定向井的多層分注管柱串通過性分析

馮定，施雷，夏成宇，張紅，涂憶柳

長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北荊州434023

定向井的多層分注管柱串通過性分析

馮定*，施雷，夏成宇，張紅，涂憶柳

長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北荊州434023

隨著定向井注水層數(shù)增多，多層分注管柱串的通過性分析，是施工過程中確保油井安全、防止管柱失效的主要方法，嚴重影響井下分注工藝的成功實施。以多個封隔器和配水器（5個工具以上）組成的多層分注管柱串整體為分析對象，充分考慮井眼軌跡、曲率、井徑、地層摩阻、套管直徑等因素的影響，采用力法和位移法，結(jié)合能量和動力學(xué)分析方法，在三維空間下，分析管柱串與套管內(nèi)壁之間的摩擦阻力與管柱串整體通過能力之間的關(guān)系，建立了一種可用于定向井至水平井的多層分注管柱串在起下過程中的動態(tài)載荷和受力剖面模型，在井筒的最大曲率處，比較管柱串下端的軸向作用力與摩擦阻力，從而實現(xiàn)對多層分注管柱的通過性分析。最后結(jié)合工程實例，對多層分注管柱串進行了通過性和安全性分析，給現(xiàn)場作業(yè)提供了良好的工程指導(dǎo)。

定向井；多層分注；管柱串；通過性；計算方法

引言

隨著油田開發(fā)進入中后期，儲層原始壓力逐漸下降、產(chǎn)量逐漸降低，為了提高原油采收率，大多數(shù)油田均會采用驅(qū)油效率高、易控制、好調(diào)整、經(jīng)濟效益高的注水開采、增產(chǎn)增注技術(shù)［1］。目前的多層注水、分階段逐步綜合調(diào)整非常適合于中國陸相油田非均質(zhì)嚴重、層系多的特點［2］。

分注管柱是保證注水、增產(chǎn)、增注工作順利進行的重要工具，受到充滿井液的狹長井眼約束，在定向井中承受著拉、壓、彎、扭、流體壓力等多種載荷作用，再加上封隔器、配水或配注器等井下工具的約束，使得分注管柱的受力、變形及運動狀態(tài)十分復(fù)雜。如在二層的分注中就需要3個封隔器、2個配水或配注器共5個工具組成的分注管柱串。隨著多層細分注工藝技術(shù)的實施［3-4］，分注的層數(shù)在逐漸增加，如進行五層分注，至少需要10個工具組成的分注管柱串進行施工。因此多層分注管柱串的通過性分析，是施工過程中確保油井安全、防止管柱失效的主要問題，也嚴重影響到井下分注工藝的成功實施。目前的分注管柱通過性分析集中在3層以內(nèi)，而且假設(shè)管柱是剛性［5-13］；而對于超過4層、5層及以上的分注，由于井眼軌跡、卡距密封性、分注有效期、測調(diào)效率、測試資料誤差等各種因素的影響，還沒有切實可行、成熟的多層分注管柱串通過性分析理論。

1 通過性分析的理論基礎(chǔ)

定向井井眼軌跡主要是由3段式或5段式鉆井方式完成，如圖1所示。通常由直井段、造斜段（增斜或降斜段），穩(wěn)斜段（包括水平段）組成。

圖1 定向井井眼軌跡Fig.1 Hole trajectory of directionalwell

在直井段，多層分注管柱串受重力作用，可以順利下入和起出。當管柱到達造斜段時，由于井眼軌跡的彎曲，多層分注管柱串與井壁大面積接觸，使得管柱串受到較大的摩阻力。同時，隨著井眼的彎曲，管柱串也產(chǎn)生彎曲，從而會出現(xiàn)直井段中不可能遇到的一些問題。

（1）隨著井斜角的增大，管柱串與井壁接觸面積不斷增大，產(chǎn)生的摩阻力不斷增加，管柱串下入過程受阻而無法順利下到指定位置。同時，在彎曲段隨著井眼的彎曲，管柱串承受彎曲應(yīng)力作用。彎曲應(yīng)力隨井眼曲率半徑的減小而增加，如超過管柱串鋼材的強度極限，則引起管柱串破壞。

