黃 亮，鄧寬海 ，王 森，付 豪，林元華

1.中國(guó)石化碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國(guó)石化西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011；

3.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都610500

引言

為充分利用老井眼開(kāi)發(fā)油藏剩余油，通常采用預(yù)制開(kāi)窗和磨銑套管開(kāi)窗兩種側(cè)鉆技術(shù)實(shí)施，但預(yù)制開(kāi)窗側(cè)鉆技術(shù)存在井口方位控制困難，尤其是深井/超深井，而磨銑鋼套管開(kāi)窗側(cè)鉆技術(shù)存在磨銑耗時(shí)長(zhǎng)乃至開(kāi)窗失敗[1-4]。此外，傳統(tǒng)鋼套管的腐蝕和摩阻問(wèn)題也非常突出。為此，許多學(xué)者針對(duì)深井/超深井，提出了基于鋁合金、鈦合金的多材質(zhì)復(fù)合管柱設(shè)計(jì)理念[2]，并對(duì)復(fù)合套管柱力學(xué)性能及腐蝕性能開(kāi)展了諸多研究。

2011 年，Basovich 等[3]開(kāi)展了LOT178×14-1953Т1 和LOT178×1 鋁合金套管浮重、鉤載、抗內(nèi)壓、抗外擠、螺紋接頭抗拉及耐腐蝕強(qiáng)度測(cè)試及評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，其力學(xué)性能及耐腐蝕性能均滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（NACE TM 0177 和GOST632-80）；與常規(guī)鋼套管相比，鋁合金管柱的浮重、摩擦力和鉤載都有明顯降低；研究成果指導(dǎo)LOT178×14-1953Т1 鋁合金管柱在Bayadinskoye 含硫油氣井成功應(yīng)用。

2015 年，Butler 等[4]提出了基于鋁合金套管接頭的開(kāi)窗側(cè)鉆技術(shù)（ACE 技術(shù)），并開(kāi)展了鋁合金接頭的室內(nèi)銑削性能、腐蝕性能、耐磨強(qiáng)度評(píng)價(jià)，給出了ACE 技術(shù)的設(shè)計(jì)、制造及現(xiàn)場(chǎng)雙側(cè)鉆和三側(cè)鉆的應(yīng)用方法及開(kāi)窗側(cè)鉆時(shí)主要監(jiān)控參數(shù)（鉆壓、扭矩、鉆速、轉(zhuǎn)速及排量）；該技術(shù)成果已在科尼斯頓的6 口井的9 根套管（95/8′′ACE 接頭）開(kāi)窗得到成功應(yīng)用，側(cè)鉆深度均超過(guò)2 000 m。

Gelfgat、Furati 和Bensmina 等[5-8]也相繼開(kāi)展了鋁合金復(fù)合管柱的力學(xué)性能測(cè)試研究，主要包括鋁合金管抗擠強(qiáng)度、抗內(nèi)壓強(qiáng)度、腐蝕性能、應(yīng)力-應(yīng)變分析、振動(dòng)分析。2017 年，在鋁合金套管及鉆桿技術(shù)的啟迪下，Christian 等[9]基于鋁合金的低密度、高強(qiáng)度及高強(qiáng)度-重量比3 大優(yōu)點(diǎn)，提出了懸掛鋁合金套管柱技術(shù)，即在生產(chǎn)套管柱底部采用幾百英尺的鋁合金套管代替鋼套管，主要用于降低扭矩、摩阻且更容易控制狗腿和微彎曲。針對(duì)鋁合金套管柱，Christian 等[9]設(shè)計(jì)出了一種特殊螺紋接頭，并采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展了特殊螺紋接頭抗扭強(qiáng)度、鋁合金本體抗擠強(qiáng)度及其表面納米涂層耐腐蝕性能評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，特殊螺紋接頭抗扭強(qiáng)度、本體抗擠強(qiáng)度及耐蝕性能均達(dá)到服役工況要求；當(dāng)測(cè)深大于3 500 m 時(shí)，降扭減摩效果更明顯。

2018 年，Mahmoud 等[10]采用碳鋼套管、鋁合金套管和鈦合金套管開(kāi)展了復(fù)合套管柱與水泥環(huán)之間的結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試，主要包括剪切結(jié)合強(qiáng)度和液壓結(jié)合強(qiáng)度，研究結(jié)果表明，具有涂層的鋁合金管柱與水泥環(huán)之間具有更優(yōu)異的剪切結(jié)合強(qiáng)度，而無(wú)涂層的鋁合金管柱因水泥漿固化腐蝕導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度較低。

