水平井完井管柱可下入性分析研究

李想 王华 张帆 周娟

摘要：随着水平井技术的发展，水平井完井管柱的下入性问题及强度校核问题越来越受到人们的重视。本文通过对完井管柱下放过程的受力分析，根据拟合出的井身轨迹，建立了完井管柱二维“软杆”，二维“刚杆”及三维“软杆”三种摩阻预测分析数学模型，为方便计算分析，用VisualBasic语言编写出了水平井完井管柱可下入性分析软件，软件还具有三维井眼轨迹绘制和管柱最大下入深度及摩阻计算功能。

关键词：完井管柱;数学模型;软件开发;

一.水平井完井管柱可下入性研究概述

水平井技术的出现是石油开采业发展的必然结果。80年代水平井钻井技术的长足发展，为90年代世界范围内的“水平井钻井热”奠定了技术基础。由于水平井可大幅度提高勘探开发各类油气藏的综合经济效益，改善了石油工业的经营状况。因此，钻水平井将成为开发各种类型油气藏的最主要的技术手段之一。随着水平井技术的发展，完井管柱的下入及强度问题引起了有关部门的高度重视。完井管柱在下入到弯曲井段以后，由于完井管柱刚度的存在而产生很大的弯矩，加之井眼轨迹是不规则的空间曲线，管柱在下入过程中会与井壁大面积接触，这更增大了管柱与井壁之间的接触压力，使得完井管柱在下入过程中受到较大的摩擦阻力，为了保证在施工中完井管柱能够顺利下入井底，必须要对水平井的管柱摩阻力以及完井管柱在下入井底以后是否会发生强度破坏等一系列问题进行系统的研究。

二.水平井完井管柱可下入性技术分析

水平井完井管柱是由一根根套管和完井工具组成的，在井口通过螺纹连接依次下入井内的。下入过程中是靠管柱的自重做为动力，钻机大钩通过绞车悬吊着全部管柱缓慢送入，下入过程可近似看为一个匀速运动，因此受力分析时不考虑管柱的惯性负荷，同时由于下放速度较慢，在下入过程中可不考虑境内液体对完井管柱的摩擦阻力。完井管柱进入造斜段，管柱与裸眼井壁贴合产生摩阻。当摩阻力较大时，靠管柱自重难以继续下入，故需要对完井管柱进行力学分析，保证完井管柱在满足强度许可得条件下顺利下入。而水平井井眼轨迹的复杂性决定了套管柱在下井过程中受力比较复杂。在水平井弯曲段，套管柱要随井眼一起弯曲，除受到重力、浮力作用外，还有摩擦阻力、弯曲应力、接触应力等附加力作用，且此附加力随井眼轨迹的变化而不同，井眼曲率越大，曲率半径越小，附加力越大。井眼弯曲时套管柱紧贴下井壁。进入水平段后套管柱会完全贴在下井壁上，此时，套管柱与地层的接触段很长，地层对套管柱的摩擦阻力相当大，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弯曲段而无法下入。在大斜度井和水平井的完井设计和施工中都必须准确计算套管的摩阻力，这是因为：①改进井身剖面设计，使套管柱的下入阻力最小;②预测实钻井眼中套管柱下入的可能性，便于选择套管柱的下入方法;③准确计算套管柱的轴向载荷，以便进行套管柱强度设计与校核。套管柱能否顺利通过水平井弯曲段，关系到水平井完井的成败，分析套管柱的受力分布及其摩阻预测至关重要。

三.水平井完井管柱可下入性分析软件实现的功能

水平井完井管柱可下入性分析软件是在钻井井眼轨迹数据的基础上，对水平井完井管柱的下入性进行分析，采用建立的摩阻计算模型求出完井管柱在下入过程中的摩阻力，通过所受摩阻力与管柱自重的比较，判断管柱是否可以顺利下入。若不能顺利下入，判断出完井管柱最大的下入深度。同时应用本软件还可对水平井中下入的完井管柱进行强度校核。软件主要可以实现以下三方面的功能：

（1）井眼轨迹曲线示意图的绘制

对已知井眼轨迹数据采用三次多项式插值方式进行数据拟合，然后对拟合后的数据进行分析处理，绘制井眼轨迹曲线。

（2）完井管柱可下入性分析

应用本软件可以预先分析计算水平井完井管柱在下入过程中所受的摩阻力及轴向力，通过总的摩擦阻力与管柱自重的比较，判断在该井身轨迹下完井管柱是否可以顺利下入;如果不能顺利下入至井底，计算该管柱可以下入的最大深度。

（3）完井管柱强度校核

完井管柱在下入过程中需要对其进行强度校核，通过分析研究管柱在下入过程中的受力情况，对完井管柱进行强度校核。从云图可以直观看出套管在下井过程中由弯曲应力、拉压应力、接触应力共同影响的应力状态。分析数据得出，套管的应力状态主要是由弯曲应力和拉压应力共同影响的，接触应力较小。通过下井深度可知，套管最大应力达到整个下井过程的最大值，套管下端截面轴线与井壁切线方向夹角较大，不利于套管下入因而产生较大的应力。同时可以求出对应于不同下井深度时，套管下入所需要的轴向力，以此可以判断套管依靠自重的可下入性。套管每个位置所需轴向力均小于其自重，故在满足套管应力要求的情况下，完全可以靠自重下入井中，并且通过观测套管在下井过程中的运动轨迹，得出套管在下入的过程中往复与井壁上下两侧接触，在此基础上可对套管下井摩阻做深入分析。

四.结论

本文通过已开发的水平井完井管柱可下入性分析软件分析该软件的功能及意义，发现该软件具有井眼轨迹曲线绘制、管柱下入过程中摩阻力的计算以及完井管柱强度校核等功能，能够较为准确地对水平井管柱的可下入性进行判断分析。当判断出管柱不能顺利下入至预定深度时，可以计算其最大下入深度以及此过程中管柱所受到的摩擦阻力。

参考文献：

[1]陈红伟，郝振宪，何汉坤等.水平井设计应用与展望[J].钻采工艺，2004（5）：8-11