（2）當管柱串進入穩(wěn)斜段后，井眼的井斜角近似不變，管柱串可能會完全貼在井壁上，地層對管柱串的摩擦阻力相當大，可能使得管柱串下入受阻。同時，當管柱串剛性很大時，有可能在井眼曲率半徑較小的彎曲段，尤其是五段式的井眼軌跡中，管柱串卡在井眼中，無法繼續(xù)下入。

（3）多層分注管柱串是由多個封隔器和多個配水或配注器，通過油管聯(lián)接而成。通常封隔器和配水、配注器的剛度遠高于油管，當管柱串的彎曲應(yīng)力未超過材料的屈服極限時，可能由于聯(lián)接的油管喪失穩(wěn)定性而發(fā)生變形，形成橢圓狀管柱截面，使得后續(xù)生產(chǎn)所用到的工具無法下入；當管柱串彎曲程度嚴重時，也有可能產(chǎn)生屈曲變形。

在定向井或水平井中，井眼的曲率半徑越小，上述問題越嚴重。針對以上問題，國內(nèi)外學(xué)者對通過性分析進行了一定的研究。國外學(xué)者側(cè)重于管柱力學(xué)的解決方案［14-16］。LunbinkiA等重點研究了油管內(nèi)外液體壓力對螺旋屈曲的影響，提出了油管屈曲的“虛構(gòu)力”概念隨后，又用能量法建立了封隔器管柱螺旋屈曲后的螺距與軸向力之間的關(guān)系［17-18］。HammerlindiD J和Dawson R等人對多級封隔器組合管柱的受力、應(yīng)力和變形的計算做了許多研究分析，豐富和完善了LubinskiA理論的使用條件和范圍［19-20］，理論上是當管柱不發(fā)生螺旋屈曲時，管柱串就能下入（式（1））。

中國在管柱串通過性研究方面的工作起步較晚，在理論和實驗研究方面都存在一定差距。目前是利用在下入過程中的管柱摩擦阻力的大小為依據(jù)，判斷管柱及工具是否能下入，解決了套管、完井工具、二層的分注井工具的通過性分析，分析中通常假設(shè)工具是不能變形的剛性物體［6-7，21］。趙俊平、蘇義腦在剛性通過性基礎(chǔ)上提出了幾何法分析通過性的一般模式，并用縱橫彎矩法分析下入鉆井工具臨界長度的柔性通過性計算方法［5］，該方法考慮了工具的變形，使得計算結(jié)果與實際結(jié)果較為接近。而研究多個封隔器和多個配水或配注器的管柱串的整體通過性沒有報道，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的力法和位移法原理，充分考慮井眼軌跡、地層摩阻、自重等因素的影響，建立了一種分析管柱串是否能整體通過的分析方法，可用于分析在起下過程中多層分注管柱串是否能安全通過，指導(dǎo)現(xiàn)場工作。

2 卡點位置分析

點位置就是多層分注管柱串最難通過的位置，并不是“狗腿度”最大的位置，通常是三維井眼軌跡的最大曲率處。曲率越大，井眼軌跡的曲率半徑越小，管柱串的通過能力越??；反之，曲率越小，管柱串的通過能力越大。為了確定管柱串的卡點位置，就需要計算出井眼軌跡的最小曲率半徑所在的位置。井眼軌跡是一條三維的空間曲線，見圖2。

