸向位移隨摩阻系數(shù)的變化曲線,其中提拉力為無(wú)因次量(TD),為套管總摩阻的倍數(shù)。由圖4可知,在相同軸向壓力下,3種不同長(zhǎng)度套管在不同提拉力條件下都表現(xiàn)為套管在井眼中的軸向位移隨摩阻系數(shù)增加而減小。對(duì)于長(zhǎng)度為7 000 m的套管,無(wú)因次提拉力較小且摩阻系數(shù)較大時(shí)出現(xiàn)了軸向位移為負(fù)值的情況。這是由于初始的提拉導(dǎo)致套管產(chǎn)生負(fù)位移,但由于提拉力較小,釋放產(chǎn)生的應(yīng)力波不足以克服摩阻,應(yīng)力波無(wú)法在套管內(nèi)傳播,使套管內(nèi)的負(fù)向位移被保存下來(lái)。

圖4 摩阻系數(shù)對(duì)不同長(zhǎng)度套管軸向位移的影響Fig.4 Effect of friction coefficients on axial displacement of casing with different length

3.2 軸向壓力

圖5為3種不同長(zhǎng)度套管在摩阻系數(shù)為0.30時(shí)不同提拉力條件下套管軸向位移隨軸向壓力的變化曲線,其中提拉力為無(wú)因次量,為套管總摩阻的倍數(shù)。由圖5可知,在相同摩阻系數(shù)下,3種不同長(zhǎng)度套管在不同提拉力條件下均表現(xiàn)為套管在井眼中的軸向位移隨軸向壓力的增加而增大。但當(dāng)套管跟部端軸向壓力較小時(shí)套管中出現(xiàn)了負(fù)向位移,且管柱長(zhǎng)度越長(zhǎng),相同軸向壓力下的負(fù)向位移越大。現(xiàn)場(chǎng)操作中在不造成管柱屈曲的情況下增大管柱軸向壓力可以增大提拉-釋放法套管下入的能力。

3.3 套管長(zhǎng)度與無(wú)因次提拉力

由圖4可知,在摩阻系數(shù)和無(wú)因次提拉力取不同值時(shí),套管在井眼中的軸向位移均隨套管長(zhǎng)度的增大而減小。由圖5可知,在一定情況下,摩阻系數(shù)和套管長(zhǎng)度取不同值時(shí),套管在井眼中的軸向位移均隨無(wú)因次提拉力的增大而增大。摩阻過(guò)大或軸向壓力過(guò)小時(shí),提拉并釋放套管柱產(chǎn)生的應(yīng)力波可能不足以克服摩阻,用較小提拉力對(duì)套管柱進(jìn)行提拉-釋放并沒(méi)有顯著效果,相反還可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)向位移。現(xiàn)場(chǎng)操作中在不起出套管的前提下增大提拉力可增大提拉-釋放法套管下入的能力;但如果摩阻極大或套管允許的軸向壓力過(guò)小時(shí)對(duì)套管進(jìn)行提拉-釋放并沒(méi)有顯著效果,此時(shí)不建議現(xiàn)場(chǎng)施工采取此方法。

圖5 軸向壓力對(duì)不同長(zhǎng)度套管軸向位移的影響Fig.5 Effect of axial pressure on axial displacement of casing with different length

3.4 管柱釋放方式

現(xiàn)場(chǎng)操作中,在釋放套管時(shí)可以直接快速釋放,也可以使用絞車剎車慢放,兩種釋放方式下單次使用提拉-釋放法進(jìn)行套管下入的軸向位移如圖6所示,其中管柱長(zhǎng)度為5 000 m,提拉力為管柱總摩阻的9/10。相同條件下,快速釋放管柱時(shí)的軸向位移明顯高于剎車慢放,所以現(xiàn)場(chǎng)操作中在進(jìn)行提拉-釋放法套管下入時(shí)為了獲得更好的套管下入能力應(yīng)該盡量快速釋放套管。

