超深井徑向鉆孔鈦合金管轉(zhuǎn)向阻力計(jì)算及安全評(píng)估*

吳春洪，翟科軍，萬小勇，劉少胡，劉元亮，楊 哲

(1.中國石油化工集團(tuán)公司 碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國石油化工股份有限公司 西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011；3.長江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023；4.中石化江漢石油工程有限公司 鉆井一公司,湖北 潛江 433100)

0 引言

塔河油田井深在6 500 m以上、井下溫度150 ℃以上、井底壓力70 MPa以上，是典型的高溫高壓超深井[1-2]。塔河油田為繼續(xù)挖潛老區(qū)剩余油，救活停躺老井，所以采用常規(guī)側(cè)鉆技術(shù)和高壓徑向水力鉆孔技術(shù)，進(jìn)行增產(chǎn)作業(yè)。碳酸鹽巖油藏非主應(yīng)力方向改造溝通難度大，而側(cè)鉆費(fèi)用高，周期長，垂距大[3-4]。高壓徑向水力鉆孔技術(shù)在塔河油田有廣泛的應(yīng)用前景。美國[5-6]RDS公司利用水力噴射技術(shù)鉆出50 mm的井眼，長達(dá)100 m。中國石油江漢石油機(jī)械研究所、中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院等[7-9]也針對(duì)高壓徑向水利鉆孔技術(shù)開展了相關(guān)的研究和試驗(yàn)。

塔河油田作業(yè)井深超過6 000 m后需要高強(qiáng)度的管柱，且需要較大的射流速度，管柱能夠傳遞鉆壓。為滿足現(xiàn)有的徑向鉆孔需求，提出利用修井機(jī)和油管進(jìn)行徑向鉆孔技術(shù)，并對(duì)其鉆進(jìn)過程進(jìn)行力學(xué)分析及轉(zhuǎn)向軌道設(shè)計(jì)。

1 徑向鉆孔數(shù)值模擬及軌道優(yōu)選

在6 000 m及以上深井由于連續(xù)管和高壓軟管的剛度較低，徑向鉆孔極易發(fā)生屈曲[10-12]。針對(duì)上述問題，提出用修井機(jī)和油管分別代替連續(xù)管作業(yè)車和連續(xù)管，用鈦合金管代替高壓軟管，把高壓水力破巖和管柱施加恒定鉆壓相結(jié)合。

1.1 有限元模型建立

考慮到修井機(jī)和油管進(jìn)行徑向鉆孔鉆進(jìn)工藝中的高壓管柱為半剛性的鈦合金管，在S型雙向彎曲軌道和有矯直段的單向彎曲轉(zhuǎn)向軌道進(jìn)行優(yōu)選[13]，如圖1所示。轉(zhuǎn)向器在193.7 mm套管內(nèi)完成徑向鉆孔，鈦合金管的外徑為25 mm,壁厚為 2 mm,長度為1 000 mm,與軌道的間隙為2 mm，根據(jù)上述軌道軌跡設(shè)計(jì)參數(shù)建立鈦合金管和軌道的有限元模型。鈦合金管材料選用TA18,其彈性模量為120 GPa,泊松比為0.39，材料單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線見文獻(xiàn)[14]。鈦合金管的失效分為損傷起始及損傷演化2個(gè)階段，選用Ductile damage為失效準(zhǔn)則，計(jì)算參數(shù)見文獻(xiàn)[15]。

圖1 轉(zhuǎn)向軌跡示意Fig.1 Schematic diagram of steering trajectory

1.2 網(wǎng)格劃分和邊界設(shè)置

網(wǎng)格單元類型采用八節(jié)點(diǎn)六面體線性縮減積分C3D8R來描述其厚壁特征。單元類型選用計(jì)算較少精度較高的Hex六面體單元。使用Sweep掃掠網(wǎng)格劃分技術(shù)，并選用中性軸算法對(duì)鈦合金管及軌道進(jìn)行劃分。將轉(zhuǎn)向器軌道設(shè)為剛體，鈦合金管設(shè)置成柔性體。設(shè)置接觸方式為面-面接觸，設(shè)置鈦合金管與軌道間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1。給予鈦合金管上表面1個(gè)向下的位移載荷，并對(duì)其施加1個(gè)重力加速度，使其能夠順利從轉(zhuǎn)向器內(nèi)部穿過。

1.3 軌道優(yōu)選

鈦合金管從2種不同軌道穿出的應(yīng)力云圖，如圖2所示。鈦合金管從S型雙向彎曲軌道鉆進(jìn)過程中，在轉(zhuǎn)向段時(shí)，由于管柱下方轉(zhuǎn)向阻力過大，導(dǎo)致管柱受阻遇卡，上端管柱發(fā)生屈曲失穩(wěn)，使得管柱無法繼續(xù)鉆進(jìn)。而在有矯直段的單向彎曲轉(zhuǎn)向軌道中，管柱可以平滑的穿過軌道，并繼續(xù)水平鉆進(jìn)1段距離，最大彎曲應(yīng)力為1 052 MPa,在鈦合金管的抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)。通過鈦合金管和2種軌道的適應(yīng)性分析對(duì)比可知，有矯直段的單向彎曲轉(zhuǎn)向軌道與鈦合金管的適配性更好，可以實(shí)現(xiàn)平滑穩(wěn)定鉆進(jìn)。

