減摩及電纜保護(hù)油管短節(jié)設(shè)計(jì)與安裝間距分析

張 勇，左明德，孔令楠，高德利，李博文

減摩及電纜保護(hù)油管短節(jié)設(shè)計(jì)與安裝間距分析

張 勇1，左明德1，孔令楠2，高德利1，李博文1

（1．中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2．渤海能克鉆桿有限公司，河北滄州062658）

針對(duì)磁導(dǎo)向工具在作業(yè)過(guò)程中，油管下放摩阻較大及傳輸電纜磨損的問(wèn)題，提出一種減摩及電纜保護(hù)油管短節(jié)。對(duì)短節(jié)的結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行了闡述，結(jié)合管柱受力變形分析給出了扶正器在井下的安裝間距計(jì)算方法，并進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算和分析。結(jié)果表明：短節(jié)安裝間距計(jì)算方法與實(shí)際要求基本相符，且隨著井斜角的增大，安裝間距減小。該油管短節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，能減少油管在井內(nèi)起下過(guò)程中的摩擦阻力和磨損，有效避免電纜在油管與井壁的環(huán)空中受到擠壓或磨損，保障井下測(cè)試作業(yè)的穩(wěn)定性，節(jié)省作業(yè)時(shí)間和成本。

電纜保護(hù)；油管短節(jié)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；間距分析

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

減摩及電纜保護(hù)的油管短節(jié)主要包括油管短節(jié)本體、萬(wàn)向滾動(dòng)機(jī)構(gòu)、電纜壓蓋、壓蓋內(nèi)六角螺釘，如圖1所示。在油管短節(jié)本體的側(cè)壁上成90°軸向?qū)ΨQ分布有4組萬(wàn)向滾動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中一側(cè)2組機(jī)構(gòu)之間有電纜限位通槽和電纜壓蓋的安裝槽，油管短節(jié)本體的外徑適當(dāng)大于油管外徑，以滿足電纜槽的深度要求及提供電纜壓蓋的裝配空間。電纜壓蓋的外側(cè)對(duì)稱分布有3個(gè)沉頭螺釘孔；通過(guò)壓蓋內(nèi)六角螺釘緊定在油管短節(jié)本體一側(cè)的壓蓋安裝槽內(nèi)，從而將電纜壓緊在電纜限位通槽內(nèi)。萬(wàn)向滾動(dòng)機(jī)構(gòu)包括支承底座、滾動(dòng)鋼球、支承滾珠、密封環(huán)。滾動(dòng)鋼球、支承滾珠、密封環(huán)均安裝在支承底座上，并且通過(guò)螺紋緊定在油管短節(jié)本體外側(cè)的安裝孔內(nèi)；滾動(dòng)鋼球直接與井壁接觸產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦，密封環(huán)的作用是防止污物進(jìn)入支承底座內(nèi)，影響支承滾珠和滾動(dòng)鋼球的正常滾動(dòng)。

圖1　油管短節(jié)結(jié)構(gòu)

2 工作原理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

減摩及電纜保護(hù)的油管短節(jié)安裝于一定間距內(nèi)的兩油管間，如圖2所示。由于磁定位導(dǎo)向工具在井下作用時(shí)，油管的主要作用是將測(cè)量探管連續(xù)輸送至井下某一位置，在直井段油管受自重作用處于垂直拉伸狀態(tài)，很少會(huì)發(fā)生摩擦。因此，油管短節(jié)只需要在井眼的水平段和造斜段安裝；并且，從水平段往直井段延伸，兩油管短節(jié)間的安裝間距越來(lái)越大；連續(xù)安裝的油管短節(jié)支撐油管，通過(guò)外側(cè)的萬(wàn)向滾動(dòng)機(jī)構(gòu)與套管內(nèi)壁的滾動(dòng)摩擦，減少油管在井內(nèi)起下過(guò)程中的摩擦阻力和磨損；電纜在井下從旁通閥引出后，分別通過(guò)電纜壓蓋壓緊在每個(gè)油管短節(jié)本體上，同時(shí)保持電纜在兩油管短節(jié)之間具有一定的拉伸余量，防止電纜自由懸空在油管與套管內(nèi)壁的環(huán)空中或纏繞油管上，有效避免或減少電纜在油管起下輸送測(cè)量探管的過(guò)程中受到擠壓和磨損以及電纜在井內(nèi)自身與套管內(nèi)壁的磨損，避免出現(xiàn)磁場(chǎng)探測(cè)不穩(wěn)定以及數(shù)據(jù)傳輸異常等現(xiàn)象，保障電纜在井下供電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