圖2 三維井眼軌跡坐標系示意圖Fig.2 Sketch of the three dimensionalhole trajectory

圖2中，Os位于井眼軌跡線上的任意一點（曲線矢量為r（s），T指向該點的切線方向，N指向該點的主法線方向，B指向該點的副法向方向。由微分幾何，可得到

代入井眼軌跡參數(shù)，可計算出每個測點曲率半徑，通過比較可獲得井眼軌跡中曲率半徑最小的位置，即卡點位置。

3 管柱串通過性分析

在下入過程中，多層分注管柱串在通過造斜段和穩(wěn)斜段時會產(chǎn)生摩擦阻力，若下入管柱串的軸向分力大于其產(chǎn)生的摩擦阻力，即管柱串能產(chǎn)生一個向下的軸向作用力，則認為分注管柱串可以通過。由于油管與套管的摩擦系數(shù)遠小于分注工具（封隔器、配水器等）與套管的摩擦系數(shù)，而且油管直徑小于封隔器和配水器直徑，因此整個管柱串的通過能力取決于裝有多個封隔器和配水器的下部管柱段，如圖3所示。

3.1 多層分注管柱串整體通過性分析方法

假設(shè)：（1）封隔器和配水器與套管為剛性接觸，通過比較分隔的層間間距，可以將封隔器和配水器與套管看成是點接觸；（2）封隔器和配水器為彈性體，容許有一定變形，但確保在下入指定位置時可正常工作；（3）多層分注管柱串的軸線與井眼軌跡的軸線一致。

下入過程中，多層分注管柱串在造斜和穩(wěn)斜段的受力可以簡化為：（1）管柱串沿著井眼軌跡變形所產(chǎn)生的附加力；（2）上端油管傳遞給管柱串的軸向力；（3）管柱串自身重力；（4）管柱串向下運動產(chǎn)生的摩擦阻力；如圖4所示。如果軸向合力Fr＜0時，管柱串就可以通過，反之則不能通過。

圖3 多層分注管柱串（下部）Fig.3 M ulti-packer in jection string（lower part）

圖4 管柱串簡化力學(xué)模型Fig.4 Sim p lifiedmechanicalmodelof the string

3.2 井眼軌跡對管柱串產(chǎn)生的附加作用力

井眼軌跡對管柱串產(chǎn)生的附加作用力是指管柱串在卡點位置處，沿最小曲率半徑的弦高為變形量時的套管對管柱串的支反力，如圖4中的N1～Nn所示，管柱串中對應(yīng)的封隔器和配水器處的變形量分別為，如圖5所示。

多層分注管柱串是由多個封隔器和配水器通過油管聯(lián)接而成，通常封隔器和配水器的長度遠小于工具之間的長度，由此可將各封隔器和配水器與套管內(nèi)壁看成是點接觸，所以可以將整個管柱串看成是一個多點支撐的超靜定梁，則建立的附加作用力方程為

圖5 管柱串在卡點位置處的變形圖Fig.5 Deformation diagram of the string at stuck-point

（1）柔度系數(shù)

柔度系數(shù)是由單位作用力Ni=1引起的在第j個封隔器或配水器沿其力方向上的位移，如圖6所示，由文獻［22］的撓曲方程，可得

圖6 柔度系數(shù)計算示意圖Fig.6 Calculation diagram of com p liance coefficient

（2）分注工具沿井眼軌跡的變形量

分注工具在通過直井段時，由于不受井眼軌跡的影響，可認為多層分注管柱串在直井段不發(fā)生變形；在通過彎曲段時，特別是通過卡點位置時，由于井眼軌跡的影響，分注工具與井壁接觸，使得多層分注管柱串沿井眼軌跡發(fā)生變形，彎曲段井眼軌跡可近似為一段圓弧，可認為多層分注管柱串變形后軸線為一段圓弧［23］，圓弧半徑為井眼軌跡的曲率半徑。設(shè)井眼軌跡的最小曲率半徑為Rmin，由多層分注管柱串的變形協(xié)調(diào)條件可以得出各多層分注工具的變形量，變形條件和平面直角坐標系如圖7所示。設(shè)管柱串中各工具的橫坐標為xi，管柱串的最大間距為L，則可求得各分注工具沿井眼軌跡的變形量

由式（9）～式（10）可求得附加作用力在多層分注管柱串上產(chǎn)生的摩擦阻力

圖7 工具串的變形條件Fig.7 The deformation condition of the string

3.3 多層分注管柱串軸向合力計算

多層分注管柱串除了承受井眼軌跡對管柱串產(chǎn)生的附加作用力，還承受套管對管柱串摩擦力、上部載荷及自身浮重的綜合作用。如圖4所示，把每個封隔器和配水器之間的部分看作是一個連續(xù)梁單元，則整個分注管柱串可以劃分為n?1個單元，利用矩陣位移法建立整個多層分注管柱串的剛度方程

