斜井与水平井套管扶正器计算的三弯矩方程解法

套管扶正器的正确位置,是保证斜井与水平井固井质量的前提。在全面分析安装有多个扶正器套管柱的力学特性的基础上,采用了有初弯曲连续梁的力学模型,用初弯曲纵横弯曲梁理论和三弯矩方程组成的多元线性联立方程组,从理论上解决了斜井和水平井套管扶正器安装位置的正确计算方法,并修正了《API套管扶正器技术规范》(API Spec 10D)违背扶正器处套管变形连续性原理和我国原石油部部颁标准《SY5334-88套管扶正器间距计算推荐方法》认为扶正器套管转角为0的不妥作法。     

斜井与水平井套管扶正器计算的三弯矩方程解法

套管扶正器的正确位置，是保证斜井与水平井固井质量的前提。在全面分析安装有多个扶正器套管柱的力学特性的基础上，采用了有初弯曲连续梁的力学模型，用初弯曲纵横弯曲梁理论和三弯矩方程组成的多元线性联立方程组，从理论上解决了斜井和水平井套管扶正器安装位置的正确计算方法，并修正了《API套管扶正器技术规范》（APISpec10D）违背扶正器处套管变形连续性原理和我国原石油部部颁标准《SY5334－88套管扶正器间距计算推荐方法》认为扶正器套管转角为0的不妥作法。     

扶正器安放设计与套管居中度分析

套管居中程度对固井质量影响很大,合理设计扶正器安放位置有利于提高套管居中度。为此,首先建立了套管居中度的数学模型,用于计算扶正器处和扶正器间套管的居中度,然后分析了井斜角、安放间距和套管内外液体密度差对套管居中度的影响规律。研究结果表明:随着井斜角的增大,套管居中度降低;扶正器间距的增加会增大井斜角对居中度的影响;随着扶正器外径的增大,套管居中度提高;随着套管内外液体密度差异的增大,套管居中度提高;井斜角越大,套管内外液体密度差产生的浮力对居中度的改善作用越明显。最后利用C#程序语言编制了扶正器安放设计与套管居中度分析软件。用该软件对磨溪-X井进行扶正器安放设计,三开4 285～4 614 m井段共需安放24个刚性扶正器,居中度满足67%的要求;对塔里木油田固探-X井进行居中度分析,模拟数据与实测数据的平均误差为14.14%。研究结果对于大斜度井固井质量的提高具有重要意义。     

大斜度井电泵举升管柱扶正器间距的计算

电泵举升管柱加装扶正器可保持油管和套管之间的合理间隙,防止电泵电缆遭到挤压和磨损。扶正器的安装主要依靠经验判断,缺乏理论依据和计算方法,既增加了生产成本,又增大了井下事故的风险。在综合了井眼轨迹、油管柱内外液体密度、扶正器和套管内壁摩擦、管柱自重、油/套管几何参数等因素对管柱受力和变形影响的基础上,结合现场生产实际工况,运用微元法建立了大斜度井三维井眼电泵举升管柱力学模型,实现了不同工况条件下油管柱的受力与变形分析计算;结合两扶正器之间油管横向变形计算模型,建立了油管扶正器间距的计算模型,并开发了计算机辅助分析计算软件;通过实例验证了油管扶正器间距计算模型的可靠性。研究结果对于扶正器现场安装具有一定的理论指导意义。     

浮力作用对大斜度井套管居中度的影响

准确了解套管内外密度差所产生的浮力对套管居中度的影响对于大斜度井合理安放扶正器,降低套管下入风险具有重要的意义。通过对扶正器受力分析模型进行修正,建立了套管内外密度差对套管居中度的影响图版,同时考虑顶替过程中套管内外密度差随时间变化情况,形成埕海油田大斜度井套管扶正器安放方法。计算结果表明,埕海地区扶正器安放间距分别为30 m、20 m、15 m时,通过浮力作用使套管居中度最大可增加36.4%、19.6%、12.2%,井斜角越大、套管内外密度差越大,居中度变化值越大。扶正器安放间距为10 m时,浮力作用减弱,居中度变化值最大仅为6.2%。研究结果表明,扶正器安放间距、井斜角的正弦值、套管内外密度差与浮力作用下的居中度变化量呈三次多项式的非线性正相关。ZH29-30井实践表明,考虑浮力作用的套管居中度设计方法,可以有效提高固井顶替效率,保证套管安全下入。     