圖2　短節(jié)工作原理

3 安裝間距分析與計(jì)算

在分析油管短節(jié)在井下安放位置時(shí)，首先需要了解油管在井內(nèi)起下過(guò)程中的摩阻和軸向力分布，分析兩短節(jié)之間管柱的受力變形，然后根據(jù)變形值來(lái)判斷是否與管壁發(fā)生接觸，一旦發(fā)現(xiàn)兩短節(jié)之間與管壁接觸，則縮短兩短節(jié)之間的距離，直至所有油管均不與壁接觸，最后得到水平井穩(wěn)斜井段及水平井段短節(jié)合理的安放位置。

3．1 管柱受力變形分析

在縱橫彎曲條件下，管柱所呈現(xiàn)出的初彎曲對(duì)受力后管柱的變形有較大影響。修正初彎曲影響最常用的方法是：以一相當(dāng)?shù)臋M向載荷所產(chǎn)生的影響來(lái)代替初彎曲對(duì)撓度的影響，并要求相當(dāng)?shù)木紮M向載荷的彎矩與有初彎曲時(shí)軸向力所產(chǎn)生的彎矩相同。管柱初彎曲后因其方位角不變，所以受力在一個(gè)鉛垂平面上。因此，建立兩短節(jié)間的油管柱力學(xué)分析模型，如圖3所示［3-6］。

圖3　兩短節(jié)間油管柱力學(xué)模型

圖3中：P為軸向力；T為油管的軸向載荷；Y0為初彎曲撓度；Y1為在初彎曲基礎(chǔ)上的彎曲撓度；l為兩油管短節(jié)間的油管長(zhǎng)度；β為l長(zhǎng)度井段平均狗腿角。

假定兩短節(jié)之間油管的撓曲曲線為二次拋物線，則其最大初彎曲撓度的近似值為

假定初彎曲撓度曲線為一拋物線，則

將P值代入式（3）可得

設(shè)油管柱的二次撓曲變形曲線為

則油管柱的總撓度曲線表達(dá)式為

該幾何邊界條件為

（在施工計(jì)算中，由于L相對(duì)曲率半徑R是極小的數(shù)值，即l 接近于零，由泰勒級(jí)數(shù)可知：

兩短節(jié)間在外載荷的作用下從正直狀態(tài)發(fā)生撓曲至Y，產(chǎn)生的彎曲應(yīng)變能為

則

在一彈性系統(tǒng)中，對(duì)其平衡位置作一微小位移，此系統(tǒng)位能增量應(yīng)等于內(nèi)力在此位移下所作的功。當(dāng)撓度曲線用Y0表示時(shí)，微小的位移可以使用系數(shù)a1，a2，a3，…的微小改變來(lái)求解。若系數(shù)an有一微小增量d an，在y方向上產(chǎn)生1個(gè)微小的位移增量，結(jié)合初彎矩所產(chǎn)生的等效均布載荷，則外力在此位移下所作的功有：

油管柱的有效重力橫向載荷做功為

油管柱的有效重力縱向載荷做功為

油管柱軸向力做功為

油管柱應(yīng)變能的增量為

彈性系統(tǒng)中，平衡位置若有變動(dòng)，則可知系統(tǒng)的位能增量等于內(nèi)力在其位移下所做的功，則

由式（14）化簡(jiǎn)可得

二維斜直、水平井段的撓度一般發(fā)生在2個(gè)油管柱短節(jié)的中間位置（x＝l），即

在實(shí)際工程應(yīng)用中，用a1代替an就可以達(dá)到工程要求，則

2個(gè)短節(jié)中點(diǎn)處的油管發(fā)生的撓度最大，最易與管壁發(fā)生接觸。油管短節(jié)的安裝確定原則為：油管的最大偏心距小于或者等于許可偏心距［6］，用公式表示為