3.3.1 整體坐標系下單元剛度矩陣

整體坐標xo y與局部坐標x′o y′的關(guān)系如圖8所示，局部坐標下的單元剛度矩陣為

圖8 單元載荷和結(jié)構(gòu)位移Fig.8 Load and structuredisplacementunit

局部坐標系x′o y′向整體坐標系xo y轉(zhuǎn)換的單元坐標轉(zhuǎn)換矩陣為

3.3.2 整體坐標系下單元荷載列陣

在局部坐標x′o y′下，局部單元荷載列陣由井眼軌跡對管柱串產(chǎn)生的附加作用力、套管對管柱串摩擦力、上部載荷和自身浮重4部分組成

由單元坐標轉(zhuǎn)換矩陣將局部單元荷載列陣轉(zhuǎn)換整體坐標系下單元載荷列陣為

在局部坐標x′o y′下單元位移列陣為

整體坐標系下單元位移

由式（14）～（20）可得出管柱串中各工具的結(jié)構(gòu)位移，并計算出各個封隔器、配水器處的作用力及軸向合力Fr，依據(jù)多層分注管柱串整體通過性分析方法，就可以判斷整個管柱是否可安全下入，完成通過性分析。

4 計算實例

已知某井要對6層進行分注施工，多層分注管柱串是由6個封隔器和6個配水器間隔組成，間距分別為20，20，2，4，2，3，10，10，13，10，10m。封隔器的外徑均為114mm，長為1 470mm，配水器外徑均為114mm，長為640mm。根據(jù)所給的井眼軌跡參數(shù)，求得其最小曲率半徑為191.508 4m，在測點1 450m處，部分井眼軌跡參數(shù)如表1所示。

表1 井眼軌跡參數(shù)Tab.1_ The rating ofwell track

（1）附加作用力計算

由式（8）～式（11），可以分別求得：N1=?366.199 1 N；N2=101.8884 N；N3=524.655 6 N；N4=?137.875 3 N；N5=106.049 9 N；N6= 121.075 9 N；N7=?216.567 1 N；N8=98.924 6 N；N9=?46.947 1 N；N10=109.939 5 N；N11=?394.018 6N；N12=99.073 3N。

其中附加作用力為正，表示封隔器或配水器與套管下壁接觸，如N2、N3、N5、N6、N8、N10和N12，為負則與套管上壁接觸，如N1、N4、N7、N9和N11。

（2）油管的強度校核通過計算各封隔器和配水器處的作用力，由疊加原理計算多層分注管柱串各段彎矩和軸力，彎矩如圖9所示。

圖9 多層分注管柱串彎矩圖Fig.9 M ultip le points in jection string bendingmoment diagram

為了校核多層分注管柱串的最大應(yīng)力，本文采用三維軟件進行了實體建模，并采用結(jié)構(gòu)有限元模塊對模型進行了分析。依據(jù)管柱結(jié)構(gòu)尺寸，建立模型，并在各分注工具上加載計算出的附加作用力、套管對管柱串摩擦力、上部載荷和自身浮重，在管柱兩端添加約束，解得在此變形條件下，分注管柱的最大應(yīng)力為382MPa，位于第四和第五個分注工具上，小于材料的屈服極限620MPa，多層分注管柱串不會因變形而失效。

（3）管柱串通過性計算通過強度校核可知多層分注管柱串下入時不會因為變形而失效，將計算所得附加作用力N1～N12代入式（13）～（20）中，解得Fr=?5 213.743 6 N＜0，由此可判斷，所設(shè)計的多層分注管柱串可通過該井的卡點位置。

