水平井套管柱可下入性摩阻计算三维力学模型

水平井井眼轨迹的复杂性导致套管柱在下井过程中的受力非常复杂。由于井斜以及水平段可能使下套管受阻,甚至导致套管柱卡在井眼的弯曲段无法下入,造成水平井完井作业失败。以水平井三维井眼轨迹描述为基础,建立了综合考虑套管柱重力、浮力、摩擦阻力、弯曲应力和接触应力等作用的套管柱下入摩阻计算三维力学模型。在此基础上开展了套管柱可下入性研究,对其下入过程进行分析判断,这对水平井套管柱结构设计以及套管的顺利下入具有重要意义。     

热采水平井弯曲段套管柱失效载荷分析

热采水平井中套管柱受各种载荷耦合作用会产生应力集中而损坏。为此,采用有限元方法对热采水平井弯曲段套管柱失效载荷进行了分析。在建立套管柱受力等效模型和有限元计算模型之后,分析研究了多种载荷耦合作用下套管柱失效的临界应力和临界应变。研究结果表明,套管柱应力值和应变随着地层深度的增加和注汽温度的升高而增大,对于井眼弯曲段套管柱,井眼曲率越大,管柱应力值和应变越大。建议进行热采水平井套管柱设计时采用高强度管材,以提高材料屈服极限,减小轴向应变。     

基于ANSYS的水平井下套管摩阻分析计算

随着水平井和大位移井的日益普遍,由于套管柱自重和井眼弯曲等多种因素的影响,水平井和大位移井中的套管柱存在较高的摩阻力,摩阻过大将会影响到套管柱的顺利下入,水平井中套管柱轴向力的准确预测也为套管强度设计提供了重要的基础数据。用CAE大型有限元软件ANSYS,对江沙8-H水平井的?139.7 mm套管的受力和变形进行了数值模拟,计算了刚性扶正器处的接触力和刚性扶正器间套管的横向位移,并得到了套管柱在水平井中的摩阻力。计算模型考虑了套管的刚度和刚性扶正器对摩阻力影响,计算结果与现场实测数据比较吻合。计算结果表明,水平井中套管摩阻对轴向力的影响较大,且刚性扶正器间套管较长时,扶正器间大部分套管仍会与井壁接触,导致扶正效果降低。该计算方法为钻井工程设计提供了理论支持。     

中短半径水平井弯曲井段套管受力分析

套管柱在高井眼曲率的水平井弯曲井段将产生较大弯曲应力和较大的径向变形，有可能导致强度破坏和变形失稳。为了研究套管在弯曲载荷作用下的应力分布及变形情况，采用三维实体单元，运用有限元方法建立了中短半径水平井弯曲井段套管的计算模型，分析了三种不同外径尺寸的套管在一定围压和不同弯曲载荷作用下的最大径向变形量和最大等效应力值，并分析其随井眼曲率的变化规律。计算表明，井眼曲率增大，弯曲井段套管的径向变形和应力也随之增大；同一井眼曲率下，外径较大的套管，径向变形和应力也较大。通过研究，对高井眼曲率下中短半径水平井弯曲井段套管柱强度设计提供了理论依据。     

水平井内套管柱下入过程的数值模拟

利用有限元软件建立了水平井中弯曲井眼段套管柱下入的力学模型,动态模拟了水平井眼造斜段内套管柱的下入过程,并对套管柱在下入过程中的受力情况进行了分析。结果表明,套管柱进入弯曲段后,最大等效应力首先发生在套管柱的底部,随着套管柱下入深度的增加,套管上的等效应力值不断变化,同时套管柱在下入过程中会发生塑性变形。下入过程中,由于套管的弯曲和阻力作用会促使套管与井壁呈交错接触状态。大曲率井眼中管柱下井所需的下入力比小曲率井中所需的下入力要大,这与实际的管柱下入过程相吻合。井眼的摩阻条件对套管的安全下入有较大影响,光滑的井眼条件产生的摩阻力更小,更加有利于套管柱的下入。     

大位移井减阻工具合理安放位置研究

大位移井技术因其具有巨大经济效益并能够满足特殊作业的目的而得以迅速推广应用，但水平井段摩阻扭矩又成为了制约大位移井推广应用的关键因素。为了减少大位移井摩阻扭矩的目的，首先根据用测斜数据，应用3次样条函数拟合井眼轨迹。将多维井段装有减阻工具套管柱作为类连续梁，并考虑弯曲载荷的影响，综合考虑了井斜角、方位角以及套管柱自身几何参数等多因素对套管柱挠曲变形综合影响，以此建立大位移井不同井段套管柱力学模型，完善了部分国外学者计算套管柱挠度“软模型”的不足；进而给出了优化大位移井减阻工具合理安放位置理论计算方法。     

