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1、新疆石油科技19 9 9年 第1期(第9卷)水平井管柱摩阻 力计算及下 人深 度 确定方法亥,l亚明新疆石 油管 理 局未油工艺研 究院,834 0 00克拉玛依摘要分析计 算了管柱在下入水平代过程 中所受到的摩阻力,提出了二种求解摩阻力的近似算法。在此墓拙上,对管柱(钻柱、油管柱)下入深度问题进行了讨论分析,提出了管柱下入深度的确定方法和原则,并通过 实例计 算加以说明。该计茸结果对现场施工有一定的参考价值。几主题词水平 井管柱摩擦力计算管柱下入深度(求解 方 法)1前言我们知道,管柱在下入过程中会受到摩阻力的作用而 影响其下入深度。那么管柱在井中究竟受到多大的摩阻 力呢?从文献检索看,目前
2、还没有一种可靠的算法,但这又是 现场施工作业中急待解决 的间题。本文提出了一种在一个螺距内求平均摩阻力的近似算法,希望能为更好地解决下 入 深度问题起个抛砖引玉的作用。2摩阻力的综合计算要求解下入深度问题,首先要计算管柱在井中所受到的摩擦力。在满足最大抗拉强度条件下,管柱在井中所受摩阻力的大小决定了管柱的下入深度。在下入过 程中,当管柱的下入 力(或管柱自重)大于或等于摩阻力时,管柱能够正常下入。而当管柱的下入力(或管柱自重)小于摩阻力时,管柱会出现屈曲、自锁等现象.甚至会发生永久性变形。因此,为了保证管柱的正常下 入,必须使其下入 力(或管柱自重)大于或等于管柱在井中所受摩阻 力的总和。摩阻
3、力的综合计算成为确定管柱最大下入深度的关键性因素。而摩阻 力的大小与管柱在井中的变形形状有关。应分别予以讨论分析。侧钻 水平井井身结构示 意 图如图1所示。管 柱在水平井各段中的变形 形状均有可能性是直线状、蛇屈状和螺屈 状,管柱在井 中的实际形 状 就 是这三种变形形状在一定条件下的不同组合。由于管柱变形形状的多样性,因此,在求解摩阻力时就要 设法求出它的一般表达式。卜卜卜卜1 1 1l l lJ J J图1首先,给定摩擦系数拼,如 图1所示,在1,段,可取拼1一0.15;在l:段,可取拼20.2 5;在l:段,可取胖:=0.2 5。下面分别计算管柱在各种变形状态 下的摩擦阻力。水平 井 管
4、柱摩阻力计算及下入 深度确定 方法(1 )当管柱保持为直线状时,单位长度上的接触反 力为闭坐 标帐IJZ坐标)有关.如图2所示。Nl口sin a;(1)单位长度上的摩擦力 为长长.二呀呀人二产N,;图2于是.管长l的管柱总摩擦力为艺f;一万;N,*,.(3)式 中Z一艺z、;q管柱单位长重量;a井斜角。(2 )当管柱的变形 形状为螺屈 状时,单位长度上的接触反力为因此采取在 一个螺距内求平均接触反 力的方 法进行求解。于是可以 得出在一个螺距内的平均单位长接触反力应为(4 )式的积分,即,2北、二_q“na“ 0 5气了石”“二几,自l。1一尸山,:二护诬 r一J住 一一rF资4EI(7 )将
5、(6 )式代入(7 )式后.可得,2万:、一“万 , a“0 5、蔺”、任 万12之口,内,二?2r一t呛一一式 中螺距p:为单拉长度上的摩擦力为p:一德;( 5 ) 厂:产N:,l店界失稳力F:为总摩擦力为F:、4裤再巫(6)艺f:一艺。N:“f ( 8)式中E l抗弯刚度;,- 环空间隙。由于(4)式的接触反 力计算式与接触点的轴 向(3 )当管柱 的变形 形状为蛇屈时.单位长度上的接触反 力为川新疆石油科技19 9 9年第l期(第9卷)N3,2汀 一乙1rL P3)3A2一 (A,一82)(7+八“一。“)+:厂,(丝):(八P3E l普2十1,。:,n二(1一髻)(1 3)夕2)+叮s