5 結(jié)論

（1）建立了多封隔器注水管柱串的力學(xué)模型，并提出了判斷分注管柱串通過性的計算依據(jù)。

（2）結(jié)合位移疊加原理和變形協(xié)調(diào)條件，由力法求出了套管對各封隔器和配水器的附加作用力，從而求出附加摩阻。

（3）綜合考慮了井眼軌跡、上端軸力、自身浮重和摩擦力對多層分注管柱串的影響，利用矩陣位移法建立了多層分注管柱串整體通過性模型。

（4）驗證表明，現(xiàn)場50口井分注管柱串的進計算與仿真結(jié)果與實際數(shù)據(jù)非常吻合，對多層分注管柱串的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

（5）以管柱串整體變形為分析對象，分析管柱串與套管內(nèi)壁之間的作用關(guān)系，建立的多層管柱串通過性模型，不僅可適用定向井至水平井的各類井型，還可用于鉆井和開發(fā)過程中的多工具串的通過性分析。

符號說明

Fcr管柱螺旋屈曲臨界載荷，N；

E-管柱彈性模量，GPa；

I截面矩，m4；

q-管柱單位長度重力，kgf（1 kgf=9.8N）；

r 曲線單位矢量；

et切向單位向量；

en法向單位向量；

eb副法向單位向量；

s井深，m；

K井眼曲率，rad/m；

bx，by，bz副法向單位向量在x，y，z軸方向的分量；

α井斜角，rad；

?方位角，rad；

Kα井斜變化率，rad/m；

K?方位變化率，rad/m；

Fr軸向合力，N；

Ff管柱自身浮重，N；

N-附加作用力矩陣，N；

Δ-工具變形量矩陣；

n-工具按順序的編號；

δ柔度矩陣；

L 管柱串總長，m；

xi第i個工具的x軸坐標，m；

xj第j個工具的x軸坐標，m；

Rmin井眼軌跡的最小曲率半徑，m；

xr變形后管柱串軸線圓心x軸坐標，m；

yr變形后管柱串軸線圓心y軸坐標，m；

θ變形后管柱串軸線對應(yīng)的圓心角，rad；

μ摩擦系數(shù)，無因次；

Fμ摩擦力矩陣，N；

ξ-位移矩陣；

K-剛度矩陣；

ke___單元剛度矩陣；

Fe___單元載荷列陣；

A梁的橫截面積，m2；

U梁的長度，m；

θi，θi+1局部坐標系下第i，i+1個節(jié)點處位移方向變化角，rad；

Ui，Ui+1第i，i+1個節(jié)點處力法向位移矢量，m；

Vi，Vi+1第i，i+1個節(jié)點處力切向位移矢量，m；

FX′i，F(xiàn)X′（i+1）第i，i+1個節(jié)點處力的x軸分量，N；

FY′i，F(xiàn)Y′（i+1）第i，i+1個節(jié)點處力的y軸分量，N；

Mi，Mi+1第i，i+1個節(jié)點處的力矩，N·m；

γ局部坐標與整體坐標系夾角，rad；

T 單元轉(zhuǎn)換矩陣；

ξe整體坐標系下單元位移列陣；

［1］李陽.陸相高含水油藏提高水驅(qū)采收率實踐［J］.石油學(xué)報，2009，30（3）：396-399.

LIYang.Study on enhancing oil recovery of continental reservoir by water drive technology［J］.Acta Petrolei Sinica，2009，30（3）：396-399.

［2］韓大匡.關(guān)于高含水油田二次開發(fā)理念、對策和技術(shù)路線的探討［J］.石油勘探與開發(fā)，2010，37（5）：583-591.

HAN Dakuang.Discussions on concepts，countermeasures and technical routes for the redevelopment of high water-cut oilfields［J］.Petroleum Exploration and Development，2010，37（5）：583-591.

［3］韓大匡.準確預(yù)測剩余油相對富集區(qū)提高油田注水采收率研究［J］.石油學(xué)報，2007，28（2）：73-78.

HAN Dakuang.Precisely predicting abundant remaining oil and improving the secondary recovery ofmature oilfields［J］.Acta PetroleiSinica，2007，28（2）：73-78.