綜上可知，國(guó)外學(xué)者針對(duì)鋁合金復(fù)合套管柱力學(xué)性能及腐蝕性能開(kāi)展了諸多研究，其研究成果在部分淺井得到成功應(yīng)用，但缺乏基于多材質(zhì)復(fù)合管柱的超深水平井裸眼井壁支撐工藝研究，如多材質(zhì)復(fù)合管柱設(shè)計(jì)及下入性分析。為了經(jīng)濟(jì)、高效開(kāi)發(fā)順北區(qū)塊油藏剩余油，必須對(duì)已完鉆超深裸眼水平井進(jìn)行側(cè)鉆。然而，該區(qū)塊已完鉆井多為超深裸眼水平井（井深>7 000 m），為了實(shí)現(xiàn)超深裸眼水平井的安全、經(jīng)濟(jì)、快速側(cè)鉆，必須先下入含易鉆管的復(fù)合管柱對(duì)裸眼井壁進(jìn)行有效支撐，再對(duì)易鉆管進(jìn)行快速鉆磨，形成側(cè)鉆窗口，最后實(shí)現(xiàn)側(cè)鉆。但是，由于超深裸眼水平井井眼曲率較大，管柱在彎曲段、水平段摩阻增加，管柱在下入過(guò)程中會(huì)與井壁大面積接觸，增加了管柱與井壁間的接觸壓力，并且由于管柱自重的影響，使得管柱在下入過(guò)程中受到較大摩擦阻力，從而導(dǎo)致基于多材質(zhì)復(fù)合管柱的超深水平井裸眼井壁支撐及復(fù)合管柱下入可行性成為困擾側(cè)鉆井的一大難題。為解決管柱順利下入井內(nèi)的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其力學(xué)問(wèn)題已做了大量研究工作[11-15]，并一致認(rèn)為，對(duì)管柱摩擦阻力及其與井眼相容性的分析計(jì)算，是保證管柱順利下入井內(nèi)的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于摩阻計(jì)算的力學(xué)模型分為兩大類(lèi)：一類(lèi)為柔桿模型，另一類(lèi)為剛桿模型[16-18]。盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面做了大量工作，但能直接應(yīng)用并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的較少。

為此，針對(duì)傳統(tǒng)磨銑鋼套管開(kāi)窗側(cè)鉆技術(shù)存在下入摩阻大、磨銑耗時(shí)長(zhǎng)乃至開(kāi)窗失敗的問(wèn)題以及西北油田已完鉆超深裸眼水平井井況，提出了基于“鋁合金+碳鋼”的多材質(zhì)復(fù)合管柱組合及設(shè)計(jì)方法，開(kāi)展了基于多材質(zhì)復(fù)合管柱的超深水平井裸眼井壁支撐及復(fù)合管柱下入性研究，形成了一套超深水平井裸眼井壁支撐工藝技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)已完鉆超深裸眼水平井復(fù)合管柱安全下入、裸眼井壁有效支撐、易鉆管快速鉆磨，并得到良好的側(cè)鉆窗口，該工藝技術(shù)已在中國(guó)石化西北油田分公司順北區(qū)塊得到成功應(yīng)用。

1 基于多材質(zhì)復(fù)合管的超深水平井裸眼井壁支撐管柱組合及設(shè)計(jì)

利用已完鉆超深裸眼水平井進(jìn)行開(kāi)窗側(cè)鉆，可經(jīng)濟(jì)和高效開(kāi)發(fā)油藏剩余油，而實(shí)現(xiàn)已完鉆超深裸眼水平井的安全、快速側(cè)鉆需解決以下技術(shù)難題：（1）超深水平井裸眼井壁的有效支撐；（2）支撐管柱的快速鉆磨并形成良好的側(cè)鉆窗口；（3）支撐管柱下入的可行性及安全性。為解決上述技術(shù)難題，本文提出了基于“鋁合金+碳鋼”多材質(zhì)復(fù)合管柱的超深水平井裸眼井壁支撐方法，并給出了基于“鋁合金+碳鋼”的多材質(zhì)復(fù)合管柱組合及設(shè)計(jì)方法，具體如下。

