水平井斜井段井眼與套管相容性分析

石 崇 東

(川慶鉆探工程公司長(zhǎng)慶鉆井總公司， 西安 710018 )

隨著水平井開(kāi)發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，斜井段中完作業(yè)中下技術(shù)套管遇阻現(xiàn)象較為突出，導(dǎo)致套管下入不能順利到位，給水平段施工及后期生產(chǎn)埋下隱患。水平井斜井段套管柱在自身重力和井眼彎曲作用下產(chǎn)生變形，套管與井壁的接觸面積增加，套管與井壁之間滑動(dòng)摩阻增大。當(dāng)摩阻達(dá)到一定程度，出現(xiàn)遇阻現(xiàn)象后，若強(qiáng)行下入，入井套管可能會(huì)發(fā)生變形，甚至造成失穩(wěn)[1]。為解決斜井段套管下入過(guò)程中遇卡遇阻的問(wèn)題，保證下套管順利到位，開(kāi)展套管與井眼相容性分析十分必要。

1 套管下入難點(diǎn)分析

套管下入時(shí)存在的難點(diǎn)主要有4點(diǎn)：(1) 斜井段下套管作業(yè)時(shí)，隨著井斜角的增大，套管承受的彎曲應(yīng)力隨井眼曲率半徑的減小而增加，套管彎曲變形增大，套管失穩(wěn)概率增大；(2) 隨著斜井段長(zhǎng)度的增大，套管與井壁的接觸面積增大，套管摩阻增大；(3) 由于靶前距較小，斜井段曲率半徑較小，導(dǎo)致套管通過(guò)的長(zhǎng)度減??；(4) 斜井段曲率半徑不同，通井鉆具剛度必須滿足套管剛度要求，通井鉆具組合選擇困難。

2 套管與井眼相容性分析

2.1 套管可通過(guò)的最大井眼曲率計(jì)算

套管管體的抗拉強(qiáng)度比接箍連接處抗拉強(qiáng)度高，套管允許通過(guò)的最大井眼曲率不是套管本體部分，而是接箍處。彎曲套管一側(cè)承受拉應(yīng)力，另一側(cè)承受壓應(yīng)力[2]。當(dāng)彎曲應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)接箍的抗拉強(qiáng)度時(shí)，一側(cè)會(huì)先破壞。斜井段套管彎曲應(yīng)力超過(guò)鋼材的屈服極限時(shí)，可能造成套管變形，無(wú)法進(jìn)行后續(xù)作業(yè)。

2.1.1 無(wú)扶正器時(shí)套管允許通過(guò)的最大井眼曲率

隨著斜井段井眼曲率的增大，套管通過(guò)該井段的難度增加。因此需要判斷套管柱在最大井眼曲率處的可通過(guò)性[3]。實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，允許套管承受一定的彎曲應(yīng)力，其允許的最大井眼曲率為：

式中：Cm—— 無(wú)扶正器時(shí)允許套管通過(guò)的最大井眼曲率，(°)m；

Yp—— 套管管體屈服強(qiáng)度，MPa；

D—— 無(wú)扶正器時(shí)套管外徑，m；

K1—— 鋼材抗彎安全系數(shù)，API公式取1.8，IADC(International Association of Drilling Contractors)公式取1.20～1.25；

K2—— 螺紋應(yīng)力集中系數(shù)，API公式取3.0，IADC公式取2.0～2.5。

水平井斜井段套管外徑為178 mm，套管鋼級(jí)為N80、P110，井眼曲率必須小于0.44°m，才能滿足不裝扶正器的套管下入要求；水平井套管外徑為140 mm，套管鋼級(jí)為J55，井眼曲率必須小于0.41°m，才能滿足不裝扶正器的套管下入要求(見(jiàn)表1)。

表1 無(wú)扶正器時(shí)不同尺寸鋼級(jí)套管允許通過(guò)的最大井眼曲率

2.1.2 加入扶正器后套管通過(guò)的最大井眼曲率

水平井斜井段下套管時(shí)，為了保證固井質(zhì)量，套管上需安裝扶正器。加入扶正器，需考慮套管下入過(guò)程的軸向力與摩阻力、套管剛性增大等影響因素。為保證斜井段套管順利下入，必須對(duì)加扶正器套管在井眼中的通過(guò)性進(jìn)行計(jì)算，避免扶正器加載后套管串在特定井眼內(nèi)遇阻[4]。

加裝扶正器套管柱所能通過(guò)的最大井眼曲率：

式中：Cmf—— 加入扶正器后允許套管通過(guò)的最大井眼曲率，(°)m；

Df—— 加入扶正器后的套管外徑，m；

K3—— 扶正器影響系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取K3=0.67-1。

水平井斜井段套管外徑為178 mm，套管鋼級(jí)為N80、P110，井眼曲率必須小于0.37°m，才能滿足安裝扶正器的套管下入要求；水平井套管外徑為140 mm，套管鋼級(jí)為J55，井眼曲率必須小于0.28°m，才能滿足安裝扶正器的套管下入要求(表2)。

表2 加入扶正器后不同尺寸鋼級(jí)套管允許通過(guò)的最大井眼曲率

2.2 特定井眼曲率下套管可通過(guò)的最大不可彎曲長(zhǎng)度

當(dāng)套管兩端安裝了扶正器后，管柱兩端扶正器與彎曲井段外側(cè)井壁接觸。設(shè)彎曲井眼的曲率半徑為R，井眼直徑為Dh，套管外徑為Do，兩端扶正器的外徑分別為d1、d2，兩端受約束的單根套管能通過(guò)的最大長(zhǎng)度為L(zhǎng)。R、d1、d2的幾何關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 套管在井眼里的示意圖