［4］王家宏.多油層油藏分層注水穩(wěn)產(chǎn)條件與井網(wǎng)加密調(diào)整［J］.石油學(xué)報，2009，30（1）：80-83.

WANG Jiahong.Stable production conditions and well pattern infilling for development of multilayered reservoir w ith separate zone water injection［J］.Acta Petrolei Sinica，2009，30（1）：80-83.

［5］趙俊平，蘇義腦.鉆具組合通過能力模式及其分析［J］.石油鉆采工藝，1993，15（5）：1-6.

ZHAO Junpin，SU Yinao.Drilling toolAssembly passage capacitymodel and its analysis［J］.Oil Drilling and Production Technology，1993，15（5）：1-6.

［6］于長錄，金有海.水平井完井管柱摩阻預(yù)測模型建立與下入性分析［J］.石油機械，2009，37（9）：134-136.

YU Changlu，JING Youhai.Horizontalwell completion string friction drag prediction model establishment and down intoanalysis［J］.ChinaPetroleum Machinery，2009，37（9）：134-136.

［7］劉德平，李江，朱莎.廣安002-H1井長水平段篩尾管下入技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（6）：67-68.

LIU Deping，LIJiang，ZHU Sha.Application of screen liner running in thewell 002-H1［J］.Natural Gas Industry，2010，30（6）：67-68.

［8］冉競.大斜度井壓裂酸化中的井下工具［J］.鉆采工藝，1990，13（2）：70- 73.RAN Jing.Downhole tools in highly deviated fracturing and acidizingwells［J］.Oil Drilling and Production Technology，1990，13（2）：70-73.

［9］趙旭亮.剛性井下工具通過能力分析［J］.石油機械，2011，7（10）：66-68.

ZHAO Xuliang.The capability analysis of Rigid downhole tools［J］.China Petroleum Machinery，2011，7（10）：66-68.

［10］狄勤豐，余志清.動力鉆具通過能力計算模式及其分析［J］.斷塊油氣田，1996，7（4）：40-43.

DIQinfeng，YU Zhiqing.The formulas and analysis of passing-through ability of downhole motor（PTAM）［J］. Fault-block Oil&Gas Field，1996，7（4）：40-43.

［11］沈曦，張強.大位移井磨銑打撈管柱可下入性分析［J］.機械工程師，2008，12（1）：31-32.

SHEN Xi，ZHANGQiang.Tripability analysisofmilling and fishing string in large displacementwell［J］.Mechanical Engineer，2008，12（1）：31-32.

［12］晆滿倉，孟坤六，杜鐮.水平井管柱下入摩阻分析及應(yīng)用［J］.石油機械，1999，27（2）：6-8.

SUIMancang，MENG Kunliu，DU Lian.Analysis of friction on drill string in horizontal drilling［J］.China Petroleum Machinery，1999，27（2）：6-8.

［13］何世明.水平井下套管摩阻分析計算［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報，1997，19（2）：21-26.

HE Shim ing.Calculation of frictional drag of casing running in horizontal wells［J］.Journal of Southwest Petroleum Institute，1997，19（2）：21-26.

［14］DAWSON JF.Torque and drag in direct ionalwells prediction andmeasurement［C］.SPE 11380，1984.

［15］SM ITH B B.Uses and lim itation of a directional and torquemodel tomonitorhole conditions［C］.SPE 16664，1989.

［16］BRETT JF，BECKETT A D，HOLT C A，et al.Uses and limitationsofdrillstring tensionand torquemodels for monitoring hole conditions［J］.SPEDrilling Engineering，1989，4（3）：223-229.

［17］LUBINSKIA，BLENKARN K A.Buckling of tubing in pumping wells，its effectandmeans for controlling it［J］. Trans.，AIME，1957：73-88.

［18］LUBINSKIA，ALTHOUSE W S，LOGAN J L.Helical buckling of tubing sealed in packers［J］.JPT，1962，14（6）：655-670.

［19］HAMMERLINDID J.Packer-to-tubing forces for intermediate packer［J］.JPT，1980，32（3）：515-527.