1.1 順北典型超深水平井裸眼井壁支撐管柱組合

截至目前，順北區(qū)塊采用襯管完井工藝的井共11口，其中7 口井采用了多材質(zhì)復(fù)合管柱（普通碳鋼管+易鉆鋁合金管），分別為順北X1 井、X2 井、X3 井、X4 井、X5 井、X6 井，典型井復(fù)合管串設(shè)計(jì)如表1所示，主要施工工藝：采用鉆柱將易鉆管送入到裸眼層段，對(duì)目標(biāo)層位進(jìn)行有效支撐，再采用鉆頭對(duì)易鉆管進(jìn)行磨銑，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)窗側(cè)鉆。需要說(shuō)明的是，易鉆管段以上均為鉆柱。

表1 順北區(qū)塊典型襯管完井的復(fù)合管柱設(shè)計(jì)Tab.1 Design of composite string for typical liner completion in Shunbei

1.2 基于鋁合金管的復(fù)合管柱設(shè)計(jì)方法

截至目前，國(guó)內(nèi)外采用的側(cè)鉆開(kāi)窗方法一般有兩種，即：預(yù)制開(kāi)窗和磨銑套管開(kāi)窗，如圖1 所示。

圖1 鋼制套管預(yù)制開(kāi)窗和磨銑鋁合金套管開(kāi)窗Fig.1 Prefabrication and milling of aluminum alloy casing window

預(yù)制開(kāi)窗需要在完井前確定開(kāi)窗分支的方位，所以受到局限；磨銑套管開(kāi)窗側(cè)鉆[19-22]不僅存在磨銑耗時(shí)長(zhǎng)，而且鐵屑難以返排出井口，尤其針對(duì)超深水平井開(kāi)窗。因此，需采用復(fù)合管柱側(cè)鉆技術(shù)，復(fù)合管柱材料一般可以選擇鋁合金、鈦合金、非金屬等低密度材料。針對(duì)西北局順北區(qū)塊的井較深（大于7 000 m）、溫度較高（高于150°C）、側(cè)鉆層位屬于裸眼段的問(wèn)題，本文選擇低密度鋁合金作為復(fù)合管柱材料，并提出了超深裸眼水平井基于鋁合金管的多材質(zhì)復(fù)合管柱開(kāi)窗側(cè)鉆技術(shù)方案，即在完井管柱中的預(yù)計(jì)開(kāi)窗深度下入易鉆且易返排的低密度鋁合金管柱，以期開(kāi)窗容易，具體設(shè)計(jì)方法及要求如下。

1.2.1 鋁合金套管接頭設(shè)計(jì)

根據(jù)鋁合金套管供應(yīng)商的建議，接頭采用上、下鋼制聯(lián)軸器組成，其中，鋼-鋁連接采用偏梯形螺紋，母接頭采用鋼材，公接頭采用鋁合金；對(duì)鋁合金連接處采用納米涂層進(jìn)行防護(hù)處理，避免裝配過(guò)程中鋼-鋁之間的電偶腐蝕和磨損；上、下兩個(gè)接頭均采用螺紋進(jìn)行鎖緊，以防止接頭在將來(lái)開(kāi)窗側(cè)鉆操作中移動(dòng)。

1.2.2 鋁合金套管涂層設(shè)計(jì)

鋁合金套管及接頭存在的突出問(wèn)題是在鉆井作業(yè)期間（尤其下鉆），與傳統(tǒng)的鋼制套管相比，鉆桿旋轉(zhuǎn)時(shí)鋁合金更容易被磨損，在水泥固化過(guò)程中，鋁合金套管更容易發(fā)生腐蝕。因此，為增加鋁合金管本體及接頭在下鉆及固井作業(yè)過(guò)程中的耐磨性和耐腐蝕性，鋁合金管內(nèi)壁采用納米涂層處理，外壁覆蓋有一層專(zhuān)有的包裹層。

1.2.3 鋁合金套管接頭測(cè)試設(shè)計(jì)及要求

（1）側(cè)鉆銑削及窗口幾何尺寸測(cè)試，明確側(cè)鉆窗口能否順利通過(guò)完井工具和下部鉆具組合。（2）鉆桿磨損及鋁合金套管接頭機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試，預(yù)測(cè)鉆桿旋轉(zhuǎn)造成的磨損損壞對(duì)鋁合金套管接頭所需機(jī)械強(qiáng)度的影響。（3）水泥固化過(guò)程過(guò)中鋁合金套管接頭腐蝕及機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試，預(yù)測(cè)水泥固化過(guò)程造成的腐蝕對(duì)鋁合金套管接頭所需機(jī)械強(qiáng)度的影響；以便現(xiàn)場(chǎng)安裝之前，鋁合金套管接頭能達(dá)到預(yù)期性能。