油管許可的偏心距取理論最大值（忽略油管以及短節(jié)彈性變化），設(shè)油管直徑為Dh，短節(jié)的外徑為Dg，即

式中：I為油管的截面慣性矩，m4；E為彈性模量，；We為油管在井中的有效重力，分別為井斜角、井斜角增量、平均井斜角，（°）；δmax為油管的最大撓度，m；［e］為油管的許可偏心距，m；Dg為油管短節(jié)的最大外徑，m；Dh為油管外徑，m。

3．2 安放間距計(jì)算

油管短節(jié)安裝間距的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)就是給定1個(gè)油管柱的居中度，并結(jié)合初始的油管柱短節(jié)的安裝間距，通過(guò)軟件編程計(jì)算逐步逼近求出滿足給定油管居中度的安裝間距。若安裝短節(jié)的數(shù)量過(guò)多、過(guò)密，并使油管柱的剛度大幅增加，特別是在彎曲井段和部分井眼曲率變化較大的造斜段，過(guò)大的剛度值有可能使測(cè)量探管難以下入到預(yù)計(jì)的位置。

為了更加節(jié)省操作時(shí)間并使安裝難度貼合工程實(shí)際，油管短節(jié)安裝間距的優(yōu)化設(shè)計(jì)按照工程常規(guī)做法，一般采用每1根、2根、3根最多4根油管之間安裝1個(gè)短節(jié)，因此安裝距離有9．47、18．94、28．41、37．88 m 4種間距可供選擇（實(shí)際工程安裝間距）。首先給出1個(gè)初始的試算值38 m，程序自動(dòng)計(jì)算此時(shí)油管的居中度，滿足居中度要求，則取該值；如果不滿足，則按設(shè)定步長(zhǎng)0．5 m遞減至滿足居中度要求，輸出該值。在實(shí)際工程應(yīng)用中，依然取單根的整數(shù)倍，如計(jì)算的準(zhǔn)確值為29．5 m，則按照28．41 m來(lái)進(jìn)行安裝，即對(duì)lmax／l四舍五入取整數(shù)N，則按照單根的N倍進(jìn)行安裝［7-8］。計(jì)算流程如圖4。

圖4　安裝間距計(jì)算流程

4 算例分析

以遼河油田杜84區(qū)塊某井為例，計(jì)算減摩及電纜保護(hù)的油管短節(jié)在井下的安裝間距。該水平井設(shè)計(jì)井深992 m，水平段長(zhǎng)度500 m，造斜點(diǎn)為70 m，造斜率8°／30 m，?215．9 mm鉆頭完鉆，實(shí)際鉆完井深為1 000 m，最大井斜角90．13°，最大井眼曲率10．5°／30 m，完鉆后在水平段下入?177．8 mm的套管，根據(jù)上述短節(jié)安裝間距計(jì)算方法進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　杜84區(qū)塊某井油管短節(jié)安裝間距模擬計(jì)算結(jié)果

表1的計(jì)算結(jié)果表明：按照兩油管短節(jié)間的油管不與套管壁接觸的原則，在井斜角較小的井段，可以3根油管安裝1個(gè)短節(jié)，隨著井斜角的增大，安裝間距減?。沪痢?0°后，每2根油管之間安裝1個(gè)短節(jié)；在水平井段，滿足一定偏心距的情況下，油管與套管不接觸則需要每單根油管接1個(gè)短節(jié)；電纜不與套管壁發(fā)生摩擦。同時(shí)，軸向力對(duì)油管短節(jié)的安裝間距也有較大的影響，軸向力越大，短節(jié)的安裝間距則要求越小。

5 結(jié)論

1)對(duì)減摩及電纜保護(hù)油管短節(jié)結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行了闡述，并結(jié)合管柱受力對(duì)其在井下的安裝間距進(jìn)行分析。合理的短節(jié)安放間距能減少磁導(dǎo)向工具在井下作業(yè)時(shí)油管起下過(guò)程中的摩擦阻力和磨損，避免傳輸電纜井內(nèi)受到擠壓或磨損，保障井下測(cè)試作業(yè)的穩(wěn)定性。

2)短節(jié)安裝間距的確定應(yīng)綜合考慮井斜因素（井斜角α）和油管柱的受力情況；按彎曲斜井段和水平井段應(yīng)合理確定間距，保證油管盡可能不與套管產(chǎn)生摩擦，才能起到降低油管的摩擦磨損及防止傳輸電纜受到擠壓或磨損的作用。一般情況下，油管柱下部受壓段短節(jié)安裝間距較小，由下往上間距逐漸增大；且隨著井斜角的增大，安裝間距減小。