［20］DAWSONR，PASLAYPR.Drillpipebuckling in inclined holes［J］.JPT，1984，36（10）：1734-1738.

［21］王德新，于潤橋.套管柱在水平井彎曲段的可下入性［J］.石油鉆探技術(shù)，1997，25（1）：12-13.

WANG Dexin，YU Runqiao.Tripability of casing string in the curved interval of horizontal well［J］.Petroleum Drilling Techniques，1997，25（1）：12- 13.

［22］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

LIU Hongwen.Materialmechanics［M］.Beijing：Higher Education Press，2004.

［23］何超，匡衛(wèi)紅，廖喜.電潛螺桿泵在小井眼大斜度井的通過性計算［J］.石油鉆采工藝，2012，（S1）：51-54.

HEChao，KUANGWeihong，LIAOXi.Passing calculation of the electric submersible screw pump in slim-hole horizontal well［J］.Oil Drilling and Production Technology，2012，（S1）：51- 54.

編輯：王旭東

編輯部網(wǎng)址：http：//zk.swpuxb.com

The Pass-through Capacity Analysis for M ulti-layer Injection Strings in DirectionalWells

FENG Ding*，SHILei，Xia Chengyu，ZHANG Hong，TU Yiliu
SchoolofMechanical Engineering，Yangtze University，Jingzhou，Hubei434023，China

With the increaseofwater injection layersin directionalwells，thepass-through capacity analysisof injection strings becomes necessary.The pass-through capacity hasgreat influence on the implementofmulti-layer injection process，and on the safety of oilwellsandmalfunction prevention of the strings.The strings consistofat least5 packersand distributors.A fter a comparison of the axial forcew ith the friction of the injection string inmaximum curvature section in the three-dimensional coordinate system，a new approach which can be used to analyze the pass-through capacity of injection string is given.In consideration of the factorssuch asborehole trajectory，curvature，borehole diameter，stratigraphic friction，casing diameter，and the relationship between the injection string friction and pass-through capacity，amodelof dynamic load and stressprofile hasbeen established by using themechanicsand displacementmethod，combinedw ith energy and kinetic analysis.Themodel can be used to analyze the processof running and pulling Multi-packer injection string in directionalwellsorhorizontalwells. A case study ismade to verify the pass-through capacity and safety ofMulti-packer injection stringwhich proved agood field guidance.

directionalwell；multi-layer injection；string；pass-through capacity；computingmethod

馮定，1963年生，男，漢族，安徽東至縣人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事石油機械及井下工具的設(shè)計、診斷及動態(tài)仿真的技術(shù)研究。E-mail：fengd0861@163.com

施雷，1989年生，男，漢族，湖北潛江人，博士研究生，主要從事機械系統(tǒng)仿真與診斷技術(shù)研究。E-mail：shilei0909@163.com

夏成宇，1981年生，男，漢族，四川眉山人，漢族，講師，主要從事管柱力學(xué)研究。E-mail：qlq1010@126.com

張紅，1983年生，女，漢族，山東青島人，講師，博士，主要從事油氣鉆井技術(shù)與裝備的研究。E-mail：15171109959@163.com

涂憶柳，1961年生，男，漢族，湖北宜昌人，教授，博士，主要從事OKP生產(chǎn)模式和微/納制造業(yè)研究。E-mail：E-mail：paultu@ucalgary.ca

10.11885/j.issn.1674-5086.2014.03.24.01

1674-5086（2016）03- 0162-08

TE357

A

http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1718.TE.20160527.1623.008.htm l

馮定，施雷，夏成宇，等．定向井的多層分注管柱串通過性分析［J］．西南石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，38（3）：162-169．

FENG Ding，SHILei，Xia Chengyu，etal．The Pass-through Capacity Analysis for Multi-layer Injection Strings in DirectionalWells［J］．Journal of Southwest Petroleum University（Science&Technology Edition），2016，38（3）：162- 169．

2014- 03-24網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016- 05-27

馮定，E-mail：fengd0861@163.com

國家自然科學(xué)基金（51275057，51405032）。