1.2.4 鋁合金管柱長(zhǎng)度及高溫設(shè)計(jì)

鋁合金管柱設(shè)計(jì)長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，推薦設(shè)計(jì)長(zhǎng)度一般100 m 左右，具體需結(jié)合多材質(zhì)復(fù)合管柱下入性分析，確定其長(zhǎng)度。

鋁合金屈服強(qiáng)度和彈性模量對(duì)溫度很敏感，推薦在溫度低于100°C環(huán)境下長(zhǎng)期使用，當(dāng)溫度高于100°C時(shí)，其屈服強(qiáng)度和彈性模量按5%～10%折減計(jì)算。

為復(fù)合管柱安全下入提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，并確保支撐管柱安全下入，迫切需要通過(guò)綜合考慮復(fù)合管柱扭矩、摩阻、剛度、井眼條件、管柱強(qiáng)度及材質(zhì)等因素對(duì)管柱安全下入的影響，建立多材質(zhì)復(fù)合管柱下入性分析的計(jì)算模型并編制開(kāi)發(fā)相關(guān)分析軟件，確定鋁合金管柱的下入長(zhǎng)度。

2 多材質(zhì)復(fù)合管柱下入的摩阻計(jì)算理論模型

2.1 完井管柱三維剛桿模型

為建立完井管柱三維剛桿模型，做如下假設(shè)：（1）完井管柱與井壁連續(xù)接觸；（2）完井管柱軸線與井眼軸線一致，井壁為剛性；（3）計(jì)算單元體為空間斜平面上的一段圓弧；（4）完井管柱單元體所受重力、正壓力、摩阻力均勻分布?；谏鲜黾僭O(shè)，本文給出了水平井全剛度完井管柱摩阻計(jì)算模型

式（1）為非線性方程組，采用解非線性方程組的擬牛頓迭代法進(jìn)行迭代求解，得出主副法線方向上的均布接觸力后，即可計(jì)算出距完井管柱底部（鉆頭）任意井深處的摩阻力Fu，摩擦扭矩Mt、大鉤載荷，其公式為

2.2 摩阻系數(shù)的確定方法

摩阻扭矩是制約超深水平井鉆井的一個(gè)非常重要的因素，如何正確地計(jì)算摩阻扭矩是超深水平井鉆井的一個(gè)重要內(nèi)容。在摩阻扭矩計(jì)算中，如何確定摩阻系數(shù)的大小一直是工程技術(shù)人員計(jì)算摩阻時(shí)的一個(gè)難點(diǎn)，摩阻系數(shù)的變化將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的很大差異。在摩阻扭矩計(jì)算中，采用基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的反演算法確定摩阻系數(shù)，具體如下：根據(jù)不同工況下，不同井深處大鉤載荷反算摩阻系數(shù)，先反算套管內(nèi)的，再反算裸眼段的。

3 管柱臨界屈曲載荷計(jì)算模型適用性評(píng)價(jià)及實(shí)例分析

3.1 水平井段臨界屈曲載荷計(jì)算模型

完井管柱的屈曲可以分為正弦屈曲和螺旋屈曲。如何求解不同形式屈曲的臨界載荷計(jì)算公式是本章的重點(diǎn)之一。完井管柱屈曲后，由于受到井壁的限制，在一定程度上還將保持完井管柱的穩(wěn)定性，當(dāng)軸向壓縮載荷達(dá)到完井管柱的屈服極限時(shí)，完井管柱將破壞。屈曲的完井管柱很大程度上增加了完井管柱與井壁之間的接觸力，從而使得摩阻扭矩增大。本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，對(duì)已有公式的適用條件進(jìn)行了探討，采用鉆柱力學(xué)分析方法對(duì)管柱的臨界彎曲載荷進(jìn)行了計(jì)算，給出了水平井段臨界載荷的計(jì)算公式。