圖6 不同管柱釋放方式對(duì)套管軸向位移的影響Fig.6 Effect of different release ways on axial displacement

4 結(jié) 論

(1)提拉-釋放后一段水平井眼中套管柱的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和實(shí)際井眼中套管柱的運(yùn)動(dòng)機(jī)理在本質(zhì)上相同,基于這一認(rèn)識(shí),建立了提拉-釋放法套管下入機(jī)理分析模型。

(2)利用提拉過(guò)程中套管柱內(nèi)積聚的彈性能,通過(guò)釋放將其轉(zhuǎn)換為應(yīng)力波,并通過(guò)應(yīng)力波在套管中的傳播減小摩阻,即使原始軸向壓力小于總摩阻仍然可以推動(dòng)套管柱前進(jìn)。

(3)套管長(zhǎng)度、摩阻系數(shù)與提拉-釋放法套管下入的單次軸向位移呈負(fù)相關(guān),在一定情況下,軸向壓力、無(wú)因次提拉力與軸向位移呈正相關(guān),快速釋放套管時(shí)軸向位移明顯更大。現(xiàn)場(chǎng)操作中,在不造成管柱屈曲的情況下增大管柱軸向壓力、在不起出套管的前提下增大提拉力和盡量快速釋放套管,均可增大提拉-釋放法套管下入的能力;但如果摩阻極大或套管允許的軸向壓力過(guò)小時(shí)對(duì)套管進(jìn)行提拉-釋放并沒(méi)有顯著效果,此時(shí)不建議現(xiàn)場(chǎng)施工采取此方法。

(4)建立的提拉-釋放法套管下入機(jī)理分析模型主要是用以進(jìn)行理論研究,并未考慮實(shí)際井眼中井眼軌跡、鉆具組合、管柱屈曲、井身質(zhì)量等因素的影響,實(shí)際井眼中提拉-釋放法套管下入預(yù)測(cè)模型的建立有待進(jìn)一步研究。

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(編輯 李志芬)

Mechanism analysis of pull-up and quick release technique during casing running process

HUANG Genlu1, LI Wei1, NI Hongjian2, MENG Xiangwei1, YU Fan1, WANG Shuchao1

(1.SchoolofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.InstituteofUnconventionalHydrocarbonandNewEnergySourcesinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

In order to solve a suck-up problem during casing running process in well completion, the most frequently used and accessible method is the pull-up and then quick release technique. However, its application is mainly based on experience, and lack of mechanism analysis and theoretical guidance. In essence, the motion of the casing string in a section of horizontal well after a pull-up and then quick release is similar to that in an actual wellbore, and thus an analysis model for the mechanism of casing running during the pull-up then release process was established, and corresponding programs were coded. The influences of many factors on the trip-in ability of the casing have been analyzed, including the casing length, friction coefficient, axial pressure, dimensionless tensile force and different release ways. The results indicate that casing running during the pull-up and then release can make use of the stress wave produced in the process to reduce friction, which can push the casing to move forward even though the original axial compression force is less than the total friction. The length of the casing and the friction coefficient are negatively correlated to the axial movement of the casing, while the axial pressure and dimensionless tensile force are positively correlated to the axial displacement during the pull-up and then release process. Meanwhile, the axial movement of the casing in a rapid release process is much larger than that in a slow release process.

casing running; pull-up and then release method; friction; stress wave; influence factors

2016-09-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274234)

黃根爐(1971-),男,副教授,博士,研究方向?yàn)橛蜌饩苤W(xué)、定向井優(yōu)化設(shè)計(jì)及井眼軌跡控制。E-mail: hgenlu@upc.edu.cn。

1673-5005(2017)04-0085-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.04.011

TE 21

A

黃根爐,李偉,倪紅堅(jiān),等. 提拉-釋放法套管下入機(jī)理 [J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,41(4):85-90.

HUANG Genlu, LI Wei, NI Hongjian, et al. Mechanism analysis of pull-up and quick release technique during casing running process[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2017,41(4):85-90.