6、inacoss,式中一个正弦波的波距p:为l后界失稳力,3一2漂;E,。:, :。(粤,2+l)(:一乙导) F32rl在界失稳力F:为(14)F3一3.7 5丫 燕乒(9)(1 0)(1 1)单位长度上的摩擦力 为几一产N3,式中A为日的变化范围。由文献4j可知,当A在(一1.9 1,1.91 )变化 时,CT管柱的变形形状保持为稳定状态;当A一士1.9 1时管柱处于临界状态;当A1.9 1或A一1.9 1时,管柱处于失稳状态。由于(9 )式的N3与接触点O坐标有关(参见 图2),本文采取在一个螺距 内求平均法 向反 力的方法进 行求解,也即日在ZA区间(一A,+A)内的平均法向反 力为总摩
7、擦力为艺九一万片从二、 (1 5)( 4)综上,整 个 管 柱 在 侧 钻水 平井中所受摩擦阻 力的总和为N,一万,二(丝).P3矗丁3A2一A一 夕”(7+艺八一万人+万几+艺f s ,2一 。2)、。+:F,(丝)2.兴l(,2-户3乙n艺二A 1fU一)aU十石下!qszna.c o s口以 口Z工J艺八一艺、N j t、 (16)一E I:(丝) (擎矛+翼A 4)+二F,(琴)2P3Jl 勺一厂32,.二、性.r一3sinA.万一 一sna( 1 2)3下人深度的确定方法当管柱保持稳定状态时,其螺距 和临界失稳 力分别为螺距准确的确 定管 柱 的下 人深度是油田面临的实际问题,经 过
8、认真的分析研究,提出了求解管柱的最大下入深度问题必须要满足的三个条件,即最大抗拉条件、摩擦力条件和屈曲变形 条件。也就是说,管柱水平 井管柱摩阻力计 茸及下入深 度确 定方法的最大下入深度必须要满足最大抗拉极限,即喻二镇司。其次,管柱的最大下入力P二a x(或管柱自重)必须大于或等于管柱在整个水平井中(或侧钻井等)所受到的总摩擦力,即P)F率。第三,在管柱屈服失稳后不发生永久性变形的条件下求解其最大下入深度问题才有实际意义。也就是说,管柱屈服失稳后所产生的组合应力应小于塑性屈服极限应力,以保证管柱屈服失稳后仍在弹性或部分弹塑性变形以内。在满足以上三个条件后,还必须要清楚管柱的工况条件,清楚管柱
9、的变形形状 以及管柱在井中的受力状况,才能确定管柱的下入深度间题。柱在水平井中屈曲失稳时,首先在竖直段11和水平段1:处发生螺屈,曲率段1:处则最后发生。这种情况可作为我们的参考。假若整个管柱的变形形状真是这样,这种工况可作为求解管柱在侧钻水平井中最小下入深度的一种借鉴。这是一种偏于 安全的计算工况。如果管柱在整个井中仍保持为直线状,可作为求解最大下入深度的一种工况进行计算分析。3 .1确定变形形状如图1所示。将管柱长度依井身结构分为l,、l:和13段,分别对 应 于井身结构的斜直段、弯曲段和水平段。将上述三段再分为三小段,即1 1*、12 ;和13*段,每段中管柱 的变形形状依次为直线状、蛇
10、屈 状和螺旋状,各段间管柱的形状应满足变形协调原则。在确定相应管段的变形形状后,再利用上述摩阻力公式进行计算。3.2受力条件如图1所示。从受力状况来讲,要保证管柱的正常入井,必须使管柱的下入力(或管柱 自重)尸下入力)艺几同时,还必须满足分段后各段底部 处的管柱下入力 关)o。这是迭代求解下入深度的计算手段秘依据。3 .3工况条件根据前人的研究成果和模拟试验表 明 3 :,当管4计算算例以新疆石油管理局八一井区860 7侧钻水平井为例,本例采用安全计算工况用于确定连续油管进行冲砂作业时的最大下入深度。该井基本参数如下:竖直段井深21 5 6m;造斜率12.60/3 om,半径为122.s m;
11、水平段1 19m。最大井斜角86.90,完钻井深2 4 78m,总垂深2 2 9 9.3 5m,水平位移228.4m。连续油管基本数据 为:内径2 7.3 3m m,外径3 1.7 5mm,环 空l旬隙1 5m m,最大下入力17 7.78kN,单位长重量q一1 5.7 5N/m,安全系数取1.4。冲砂时管柱结构为:从井口下入2飞英寸油管+插管,插入封隔器 内形成闭式管柱,在闭式管柱内下入12 5英寸连续油管进行冲砂作业。将以上数据带入上述已导出的计算公式,编程计算结果如下:根据拉伸条件确定的最大下入深度(m ):44 1 6.7;根据稳定性条件确定的最大下入深度(m):2 478;实际总井深