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。     

中短半径水平井弯曲段套管剩余抗挤强度分析

为得到套管柱剩余抗挤强度与水平井弯曲段造斜率间的定量关系,采用理论推导和三维有限元模拟的方法,分析了3种不同外径尺寸的套管在弯曲荷载和外挤压力作用下的剩余抗挤强度。计算结果表明,弯曲作用产生的套管截面不圆度对套管剩余抗挤强度影响不大;套管柱剩余抗挤强度与水平井弯曲段造斜率问较好地符合二次反比例关系;在造井眼斜率相同时,套管柱剩余抗挤强度与套管柱的径厚比服从指数反比例分布关系。研究结果为中短半径水平井弯曲井段套管柱抗挤强度的设计提供参考依据。     

套管漂浮技术在海洋钻井中的应用

套管漂浮技术主要应用于大位移延伸井和水平井中,它是在套管柱下部封闭一段空气或低密度钻井液,使套管柱在大井斜段处于漂浮状态,以降低下套管摩阻。主要介绍了套管漂浮工具的结构和工作原理以及漂浮技术在国内几个海洋油田钻大位移延伸井和水平井中的应用情况。     

临时套管注气欠平衡钻水平井技术的研究

利用水平井特殊轨迹增产的特点，与利用欠平衡消除储层伤害增产的特点相结合，产生了“欠平衡钻水平井”的新技术。欠平衡钻水平井技术是目前国际钻井界发展的热点技术，有许多非常成功的实例。注气欠平衡钻水平井技术面临的两大技术难题是井下动力钻具不能正常工作和常规MWD无法正常工作。临时套管注气欠平衡钻水平井技术既保证了注气液降低环空液柱压力的作用，同时又保证了钻井液脉冲MWD和井下动力钻具完全工作于不含气的介质，能够正常工作。临时套管注气欠平衡钻水平井技术的关键有3个方面：新型双层注气套管头、临时套管的下部固定技术和配套工艺。通过对临时套管注气欠平衡钻水平井技术的研究，可以形成一套实用、有效的注气欠平衡钻水平井的成套技术，解决临时套管注气欠平衡钻水平井技术的特殊难题。     

套管柱在水平井弯曲段的可下入性

套管柱在水平井弯曲段随井眼弯曲产生较大的弯曲应力和受到较大的摩擦阻力，有可能产生强度破坏、密封失效、稳定性破坏而不能下入。下套管前应对套管柱通过弯曲段的可能性加以判断，其准则是：（１）下套管通过弯曲段时，套管柱在直井段的浮重应大于总摩阻；（２）弯曲应力与拉应力之和小于套管的最小许用应力；（３）在弯曲段套管柱不发生屈曲变形；（４）螺纹密封不应失效。经判断套管柱不能通过弯曲段时，可用不封固井底的完井方式（如裸眼完井及其变种形式）。     

吉木萨尔页岩油水平井JHW00421井钻完井关键技术

JHW00421井是吉木萨尔油田第1口超长水平段页岩油水平井,设计水平段长度3 027 m,面临钻进摩阻及扭矩大、井壁易失稳、井眼轨迹控制难度大、井眼清洁难度大、油层套管下入困难等诸多钻井难题。为攻克以上技术难题,开展了以下技术研究和现场实践:优化井身结构并将?244.5 mm技术套管下至A靶点以实现水平段专打;采用旋转导向工具对水平段轨迹进行精准控制并减小井眼曲折度;采用油水比85∶15的油基钻井液,降低长水平段井壁失稳风险、钻井管柱与井壁摩阻系数;基于水平井井筒清洁“传输带”理论,制定详细的井筒清洁技术方案以确保井筒“干净”;优选套管柱摩阻计算模型并合理选取摩阻系数,准确预测套管柱下入能力并优选下套管方案;采用多扶正器通井钻具组合、优化套管扶正器类型及安放位置以降低下套管阻力;采用油基冲洗型隔离液并优选注水泥参数来提高水平段固井质量。该井完钻井深5 830 m,实际完成水平段长度达3 100 m,水平段固井质量测井解释为优质,对今后同类超长水平段水平井设计和施工有借鉴和指导作用。     

水平井裸眼选择性分段压裂完井技术及工具

苏里格气田属低压、特低渗透气藏,由于完井方式的不同、井身轨迹弯曲和井眼尺寸等因素的限制,使得裸眼水平井与直井以及套管固井水平井的选择性压裂完井管串有很大区别。介绍了利用油管作为完井和压裂管串,一趟下入长水平裸眼段而不需要下套管固井、射孔等作业,实现了裸眼水平段选择性分段压裂工艺技术及该技术的管串结构、工艺原理、技术特点、配套工具和现场应用。研究及现场应用表明,采用该技术比其他低渗透气藏压裂增产技术开发效果更好,投入成本更低,具有显著经济及社会效益。     

ZX105井卡套管事故原因分析及处理工艺

ZX105井是部署在四川盆地川西凹陷知新场构造的首口勘探水平井,目的层为下沙溪庙组,设计完钻井深为3 726 m（垂深为2 506 m）,水平段长为1 001 m。该井二开下套管至井深2 847 m,坐吊卡接悬挂器后活动套管时遇卡。针对ZX105井下套管遇卡技术难题,通过卡套管原因分析,判断本次卡套管类型为压差黏附卡套管,并得出井身结构缺陷是卡套管的主要原因。分析表明,一开套管下深浅,二开下套管遇卡时套管已进入水平段214 m,上部套管没有足够的冲击重量使水平段套管移动,同时井底较高的正压差,是造成本次水平井卡套管的主要原因,由此形成了套管解卡处理思路。该井采用了降低钻井液密度、三次泡解卡剂、环空憋压等手段后,首次实现川西水平井套管解卡成功,为川西中江地区下沙溪庙目的层的开发提供了宝贵施工经验。      