套管扶正器的正确安放间距研究

在不同形状的井眼中,套管柱的受力变形计算模式是不一样的。如在变方位的弯曲井眼中,两扶正器间的套管段由于所受重力和轴向载荷不再位于一个平面内,因此将发生非平面弯曲挠曲变形,同时套管扶正器所承受的侧向压缩力也将发生相应变化。此外,扶正器的正确安放间距应当由控制套管弯曲变形和扶正器压缩变形所引起的套管总偏心距不超过某一规定值来确定,而不能仅按这两种变形中的某一种变形来确定。本文较全面地考虑了上述问题,采用瑞利—里兹能量法计算套管的弯曲变形,按扶正器承受的实际侧向力计算其压缩变形,在变方位的弯曲井眼中采用两平面弯曲变形方法研究实际发生的空间非平面弯曲变形,最后以位移的几何迭加原理求出套管在各种井眼中将发生的最大偏心距表达式,控制最大偏心距不超过许可偏心距(文中取等于许可偏心距[c]),建立了斜直、等方位弯曲和变方位弯曲井眼中的一整套套管扶正器安放间距计算公式。通过计算并绘出斜直井眼和变方位变井斜弯曲井眼的两组套管扶正器间距曲线。     

复杂井眼条件下扶正器对套管下入摩阻的影响研究

在水平井、大位移井等复杂井的固井过程中,套管下入摩阻的大小关系着固井作业的成败,安装了扶正器的套管下入摩阻和不安装扶正器的套管下入摩阻之间的大小关系在固井工程界一直存在争议。为此,对井眼 内安装扶正器和不安装扶正器的套管柱进行了受力变形分析,根据套管在井内的实际情况对各自的摩阻系数进行研究,并通过计算机编程对两者建立的模型进行计算比较。以德阳新沙某井为实例进行计算,并与实测值对比得出两者之间的关系,为固井下套管摩阻的预测提供了参考依据。     

大位移井套管轴向力对套管挠度的影响

大位移井套管在重力效应作用下使套管偏心并产生挠曲变形,大幅降低水泥浆的顶替效率,影响固井质量,现场一般采用安装扶正器的方法改善套管的偏心;而两扶正器间的套管在井斜的影响下,套管自重会在轴向上产生一定的分力,井斜角越大其分力越大,对套管的挠度产生的影响也越大。采用纵横弯曲梁理论建立了套管挠度计算模型,并定义了挠度影响因子的概念,在此基础上研究了挠度影响因子随轴向力的变化规律及轴向力对套管挠度的影响。研究结果表明:在轴向力对套管挠度的影响方面存在1个临界力,小于临界力时轴向力对套管挠度的影响可以忽略,大于临界力时轴向力对套管挠度的影响显著;临界力的大小与扶正器间距、套管的弹性模量以及套管截面的轴惯性矩的相关性可以忽略。研究结果间接证明:大位移井中下套管作业时,现场利用套管的自重使套管下入预定深度的正确性,可以有效地减小两扶正器间套管的挠曲变形,并对大位移井扶正器的优化设计具有一定的指导意义。     

提高封固段套管居中的方法

套管居中是提高固井质量的必要前提和重要条件。本文从力学观点分析了套管扶正器在固井条件下的受力状况,提出扶正器承受各种力的计算方法,推导了不同条件下确定扶正器最优间距的公式。根据扶正器所受的侧向合力预测水泥环的最小厚度和套管偏心度。扶正器的实际受力是否完全符合本文的分析,有待实践验证。     

偏心式滚轮套管刚性扶正器的研制及应用

应用套管扶正器使套管居中,仍是当今提高水平井、大斜度井固井质量的重要技术措施。针对常用套管扶正器使用过程中存在的问题,分析了扶正器在水平井眼内移动时的受力状况,研制了偏心式滚轮套管刚性扶正器。介绍了该工具的偏心式结构及通过 2种旋向扶正棱自动旋转调整扶正方位的工作原理。室内及现场试验结果表明,该工具能够有效提高水平井套管在井眼内的居中度,有利于提高水平井和大斜度井的固井质量。