12、(m ):24 75;综合考虑后连续油管的最大下入深度(m):24 78。8607井是我局 目前已钻侧钻井中最深的一口井,计算结果表明,连续油管的下人深度可满足侧钻水平井冲砂工艺的要求,管柱结构安全可靠。同时具有 冲砂午净、彻底,施 工简便等特点,并 可实现连续作业,这是连续油管作业技术所特有的优越性。5结论(1 )在没有准确、可靠算法的前提下,本文提出新疆石油科技1 9 9 9年第1期(第9卷)3 9了一种求解管柱摩阻力的近似算法,为解决工 程实示问题提供了参考;(2 )本文针对油田作业中急待解决的管柱下入呆度问题进行了讨论分析,提出了确定下 入深度 的方法和原则,并通过算例加以说明;(3
13、)本文计算方法适用于钻柱及各种油管柱的下入 深 度计算,其计算结果对现场施工作业有一定均参考价值。参考文献5. P.铁木辛柯,张福范译.弹 性稳定理论.北京:补学出版 社,19 65.刘光 栋,罗汉 来. 结 构稳定理论XiaojunHe. Helie alB口cklingandLoek一upCo nd itio nsforCoi ledTubingStefa ninCurv edWells.S P E2 5 3 70Miska.AnImpr o v edAnalysisofAxialFo r e eA longCoiled TubinginInelined /HorizontalWellbo
14、res.SP E37o56(责任编样:张 怀文)伙 艺轰犷户犷犷轰!公犷又又住院有重点所有特色人有专长新疆石油管理 局采油工艺研究院本着“院有重点,所有特色,人有 专 长”的目标,通过加强人员培养带 动科研生产,以提高全院的整体研究水平。从“八 五”起,新姗石油管 理局 采油工艺研究院就着手以培养“跨世纪 的学科带头人”为 重点工作.多年来,他 们与国内的石 油大学、清华大学等多家大学研究院所 加强联 系和 合作,先后选 派 2 3名科研骨干攻读博士、硕士,在选出去的 同时,还请这些院校的专家教 授到院讲学,进行专题杨 导,为全院科研人员提供尽可能多的学习机 会。为拓宽科研人员的视歼,每年都要
15、与国外的梅特勒、伯金埃尔墨、哈利 伯顿、贝克 等专业技 米公司进 行技术交流。这 个院在培养人才的过 程 中,加大学科梯队建设,除丁鼓励青年科技人员报 考研 究生 继续深造外.还根 据各 个专业学科的需要选派 人员带课题到大学院校进修。对于学术上有 所成就,综合素质高的人员,结合项目送外短期学习.今年已有1 4人次进行 了工程师英语、完井工程、采油气技米、专利评枯等专业培训.还有6名 科研骨干今年开始攻读在职研究生 课 程。这个院的各研究所结 合本所的研究 推广任务,有方向的引进一些 实际 需 要的新技术、新项目.对于在科研工作中表现出色有培养 前途的年青人,放手使用,让他们早承担多承担科研项
16、目,并积机推荐给院有 关部门,为他们提供更多的深造机会。各研究 所根据各自的研究领域结 合油田生产实际,紧抓研究与推广,使科研成果的利用率、及盖面不断提高。对于承担 局 级以上重点研究项目的人员在项目补贴发放上给予政策倾 针。技术人员还可以根据自身特点或从丰基拙研究或从事成果推 广。这 个院每年开展的技米论文、调研报告、实验总结子评比 笑励活动,提 高了研究人员的撰写论文水平。对于发表在国内外有影响的 刊 物上的论文每篇笑励5 00元。这 个院近年来通过改善工作环凌,提高人员待遇,加强人员培养 等多种方式,使科研人员能静下心来苦心钻研,认真解决油田生产 中的难题。截止目前,该院已取得国家级成果1 4个,省部总公司级成果4 0个,局级以上成果1 41个。近三年,这个院的科技增油每年都在1 0x10 4t以上。通过多年 的人员培养,先后培养出国务院管理的专家2名,总公司级学科带头人2名,局级学科带头人及优 秀拨