水平井段的正弦屈曲臨界載荷計(jì)算公式

水平井段的螺旋屈曲臨界載荷計(jì)算公式

3.2 臨界屈曲載荷計(jì)算模型適用性評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)本文推導(dǎo)模型及現(xiàn)有經(jīng)典理論模型的適用性及準(zhǔn)確性，將臨界屈曲載荷理論值與文獻(xiàn)[23]及本文開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選擇鋼制管柱（6.0 mm×2.4 mm）及鋁合金管柱（11.4 mm×6.7 mm）進(jìn)行算例分析，具體如表2 所示。需要說(shuō)明的是，表2 中，管柱尺寸為外徑尺寸，井筒尺寸為內(nèi)徑尺寸。鋁合金彈性模量和密度分別是70 GPa和2 800 kg/m3。查詢(xún)相關(guān)手冊(cè)可得兩種模擬管柱的抗彎剛度EI分別為13.01 N·m2（外徑6 mm，內(nèi)徑2.4 mm 鋼制管柱）、51.08 N·m2（外徑11.4 mm，內(nèi)徑6.7 mm 鋁合金管柱）。

表2 鋼管柱和鋁合金管柱臨界載荷理論值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Tab.2 Comparison between theoretical and experimental values of critical load of steel pipe column and aluminum alloy column

由表2 可知，本文模型理論計(jì)算所得正弦屈曲臨界載荷值和螺旋屈曲臨界載荷值與實(shí)驗(yàn)所得臨界載荷值基本一致，平均誤差在5%左右；Wu 模型理論計(jì)算所得的螺旋屈曲臨界載荷均明顯大于實(shí)驗(yàn)值。

因此，對(duì)于碳鋼管柱和鋁合金管柱均可采用本文的模型計(jì)算其正弦屈曲臨界載荷和螺旋屈曲臨界載荷。

3.3 多材質(zhì)復(fù)合管柱下入性分析方法及實(shí)例計(jì)算

結(jié)合本文給出的完井管柱三維軟桿/剛桿模型及優(yōu)選出的臨界屈曲載荷計(jì)算模型及摩阻系數(shù)，采用C#語(yǔ)言編制開(kāi)發(fā)并形成了多材質(zhì)復(fù)合管柱下入性分析方法?；谧灾餮邪l(fā)的多材質(zhì)復(fù)合管柱下入性分析方法，對(duì)順北X1 井、X2 井、X3 井和X4 井管柱下入性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，順北X1井管柱下入過(guò)程中，造斜點(diǎn)下管串受壓，φ127 mm碳鋼管出現(xiàn)螺旋和正弦屈曲，而上部φ130 mm 鋁合金管末端出現(xiàn)螺旋屈曲，其余井起、下管串均未屈曲，下文以順北X1 井為例給出下入性分析方法計(jì)算的基本數(shù)據(jù)及相關(guān)結(jié)果。

3.3.1 順北X1 井的井身結(jié)構(gòu)

順北X1 井是位于順托果勒低隆的一口四開(kāi)結(jié)構(gòu)預(yù)探井，本井設(shè)計(jì)井深8 564.02 m，各開(kāi)次鉆頭尺寸及套管下深如圖2 所示。

圖2 順北X1 井井身結(jié)構(gòu)Fig.2 Wellbore structure of Shunbei Well X1

3.3.2 順北X1 井完井管柱結(jié)構(gòu)

順北X1 井完井管柱結(jié)構(gòu)為φ127 mm 圓頭引鞋+φ127 mm 碳鋼直連打孔管×35+變扣5′′TP-FJ公×5′′矮牙艾克母）+φ130 mm 易鉆管易鉆液壓丟手+變扣加重鉆桿×45+φ88.9 mm 鉆桿+φ114.3 mm 鉆桿，見(jiàn)表3。

表3 順北X1 井管串參數(shù)Tab.3 String parameters of Shunbei Well X1

3.3.3 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)載荷及本文提出的摩阻系數(shù)反應(yīng)算法，確定了裸眼摩阻系數(shù)和套管摩阻系數(shù)，分別為0.30 和0.25。實(shí)際施工下入管串運(yùn)動(dòng)速度為0.15 m/s，管外和管內(nèi)液體密度為1.65 g/cm3，大鉤載荷為250 kN。

