復(fù)雜結(jié)構(gòu)水平井管柱與井眼相容性分析

李俊勝，張志剛，王輝東，姜朝民

（西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆烏魯木齊830026）

在三維繞障水平井中，管柱通過彎曲井段并順利下入受摩阻、井眼曲率、井眼尺寸、管柱尺寸以及管柱自身特性等較多因素的影響，對于井眼曲率較大的井，管柱下入要克服摩阻，還要保證管柱能夠通過的最大井眼曲率要大于實(shí)鉆井眼曲率。同時(shí)，為了保證固井質(zhì)量，需要安裝扶正器，這在增加管柱居中度，提高固井質(zhì)量的同時(shí)，也增加了完井管柱的剛性，影響管柱的下入。

1 井眼曲率計(jì)算

井眼曲率是一個(gè)用于描述井眼軌跡上任意點(diǎn)的臨近的彎曲程度的關(guān)于井深的函數(shù)，通?？臻g井眼曲率不是常數(shù)，因此，一般使用平均井眼曲率表示，計(jì)算公式如下：

式中：K——測量井段平均井眼曲率（°）/30m；

γ ——對應(yīng)的狗腿度，（°）。

平均井眼曲率單位換算成（°）/30m，則計(jì)算公式為：

2 管柱可通過的最大井眼曲率

當(dāng)某井段的井眼曲率較大，管柱通過該井段時(shí)可能會因?yàn)椴荒茼樌ㄟ^而發(fā)生彎曲而受損，甚至發(fā)生破壞，因此，在這種情況下需要判斷管柱在最大井眼曲率處的可通過性。

根據(jù)管柱自身參數(shù)，考慮安全系數(shù)和螺紋應(yīng)力集

式中：Cm——允許套管通過的最大井眼曲率，（°）/30m；

σs——管柱屈服強(qiáng)度，MPa；

D0——管柱外徑，mm；

K1——安全系數(shù)；

K2——螺紋應(yīng)力集中系數(shù)。

在管柱實(shí)際下入過程中，管柱在彎曲井段的通過性會受到軸向力的影響，管柱可通過的最大井眼曲率問題，就是管柱可承受最大彎曲應(yīng)力的問題，顯然在不同的軸向應(yīng)力條件下，管柱可承受的最大彎曲應(yīng)力也將不同，軸向應(yīng)力越大，則可承受的最大彎曲應(yīng)力將越小，在考慮軸向力的情況下計(jì)算允許管柱通過的最大井眼曲率公式為：中系數(shù)，在不考慮軸向力的計(jì)算允許管柱通過的最大井眼曲率的公式為：

式中：Cmp——考慮軸向力求得管柱可通過的最大井眼曲率，（°）/30m；

Pj——管柱螺紋連接抗拉強(qiáng)度；

Pe——有效軸向力，kN；

D0——管柱外徑，cm；

A——管柱橫截面積,cm2；

K——系數(shù)。

因此，要計(jì)算考慮軸向力的管柱可通過的最大井眼曲率，必須計(jì)算出有效軸向力，綜上所述：可以得出用于判斷管柱是否能夠安全通過彎曲井段的公式為：

在水平井井眼曲率較高的井段，必須對管柱允許通過的最大井眼曲率進(jìn)行計(jì)算，而且管柱允許通過的最大井眼曲率應(yīng)大于實(shí)際井眼曲率，否則應(yīng)重新校核。

為了保證固井質(zhì)量，往往會在管柱上安裝扶正器，管柱的受力也會發(fā)生變化，其最大井眼曲率公式為：

式中：Cmf——安裝扶正器后管柱允許通過的最大井眼曲率，（°）/30m；

Df——扶正器外徑，mm；

K3——扶正器影響系數(shù)。

3 HW6131井完井管柱與井眼相容性分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.1.1 井身結(jié)構(gòu)

HW6131井井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表1。

表1 HW6131井井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

3.1.2 井眼軌跡

HW6131井井眼軌跡數(shù)據(jù)見表2。

3.1.3 井徑

表2 HW6131井井眼軌跡數(shù)據(jù)

HW6131井實(shí)鉆井徑見圖1。

圖1 HW6131井實(shí)鉆井徑圖

3.2 井眼曲率計(jì)算

3.2.1 設(shè)計(jì)套管可以通過的井眼曲率分析

HW6131井設(shè)計(jì)套管可以通過的井眼曲率分析結(jié)論見表3和圖2。

圖2 設(shè)計(jì)套管可以通過的井眼曲率圖形

3.2.2 實(shí)鉆套管可以通過的井眼曲率分析

HW6131實(shí)鉆套管可以通過的井眼曲率分析結(jié)論見表4和圖3。

套管可以通過的井眼曲率計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)軌道最大狗腿度6.5°/30m，實(shí)鉆軌跡最大狗腿度8.57°/30m，均小于套管可以通過的最大狗腿度。

表3 設(shè)計(jì)套管可以通過的井眼曲率

表4 實(shí)鉆套管可以通過的井眼曲率

圖3 HW6131實(shí)鉆套管可以通過的井眼曲率圖形

4 結(jié)論

（1）三維繞障水平井設(shè)計(jì)過程中必須要做好管柱與井眼相容性分析，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)完井管柱結(jié)構(gòu)和下套管固井工藝。

（2）完鉆后根據(jù)實(shí)鉆數(shù)據(jù)和完井管柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行管柱下入分析，滿足管柱下入條件后再進(jìn)行下一步作業(yè)。

（3）在軌跡控制過程中做好待鉆井眼的軌跡預(yù)測工作，確保井眼曲率小于完井管柱最大允許通過井眼曲率。