李想 王華 張帆 周娟

摘要：隨著水平井技術(shù)的發(fā)展，水平井完井管柱的下入性問題及強(qiáng)度校核問題越來越受到人們的重視。本文通過對(duì)完井管柱下放過程的受力分析，根據(jù)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(yù)測(cè)分析數(shù)學(xué)模型，為方便計(jì)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(jì)算功能。

關(guān)鍵詞：完井管柱;數(shù)學(xué)模型;軟件開發(fā);

一.水平井完井管柱可下入性研究概述

水平井技術(shù)的出現(xiàn)是石油開采業(yè)發(fā)展的必然結(jié)果。80年代水平井鉆井技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，為90年代世界范圍內(nèi)的“水平井鉆井熱”奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。由于水平井可大幅度提高勘探開發(fā)各類油氣藏的綜合經(jīng)濟(jì)效益，改善了石油工業(yè)的經(jīng)營(yíng)狀況。因此，鉆水平井將成為開發(fā)各種類型油氣藏的最主要的技術(shù)手段之一。隨著水平井技術(shù)的發(fā)展，完井管柱的下入及強(qiáng)度問題引起了有關(guān)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(chǎn)生很大的彎矩，加之井眼軌跡是不規(guī)則的空間曲線，管柱在下入過程中會(huì)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(duì)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(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞等一系列問題進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

二.水平井完井管柱可下入性技術(shù)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(nèi)的。下入過程中是靠管柱的自重做為動(dòng)力，鉆機(jī)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(gè)勻速運(yùn)動(dòng)，因此受力分析時(shí)不考慮管柱的慣性負(fù)荷，同時(shí)由于下放速度較慢，在下入過程中可不考慮境內(nèi)液體對(duì)完井管柱的摩擦阻力。完井管柱進(jìn)入造斜段，管柱與裸眼井壁貼合產(chǎn)生摩阻。當(dāng)摩阻力較大時(shí)，靠管柱自重難以繼續(xù)下入，故需要對(duì)完井管柱進(jìn)行力學(xué)分析，保證完井管柱在滿足強(qiáng)度許可得條件下順利下入。而水平井井眼軌跡的復(fù)雜性決定了套管柱在下井過程中受力比較復(fù)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(yīng)力、接觸應(yīng)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(shí)套管柱緊貼下井壁。進(jìn)入水平段后套管柱會(huì)完全貼在下井壁上，此時(shí)，套管柱與地層的接觸段很長(zhǎng)，地層對(duì)套管柱的摩擦阻力相當(dāng)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(shè)計(jì)和施工中都必須準(zhǔn)確計(jì)算套管的摩阻力，這是因?yàn)椋孩俑倪M(jìn)井身剖面設(shè)計(jì)，使套管柱的下入阻力最小;②預(yù)測(cè)實(shí)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(zhǔn)確計(jì)算套管柱的軸向載荷，以便進(jìn)行套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)與校核。套管柱能否順利通過水平井彎曲段，關(guān)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(yù)測(cè)至關(guān)重要。

三.水平井完井管柱可下入性分析軟件實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)水平井完井管柱的下入性進(jìn)行分析，采用建立的摩阻計(jì)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(shí)應(yīng)用本軟件還可對(duì)水平井中下入的完井管柱進(jìn)行強(qiáng)度校核。軟件主要可以實(shí)現(xiàn)以下三方面的功能：

（1）井眼軌跡曲線示意圖的繪制

對(duì)已知井眼軌跡數(shù)據(jù)采用三次多項(xiàng)式插值方式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，然后對(duì)擬合后的數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)用本軟件可以預(yù)先分析計(jì)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(jì)算該管柱可以下入的最大深度。

（3）完井管柱強(qiáng)度校核

完井管柱在下入過程中需要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核，通過分析研究管柱在下入過程中的受力情況，對(duì)完井管柱進(jìn)行強(qiáng)度校核。從云圖可以直觀看出套管在下井過程中由彎曲應(yīng)力、拉壓應(yīng)力、接觸應(yīng)力共同影響的應(yīng)力狀態(tài)。分析數(shù)據(jù)得出，套管的應(yīng)力狀態(tài)主要是由彎曲應(yīng)力和拉壓應(yīng)力共同影響的，接觸應(yīng)力較小。通過下井深度可知，套管最大應(yīng)力達(dá)到整個(gè)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(chǎn)生較大的應(yīng)力。同時(shí)可以求出對(duì)應(yīng)于不同下井深度時(shí)，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(gè)位置所需軸向力均小于其自重，故在滿足套管應(yīng)力要求的情況下，完全可以靠自重下入井中，并且通過觀測(cè)套管在下井過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，得出套管在下入的過程中往復(fù)與井壁上下兩側(cè)接觸，在此基礎(chǔ)上可對(duì)套管下井摩阻做深入分析。

四.結(jié)論

本文通過已開發(fā)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(fā)現(xiàn)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(jì)算以及完井管柱強(qiáng)度校核等功能，能夠較為準(zhǔn)確地對(duì)水平井管柱的可下入性進(jìn)行判斷分析。當(dāng)判斷出管柱不能順利下入至預(yù)定深度時(shí)，可以計(jì)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(xiàn)：

[1]陳紅偉，郝振憲，何漢坤等.水平井設(shè)計(jì)應(yīng)用與展望[J].鉆采工藝，2004（5）：8-11