套管压裂管柱安全性计算方法与准确性研究

通过对新疆油田公司5井次套管压裂事故的套管柱进行安全性计算,发现基于静态受力分析的管柱安全性计算方法在直井中有着较高的准确性,能够保证套管柱的安全。对于水平井,该方法的计算结果与实际不符,不能指导压裂作业。分析理论极限泵压与油层套管实际破坏泵压的误差,该误差值与水平段长度呈正比关系。在水平井中采用该方法计算压裂管柱的安全压力时,应当根据水平段长度设定安全系数。根据统计结果,在水平段长度为1 600 m时,油层套管的三轴应力安全系数应当增加16.27%。     

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目前大斜度井、水平钻井日益普遍,但是由于井眼弯曲等多种因素的作用,大斜度井、水平井的管柱在井眼弯曲段存在较严重的磨损,管柱的严重磨损是钻这类井必然存在的现象,因此进行套管磨损预防、预测与处理技术的研究是一个迫切需要解决的问题。套管在给定位置处单位长度所受的侧向力与井斜角和钻入深度等许多因素有关。文章通过受力与变形分析,导出在增斜段侧向力的计算模型,通过对微分方程组的求解,最终导出了在套管单位长度上侧向力的关系表达式。该参数的确定在套管柱设计,井下套管摩阻分析,尤其是在开展套管磨损问题的分析中占有非常重要的地位。     

页岩气长水平井套管安全下入风险评估技术

四川盆地长宁—威远国家级页岩气示范区长宁区块页岩气丛式水平井段长度介于1 200～2 800 m，优质储层横向分布不均匀，水平段轨迹调整频繁，目的层井壁稳定性差，井漏、缩径、垮塌严重，水平井套管下入困难的井占比高达80%～90%，甚至部分井水平井套管无法下至预定井深，经济损失较大。为此，基于该区块页岩气水平井套管下入现场的实测数据，综合利用修正三维软杆管柱摩阻计算模型和数据统计分析法，对扶正器、井眼曲率、井斜、井径、摩阻系数等关键因素进行分析，提出了一套长水平段套管下入风险综合评估的新方法。研究结果表明：①累计井眼曲率较井眼曲率能更加直观地反映套管下入摩阻影响程度，当累计井眼曲率大于170°/m，套管下入摩阻开始快速增加，因而对于井眼曲率较大的水平井，需要避免井眼轨迹频繁调整，降低套管下入难度；②井径变异系数能够精确描述井径沿水平井眼方向上的变化幅度，对于地质条件复杂，井眼缩径、垮塌严重的水平井，通过统计分析井径变异系数来评估套管下入摩阻的影响能够有效提高预测精度，井径变异系数小于2%，套管下入摩阻影响较小，井径变异系数大于等于2%，套管下入摩阻影响较大。结论认为，应用于5口井的效果表明，评估结果与现场施工实测数据基本一致，证明该方法能够准确评估复杂地层条件下长水平井套管下入的风险。     

弯曲井段中套管柱挠曲变形的分析计算

水平井中的造斜段井身轨迹处于弯曲状态，因此位于其中的套管柱具有初弯曲。这样弯曲井段中套管柱不仅要受到自重产生的横向均布载荷和纵向载荷的作用，而且还有初弯曲，受力及变形很复杂。在考虑弯曲的条件下利用力法对弯曲井段中套管柱的挠曲变形进行了分析计算，推导出了相应的计算公式，其结论对工程实际有一定的指导意义。     

水平井裸眼选择性分段压裂完井技术及工具

为了最大限度地提高苏里格气田低压、低渗透气藏的产量,开展了低渗透气藏水平井裸眼选择性分段压裂工艺技术的研究与应用,由于完井方式的不同、井身轨迹弯曲和井眼尺寸等因素的限制,使得裸眼水平井与直井以及套管固井水平井的选择性压裂完井管串有很大区别。据此介绍了利用油管作为完井和压裂管串一趟下入裸眼水平段中,不需要下套管固井、射孔等作业,实现裸眼水平段选择性分段压裂工艺技术,并详细介绍了这种技术的管串结构、工艺原理、技术特点、配套工具以及现场的应用情况。研究与现场应用表明,采用这种技术与其他低渗透气藏压裂增产技术相比,开发效果更好,投入成本更低,经济效益显著。     

水平井套管挠曲变形的级数方程及计算方法

水平井套管柱的挠曲变形,不仅受自重引起的横向均布载荷的影响,而且还受轴向力的影响,同时还可能有初弯曲。为此应用三角级数方程和变形能原理,导出了水平井套管柱的挠曲变形方程及最大挠度计算公式。这种方法具有运算精度高、使用简捷的优点。