3.3.4 套管與井眼相容性分析結(jié)果

以西北油田為例，水平井斜井段碳鋼套管外徑為127 mm，套管鋼級(jí)為P110，井眼曲率必須小于1.03 °/m，才能滿(mǎn)足裝扶正器的套管下入要求。水平井斜井段鋁合金套管外徑為130 mm，鋁合金強(qiáng)度為199 MPa，井眼曲率必須小于0.26°/m，才能滿(mǎn)足裝扶正器的套管下入要求，具體如表4 所示。由表4可知，對(duì)于碳鋼管柱，其最大井眼曲率的計(jì)算值均大于對(duì)應(yīng)井實(shí)測(cè)井眼曲率的最大值，表明P110 碳鋼管能安全下入，而對(duì)于鋁合金管柱，除了順北X5井之外，其余井允許安全通過(guò)的最大井眼曲率計(jì)算值均小于對(duì)應(yīng)井實(shí)測(cè)井眼曲率的最大值，表明順北X1 井、X3 井和X4 井在裝扶正器時(shí)不能安全下入。建議適當(dāng)增加鋁合金管體屈服強(qiáng)度，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)鋁合金管體屈服強(qiáng)度大于380 MPa 時(shí)，所有井的鋁合金管柱在裝有扶正器時(shí)均能安全下入。

表4 加入扶正器后套管安全通過(guò)的最大井眼曲率Tab.4 Maximum hole curvature of safe casing passing safely after adding centralizer

3.3.5 起下管柱屈曲計(jì)算結(jié)果

圖3 為順北X1 井下管柱側(cè)向力沿井深分布，由圖3 可知，在下管串時(shí)，在造斜點(diǎn)后產(chǎn)生側(cè)向力，在增斜段側(cè)向力增大，穩(wěn)斜段側(cè)向力減小后穩(wěn)定，即優(yōu)化增斜段的曲率有利于減小側(cè)向力的峰值，提高安全系數(shù)。

圖3 順北X1 井下管柱側(cè)向力沿井深分布Fig.3 Distribution of lateral force of downhole string along well depth in Shunbei Well X1

圖4 為順北X1 井下管柱軸向力沿井深分布，由圖4 可知，下管串時(shí)下部管串軸向力為負(fù)值，由于造斜結(jié)束井斜將近90°，下部管串所受壓力有所減小。圖5a 為順北X1 井下復(fù)合管柱屈曲狀態(tài)分布，由5a可知，在復(fù)合管柱下管串過(guò)程中，管柱下部存在屈曲現(xiàn)象。結(jié)合圖5a、順北X1 井測(cè)斜數(shù)據(jù)、復(fù)合管串結(jié)構(gòu)可知，在造斜點(diǎn)下管串受壓，在φ130 mm 易鉆鋁合金管末端（7 974.33～7 983.79 m）出現(xiàn)螺旋屈曲，φ127 mm碳鋼管在井段7 992.57～8 193.06 m 發(fā)生了9 段屈曲，其中4 段正弦屈曲和5 段螺旋屈曲。為對(duì)比分析復(fù)合管柱對(duì)下入性的影響，將φ130 mm 易鉆鋁合金管替換為碳鋼管進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示，下管串過(guò)程中，碳鋼管柱下部仍存在屈曲特征，碳鋼管柱（7 983.79～8 154.79 m）發(fā)生了9 段屈曲，其中6 段正弦屈曲，3 段螺旋屈曲，如圖5b 所示。對(duì)比分析可知，下管柱過(guò)程中，采用“鋁合金+碳鋼”復(fù)合管柱的屈曲現(xiàn)象比碳鋼管柱更嚴(yán)重，屈曲井段更長(zhǎng)、螺旋屈曲段數(shù)更多。

圖4 順北X1 井下管柱軸向力沿井深分布Fig.4 Distribution of axial force of downhole string along well depth in Shunbei Well X1

圖5 順北X1 井下管柱屈曲狀態(tài)分布Fig.5 Distribution of buckling state of casing string in Shunbei Well X1

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程表明：順北X1 井支撐管柱下入至井深8 245.00 m 遇阻，下放懸重1 750 kN（原懸重1 930 kN），上提至井深8 235.00 m 位置，懸重2 420 kN，管柱上下活動(dòng)3 次；截至目前，易鉆鋁合金管下入裸眼段126 m，液壓丟手器位置7 580.00 m，下放管柱，分別下壓至1 700、1 650、1 600 kN，遇阻位置8 245.00 m 均無(wú)變化，無(wú)法繼續(xù)下入。