［1］徐云龍，馬鳳清，馮光通．磁性導(dǎo)向鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］．鉆采工藝，2012，35（2）：35-37．

［2］楊頡，夏宏男，鮮菊，等．磁導(dǎo)向技術(shù)在稠油SAGD中的應(yīng)用分析［J］．河南科技，2013（6）：36-37．

［3］周繼德．定向井抽油桿短節(jié)及其間距的設(shè)計(jì)［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，1993，22（1）：45-48．

［4］覃成錦，胡小兵，高德利．斜井抽油桿短節(jié)安放間距三維計(jì)算［J］．石油機(jī)械，1997，25（5）：45-48．

［5］甘慶明，黃偉，郭芳元，等．定向井油管短節(jié)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（6）：48-50．

［6］龔偉安．斜井與水平井短節(jié)計(jì)算的三彎矩方程解法［J］．石油鉆采工藝，1996，18（4）：15-24．

［7］叢蕊，董世民．抽油桿柱穩(wěn)定性問(wèn)題的研究［J］．石油機(jī)械，2002，30（8）：17-19．

［8］余梅卿，申秀麗．稠油斜直井抽油桿扶正器安放間距計(jì)算［J］．石油機(jī)械，1997，25（12）：7-9．

Eesign and Mounting Eistance Analysis of Tubing Nipple for Anti-friction and Cable Protection

ZHANG Yong1，ZUOMingde1，KONG Lingnan2，GAO Deli1，LI Bowen1
（1．Key Laboratory for Petroleum Engineering of the Ministry of Education，China Uniuersity of Petroleum，Beijing 102249，China；2．Bohai Nkk Drill Pipe Co．，Ltd．，Cangzhou 062658，China ）

Tubing nipple for anti-friction and cable protection came up with the problem of the large tubing friction and cable wearing in the operation process of magnetic steering tools．The structure and principle of the tubing nipple，combined with the installation of the force of the down-hole installation spacing calculation method，was expounded．The practical calculation and analysis show that calculation method is consistent with the actual requirements，and with the increase of deviation angle，installation spacing decreases．The tubing nipple has simple structure and easy installation．It can reduce the friction and wear of tubing in the downhole operation，time and cost．And it can effectively avoid the wear and tear of cable between tubing and borehole wall to ensure the stability of the downhole testing．

cable protection；tubing nipple；structure design；distance analysis磁定位導(dǎo)向技術(shù)作為解決雙水平井、U型井等井眼軌跡測(cè)量和控制的核心技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。其磁定位導(dǎo)向工具的測(cè)量探管是通過(guò)與油管連接，采用井口修井機(jī)下放至井內(nèi)；而傳輸電纜則是由測(cè)井絞車控制［1-2］。但油管在起下過(guò)程中與套管內(nèi)壁相互磨損嚴(yán)重，同時(shí)加大了摩擦阻力，延長(zhǎng)了測(cè)量探管下放的時(shí)間。并且，由于傳輸電纜自由懸空在油管和套管之間，或纏繞油管上；而油管在起下過(guò)程中與套管內(nèi)壁的摩擦以及電纜自身與套管的摩擦，易對(duì)電纜造成擠壓和磨損，導(dǎo)致電纜供電和數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生異常，影響磁定位導(dǎo)向工具在井下測(cè)試的正常作業(yè)。因此，研發(fā)和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便快捷的油管減摩及電纜保護(hù)的輔助工具越來(lái)越受到人們的重視，不僅能夠節(jié)省大量的作業(yè)時(shí)間和成本，還能提高井眼軌跡測(cè)量的準(zhǔn)確度。

TE931．2

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．010

1001-3482（2015）04-0039-05

2014-10-18

國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題“復(fù)雜結(jié)構(gòu)井優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制關(guān)鍵技術(shù)”（2011ZX05009-005）；國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目（51221003）

張 勇（1990-），男，湖南長(zhǎng)沙人，碩士研究生，主要從事油氣井力學(xué)與控制工程方向的研究，E-mail：zy＿1363＠163．com。