圖2 2種軌道適應(yīng)性分析Fig.2 Adaptive analysis of the two tracks

2 鈦合金管鉆進(jìn)過程影響因素分析

2.1 轉(zhuǎn)向半徑及轉(zhuǎn)向角度

保持鈦合金管外徑為25 mm,壁厚為2 mm,與軌道的間隙為2 mm,研究軌道轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn)向角度對(duì)鈦合金管鉆進(jìn)能力的影響。從圖3中可以看出，當(dāng)進(jìn)入彎曲段約50 mm時(shí)，鈦合金管開始接觸軌道內(nèi)壁，產(chǎn)生摩擦阻力；進(jìn)入轉(zhuǎn)向段，開始發(fā)生塑性變形，管柱整體彎曲程度增大，達(dá)到最大轉(zhuǎn)向阻力后趨于穩(wěn)定。當(dāng)鈦合金管前端緩慢穿出，阻力趨于穩(wěn)定。隨著轉(zhuǎn)向半徑的增大，鉆進(jìn)阻力減小。

圖3 轉(zhuǎn)向角度為40°下鉆進(jìn)阻力Fig.3 Drilling resistance with steering angle of 40°

2.2 鈦合金管壁厚

保持轉(zhuǎn)向半徑為500 mm，轉(zhuǎn)向角度為25°，與軌道的間隙為2 mm,研究鈦合金管外徑及壁厚對(duì)鈦合金管的鉆進(jìn)能力的影響。圖4看出，隨著鈦合金管外徑以及壁厚的增大，轉(zhuǎn)向阻力增大，但達(dá)到最大轉(zhuǎn)向阻力時(shí)的鉆進(jìn)位移基本沒有改變。

圖4 不同壁厚下鉆進(jìn)阻力Fig.4 Drilling resistance under different wall thicknesses

2.3 鈦合金管與軌道的間隙

保持鈦合金管外徑為25 mm，壁厚為2 mm,轉(zhuǎn)向軌道半徑及角度分別為500 mm及25°，研究鈦合金管與軌道之間的距離對(duì)鉆進(jìn)能力的影響。由圖5可知，隨著間隙的增大，整個(gè)鉆進(jìn)過程的阻力減小。水平穿出位移和最大鉆進(jìn)阻力整體上都是隨著間隙的增大而減小。在間隙為5 mm時(shí)，最大轉(zhuǎn)向阻力開始增大。其中水平穿出位移隨間隙的增大下降趨勢(shì)較大，而轉(zhuǎn)向阻力下降趨勢(shì)比較緩慢。

圖5 不同間隙下水平穿出位移和最大轉(zhuǎn)向阻力Fig.5 Horizontal penetration displacements and maximum steering resistance under different clearances

2.4 參數(shù)敏感性分析及優(yōu)選

為了進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)向半徑R及角度α、鈦合金管外徑D與壁厚T以鈦合金管外徑D與壁厚T間的距離Δ這5個(gè)因素對(duì)徑向鉆孔過程的鉆進(jìn)能力的影響程度，并優(yōu)選出較為合適的軌道與鈦合金管的鉆進(jìn)組合，采用正交試驗(yàn)法對(duì)其進(jìn)行敏感度分析。不考慮各種因素之間的交互作用，正交試驗(yàn)法方案及試驗(yàn)結(jié)果如表1及表2所示。

表1 敏感性分析正交試驗(yàn)方案Table 1 Orthogonal test scheme for sensitivity analysis

表2 因素水平分析Table 2 Factor level analysis table

3 結(jié)論

1)通過對(duì)比得到有矯直段的單向彎曲轉(zhuǎn)向軌道與鈦合金管的適配性更好。通過不同參數(shù)下鈦合金管鉆進(jìn)過程的模擬分析可以得到，軌道轉(zhuǎn)向半徑與轉(zhuǎn)向阻力呈正比關(guān)系，轉(zhuǎn)向半徑增大，轉(zhuǎn)向阻力減??；鈦合金管外徑以及壁厚增大，轉(zhuǎn)向阻力增大；間隙增大，轉(zhuǎn)向阻力減小。

2)基于正交試驗(yàn)法敏感度分析可以得到，對(duì)轉(zhuǎn)向阻力影響的主次順序?yàn)椋篢>D>Δ>R>α；而對(duì)水平穿出位移的影響主次順序?yàn)椋篟>T>Δ>D>α。

3)綜合考慮對(duì)鉆進(jìn)阻力和水平穿出位移的影響，在結(jié)合轉(zhuǎn)向軌道的實(shí)際加工尺寸，最終優(yōu)選鈦合金管與轉(zhuǎn)向器軌道的組合參數(shù)為：軌道轉(zhuǎn)向半徑600 mm,轉(zhuǎn)向角度30°，鈦合金管外徑25 mm，壁厚2 mm，與軌道間的間隙4 mm。