在起管串時(shí)，側(cè)向力的分布情況與下套管類(lèi)似，起管串時(shí)軸向力沿井深逐漸減小，且不會(huì)發(fā)生屈曲（圖6），且管串一直保持受拉狀態(tài)，與現(xiàn)場(chǎng)順北X1 井實(shí)際施工過(guò)程吻合。因此，建議優(yōu)化復(fù)合管柱下部管串結(jié)構(gòu)，適當(dāng)增強(qiáng)鋁合金管柱本體屈服強(qiáng)度。

圖6 順北X1 井下管柱屈曲狀態(tài)分布Fig.6 Buckling state distribution of downhole string in Shunbei Well X1

為此，基于鋁合金管的復(fù)合管柱設(shè)計(jì)方法，在不改變鋁合金管壁厚及外徑的條件下，將原來(lái)的鋁合金長(zhǎng)度由原來(lái)的282 m 縮短為144 m，鋁合金本體屈服強(qiáng)度由原來(lái)的199 MPa 提高到300 MPa，計(jì)算顯示，鋁合金管柱和碳鋼管柱均無(wú)屈曲發(fā)生，而現(xiàn)場(chǎng)改變管柱設(shè)計(jì)后，鋁合金管柱也能順利下入到目標(biāo)層位。由此可知，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工的遇阻情況基本吻合，表明自主研發(fā)軟件是準(zhǔn)確可靠的，可用于復(fù)合管柱下入性分析，指導(dǎo)基于鋁合金-碳鋼多材質(zhì)復(fù)合完井管柱設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及案例分析

本文研究成果在中國(guó)石化西北油田順北X1 井和X2 井得到成功應(yīng)用，包括支撐管柱安全下入及下入后易鉆管的快速鉆磨作業(yè)，并為后續(xù)側(cè)鉆提供了良好的窗口。X1 井井深6 690.00 m，采用“鋁合金+碳鋼”復(fù)合管柱支撐裸眼井壁，鋁合金設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為87 m，鋁合金下深為6 505.89～6 592.49 m，其余均為碳鋼管柱；X2 井井深6 080.00 m，采用“鋁合金+碳鋼”復(fù)合管柱支撐裸眼井壁，鋁合金設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為82 m，鋁合金下深為5 954.55～6 036.46 m，其余均為碳鋼管柱。

X1 和X2 井下入管串（自上而下）均為：鉆桿+液壓丟手器+鋁合金管+碳鋼管+圓頭引鞋；X1井和X2 井鉆磨作業(yè)采用的管柱自上而下均為鉆桿+撈杯+合金磨鞋，鉆壓10～20 kN，機(jī)械轉(zhuǎn)速60～80 r/min，平均機(jī)械鉆速高達(dá)2.08～2.61 m/h，具體如表5 所示，與傳統(tǒng)鉆磨鋼套管機(jī)械鉆速（1.10～1.40 m/h）相比，提高約85%。

表5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例Tab.5 Field application cases

X1 井和X2 井的應(yīng)用效果論證了該工藝技術(shù)的可行性，因此，該工藝技術(shù)可為超深水平井裸眼井壁支撐的復(fù)合管柱設(shè)計(jì)和下入可行性評(píng)價(jià)提供理論參考。

5 結(jié)論

（1）結(jié)合中國(guó)石化西北油田已完鉆超深裸眼水平井井況，提出了基于多材質(zhì)復(fù)合管柱的超深水平井裸眼井壁支撐方法，并給出了基于“鋁合金+碳鋼”的多材質(zhì)復(fù)合管柱組合及設(shè)計(jì)方法。

（2）利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)載荷反演確定了摩阻系數(shù)，評(píng)價(jià)并優(yōu)選出了適合于“鋁合金+碳鋼”多材質(zhì)復(fù)合管柱的屈曲臨界載荷計(jì)算模型，對(duì)順北X1 井，X2 井，X3 井和X4 井管柱進(jìn)行了下入性分析，優(yōu)化和完善了無(wú)法正常下入井的復(fù)合管柱設(shè)計(jì)。

（3）形成了一套基于“鋁合金+碳鋼”多材質(zhì)復(fù)合管柱的超深水平井裸眼井壁支撐工藝技術(shù)，并在中國(guó)石化西北油田X1 井和X2 井得到應(yīng)用，結(jié)果表明：采用該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)已完鉆超深水平井裸眼段的有效支撐及快速鉆磨，并形成良好側(cè)鉆窗口，進(jìn)一步論證了該技術(shù)的可行性。