大位移井摩阻计算研究

崔永林鲁洪清严杨

（1.渤海钻探塔里木石油勘探开发指挥部第四勘探公司，新疆 库尔勒 841000；2.长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100）

大位移井摩阻计算研究

崔永林1鲁洪清2严杨2

（1.渤海钻探塔里木石油勘探开发指挥部第四勘探公司，新疆 库尔勒 841000；2.长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100）

在大位移井中，套管能否顺利下入是所面临的技术难题之一。本文采用套管柱软绳修正模型，建立三维空间套管柱摩擦阻力计算模型。在考虑水平段添加扶正器产生的支反力的基础上，将套管柱分成微小单元段进行迭代求解，并编写相应的计算程序。该程序可以计算出套管在下入过程中各测点井深处考虑摩擦阻力的大钩载荷，预测套管在所设计的轨道中能否顺利下入。

大位移井；下套管；摩阻

1 大位移井下套管摩擦阻力计算

图1 空间坐标系

根据微分的几何关系可以得出：

方向的未知量n方向的未知量

2 套管柱软绳修正模型

为了便于计算及力学模型的建立，将所研究的空间三维单元井段简化为空间斜平面内的一小段圆弧。对三维井身曲面特性的分析，可将套管的空间弯曲分解到两个平面上来研究：一个是H平面即井斜平面；另一个是V平面，过曲线AB且与H平面垂直的平面即狗腿平面V。任取空间单元段Li(记为AB，其中A为上端点i-1，B为下端点i)为研究微元段，进行力学分析。

图2 管柱受力的三维图

图中：a1=γ，a2=；a1为n向量指向的角，a2为Ti与t的夹角。

将该微元段管柱所受的压力Ni分解为狗腿平面V上的合侧压力Niv(沿着主法线)和井斜平面H上的侧压力Nih(沿着副法线)，于是就会有Ni2=Niv2+Nih2；于是，管柱受到井壁所产生的摩擦力Fi=（Fiv2+Fih2）0.5=μ（Niv2+Nih2）0.5。

由受力分解可以得到，Nih是管柱的浮重Gi对井壁产生的压力。将浮重在三维图中进行分解，V平面上的分力为GV、H平面上的GH和井眼轴线切线方向Gt。浮重Gi分解如下：

γgn为重力方向与主法线的夹角；cosγgn=nD；

γgm为重力方向与副法线的夹角；cosγgm=mD；

γgt为重力方向与井眼切线的夹角；cosγgt=tD。

2.1 井斜平面受力分析

由于副法线方向上只受重力方向的分量GH和井壁对管柱的侧面支持力Nih，故由受力平衡有：Nih=|GH|。(6)

2.2 狗腿V平面受力分析

如图所示，A、B为两个扶正器，将扶正器和相邻扶正器间的套管段作为研究对象。考虑到下套管时的情形，此时第i个扶正器上的力有：井壁对扶正器的支反力Niv，与运动方向相反的摩擦力阻力Fiv以及轴力Ti、Ti-1。AB段中套管柱沿井眼轨迹方向的浮重Gt。（两个扶正器之间只有一段套管柱）

图3 安装扶正器的受力简图

(7)式化简可得：

又由于，结合(6)式得出总摩擦力Fi：

μ为摩擦系数，取0.2～0.3；Ti为B点的拉力；Ti-1为A点的拉力；Niv′为单元管柱内外的额外正应力；γ为A、B间的狗腿角。

3 理想直井计算分析

假设井深3 270米，套管外径127mm(5寸)，内径108mm，套管线重量338.4N/m，井眼尺寸165mm，完井液密度为1.3g/cm3，取钢材密度为7.8g/cm3用程序计算出下套管过程中的大钩负荷，然后与理论计算式计算的数值进行比较。理论计算式为：

式中，T为大钩负荷(kN)，q为套管线重量(kN/m)，ρs为钻井液密度(g/cm3)。

图4 程序计算图

从图中可以看出，程序计算结果为906kN，理论计算结果为922kN。误差为1.7%。理论值大于程序计算结果，说明套管柱在下入的过程中或多或少会与井壁产生轴向摩擦使大勾载荷减小。

4 结论及建议

本文对大位移井下套计算摩阻问题进行了研究，在进行了国内外套管计算摩阻的模型的基础上提出了摩阻计算模型的修正方法。通过对以上理论修正模型公式的推导和程序对测点参数的分析等工作，我们主要得到以下几点结论：

4.1 考虑到在大斜度井段因套管重力与井壁紧密结合不利于固井的情况，本文采用加扶正器的方法，并对大斜度段的摩阻进行了计算。

4.2 在下套管时，两个扶正器间只加一段套管柱，使计算结果更加精确；但是按照这样下入套管会大大增加套管柱的刚性。在狗腿角严重的部分井段建议在两扶正器间多加1到2段套管，使套管柱能顺利下入。

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崔永林（1981.2—），现为长江大学石油工程学院在职研究生，在塔里木油田从事钻井技术管理工作。

TE22

A

1003-5168(2014)03-0025-02