IADC推薦井眼曲率公式[5]：

式中:R—— 彎曲井眼的曲率半徑，m；

K—— 井眼最大全角變化率，(°)m。

則兩端受約束的單根套管能通過(guò)的最大長(zhǎng)度L為：

式中：L—— 兩端受約束的單根套管能通過(guò)的最大長(zhǎng)度，m；

R—— 彎曲井眼的曲率半徑，m；

Dh—— 井眼直徑，m；

Do—— 套管外徑，m；

d1、d2—— 兩端扶正器的外徑，m。

根據(jù)公式計(jì)算曲率半徑為400 m條件下，215 mm井眼內(nèi)下外徑為178 mm的單根套管允許的最大長(zhǎng)度僅為8.30 m；215 mm井眼內(nèi)下外徑為140 mm的單根套管允許的最大長(zhǎng)度為12.01 m(見(jiàn)表3)。

3 通井鉆具剛度匹配計(jì)算方法

目前，斜井段下套管前都需要通井，確保套管順利下到指定位置。由于水平井的靶前距不同，斜井段井眼曲率不同，設(shè)計(jì)通井鉆具時(shí)應(yīng)考慮井眼軌跡、入井套管的鋼級(jí)等因素。通過(guò)對(duì)比分析通井鉆具與入井套管結(jié)構(gòu)、尺寸、剛度等[6](1個(gè)扶正器的長(zhǎng)度大概為1根鉆鋌的 19， 而慣性矩卻比鉆鋌大很多)，同時(shí)考慮扶正器對(duì)通井鉆具及入井套管的影響，選擇合適的通井鉆具，模擬套管剛度進(jìn)行通井，能確保套管順利下到位。

表3 兩端受約束的單根套管能通過(guò)的最大長(zhǎng)度

3.1 抗彎剛度

抗彎剛度的計(jì)算公式為：

W=EI

式中：W—— 抗彎剛度,kNmm2；

E—— 彈性模量，即產(chǎn)生單位應(yīng)變時(shí)所需的應(yīng)力, Nmm2；

I—— 管材對(duì)中心軸線的慣性矩，m4。

抗彎剛度有EI鉆鋌、EI扶、EI加重、EI斜坡、EI套管。其中，彈性模量E=2.1×105Nmm2。

相同結(jié)構(gòu)的通井鉆具與套管的剛度匹配比m為[7]：

L鉆鋌=L套管=9L扶

式中：D鉆鋌—— 鉆鋌外徑，mm；

D套管—— 套管外徑，mm；

d鉆鋌—— 鉆鋌內(nèi)徑，mm；

d套管—— 套管內(nèi)徑，mm。

當(dāng)m≥1 時(shí)，說(shuō)明鉆具的剛度大于套管剛度，套管在井下比鉆具更柔軟，理論上套管能下至預(yù)定位置；當(dāng)m<1 時(shí)， 則需重新設(shè)計(jì)剛度更大的通井鉆具組合，以保證套管的順利下入[8](不考慮其他因素的影響)。

3.2 常用通井鉆具剛度對(duì)比

將表4內(nèi)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)代入表5中的剛度計(jì)算公式，計(jì)算各組合的抗彎剛度。

表4 通井鉆具BHA及套管基本數(shù)據(jù)表 mm

表5 通井鉆具BHA剛度與套管剛度對(duì)比

根據(jù)表5知，抗彎剛度由大到小的組合依次為：(4)、(1)、(2)、(5)、(3)。其中，前4種鉆具結(jié)構(gòu)剛度大于7"套管剛度，理論上可作為斜井段通井鉆具組合。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 對(duì)水平井斜井段幾種通井鉆具結(jié)構(gòu)的抗彎剛度進(jìn)行了分析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水平井斜井段通井鉆具的選擇具有理論指導(dǎo)意義。

(2) 隨著三維水平井?dāng)?shù)量的不斷增多，應(yīng)考慮偏移距、垂深對(duì)斜井段套管下入的影響。

[1] 高德利,劉鳳梧,徐秉業(yè).彎曲井眼中管柱屈曲行為研究[J].石油鉆采工藝,2000,22(4)：1-4.

[2] 范志國(guó),徐秀杰,于建克.KHW801水平井窄間隙套管柱下入工藝[J].石油鉆采工藝,2004,26(5)：42-43.

[3] 周建平,張福祥,季曉紅.高溫深層碳酸鹽巖水平井井筒準(zhǔn)備技術(shù)研究[J].油氣井測(cè)試,2016,25(1)：39-41.

[4] 常洪斌,史玉釗,李小勇.沙特致密氣藏水平井完井管柱下入難點(diǎn)與對(duì)策[J].中外能源,2012,17(3)：47-49.

[5] 祝效華,高原，劉少胡,等.水平井彎曲段套管下入可行性分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2011,40(4)：6-8.

[6] 于艷艷,王旱祥,苗長(zhǎng)山.ANSYS在水平井套管可下入性分析中的應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2007,36(5)：67-69.

[7] 肖平,張曉東,梁紅軍,等.通井鉆具組合剛度匹配研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新,2011,24(3)：115-118.

[8] 陳穎超,石曉兵,吳朗,等.側(cè)鉆井彎曲段套管相容性分析[J].石油工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2012(2):32-33.