复合模式下套管磨损形状与深度计算模型

随着钻井面临的客观条件更加复杂,套管磨损问题日益突出,对安全高效钻井造成严重威胁。现场实测数据表明,某些井段的套管上存在多个磨损区域,磨损区域呈现复合磨损模式,磨损形状的复杂性超出了常规模型的适用范围。在前人工作基础上,利用套管截面空间离散化和钻井过程时间离散化将复杂问题分解为一系列简单问题的组合;引入套管磨损过程的独立控制变量,建立了磨损深度和形状增量的计算模型,给出了套管磨损问题求解的具体步骤以及磨损系数反演方法;最后将理论模型应用到大位移井中。研究结果表明,套管磨损形状并不是总是单月牙形,而是呈现多月牙重叠、交叉和分离的复合模式。不同磨损模式是由不同原因造成的,重叠的原因是磨损外径变化,交叉的原因是磨损位置小幅度偏移,分离的原因是磨损位置大偏离。造斜段套管截面上存在多个磨损区域且磨损深度最大,套管失效风险也最大,是采取防磨措施的关键井段。安装防磨接头的效果最佳,推荐1个立柱安装1个防磨接头,降低磨损系数次之,调整钻井参数的效果最差。     

大位移井套管磨损量分析模型

在大位移井钻井过程中,由于裸眼井段长、井斜角大、井眼曲率变化大,从而使得钻柱与套管之间的接触力较大,导致套管会发生严重的磨损。根据套管内表面的磨损体积与旋转钻柱在相同位置所作的功成正比的原理,建立了、套管磨损厚度与井眼曲率、钻具组合、机械钻速、钻井时间及套管磨损量之间的关系,计算出了大位移井井筒内钻杆与套管之间的接触力沿井深分布,分析了机械钻速和钻井时间对套管磨损厚度的影响。计算结果表明,井眼曲率越大、钻井时间越长、机械钻速越低,套管磨损越严重。     

钻柱尺寸变化对套管磨损的影响

随着复杂结构井的出现,套管磨损问题日益凸显。在复杂结构井的钻井过程中钻柱尺寸变化难以避免,因此定量评估钻柱尺寸变化对磨损套管的影响是十分必要的。在月牙形套管磨损形状的假设下,根据钻柱尺寸与套管磨损截面之间的几何关系,建立了单一尺寸钻柱与复合钻柱所造成的月牙形套管磨损深度的计算模型并在此基础上探讨了钻杆接头尺寸变化对套管磨损深度的影响规律;采用ANSYS软件对不同磨损深度和磨损半径的磨损套管进行抗挤强度分析,得出了钻柱尺寸变化对磨损套管剩余抗挤强度的影响规律。     

受套管磨损约束的深井钻井延伸极限预测模型

深井超深井的套管磨损问题十分严重，严重制约了深井超深井延伸极限的增加。为了提高深井超深井的延伸极限，需要研究深井超深井套管磨损和延伸极限的关系，并明确建立以套管磨损为约束条件的深井延伸极限模型。建立了套管磨损能量方程，基于套管磨损截面几何方程，引入套管截面磨损深度极限值，并考虑井下管柱在钻进过程中的载荷传递，采用迭代法反演出深井超深井在套管磨损条件下的延伸极限值，结合塔里木某超深井的数据资料进行实例计算，并通过和该井的井径测试数据进行对比，验证模型的合理性。研究结果表明，实测该塔里木超深井3 070 m处套管磨损最严重，磨损量为3.15 mm，将其代入建立的套管磨损延伸极限模型中，可得到该井的磨损延伸极限为7 812 m，这与该井实际井深7 500 m极为接近，验证了本文模型的合理性。该研究从套管磨损理论的角度，预测了深井超深井的延伸极限，并为深井超深井的安全作业和钻具选型提供了理论依据。     

套管磨损量及剩余强度预测技术研究

在水平井、大位移井、深井钻井过程中下技术套管之后还需长时间钻进,钻具会对套管产生较大的磨损,造成套管强度下降,因此,建立了套管磨损量及其剩余强度的预测模型,利用模型对XG1井进行了计算分析。结果表明,套管磨损会明显降低套管的剩余强度,应采取相应的防磨损措施。     

复合磨损对弯曲套管抗挤强度的影响

在大位移井、水平井和三维定向井的弯曲造斜段,由于井眼轨迹复杂,造成套管弯曲变形、扁化、严重磨损或磨穿,井下摩阻扭矩过高导致卡钻和断钻具等井下事故频发,出现了许多新的套管损坏问题。鉴于此,建立了弯曲套管力学模型,发现随着套管弯曲曲率增加,截面扁化程度加剧,套管抗挤强度降低。同时分析了复合磨损对套管抗挤强度的影响;在单尺寸月牙磨损理论假设的基础上,根据参与磨损的钻杆接头尺寸不同,建立了复合锐进型月牙磨损和复合钝进型月牙磨损两种几何模型;采用解析法计算了复合磨损情况下套管的抗挤强度;通过有限元模拟验证,发现在相同磨损深度下,复合月牙磨损与最小磨损半径单月牙磨损的套管抗挤强度十分接近,最大误差控制在5%以内,且误差随磨损深度的增加而减小。研究结果可为复杂井井眼轨迹设计提供参考。     

深井和大位移井套管磨损程度预测

为提高套管柱强度设计准确性,防止磨损失控情况发生,深入分析了套管磨损预测技术。结合定向井钻柱力学研究成果,考虑钻柱刚度和屈曲的影响,推导了深井和大位移井的钻柱拉力-扭矩方程,建立了基于能量原理的套管磨损程度预测模型,并编制了预测软件。该预测软件可以预测包括钻进、起下钻具等作业过程的,不同套管柱层次、钻具组合、井眼轨迹、钻井液类型和钻井参数等情况的全井段不同井深所对应的套管磨损量。实例计算结果表明,编制的预测软件减小了人为的估计误差,预测值更为准确可靠。研究成果为深井和大位移井安全高效钻进提供了新的技术支持。      

大位移井套管磨损预测模型研究及其应用

针对套管磨损问题,以White和Dawson提出的理论模型为基础,结合Casing Wear ANSYS有限元软件及自编程序,建立了套管磨损厚度及剩余强度计算模型,给出了套管磨损预测的计算流程。利用该理论模型对南海某超大位移井进行了实例计算。结果表明,采用该方法所得的计算结果与现场发生的情况比较吻合。该研究结果对于进一步完善钻井工程设计中有关套管柱强度设计与磨损评价工作具有一定的参考意义。     

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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。     

大位移井套管可下入深度预测

大位移井在套管下入过程中大钩载荷和套管可下入深度的预测是大位移井成功完井的关键因素之一.根据大位移井下套管的特点,考虑套管柱刚度的影响和井眼轨迹中井斜、方位的变化,建立了适合大位移井套管三维刚杆计算模型并编制了计算软件.该软件在塔里木油田某井下套管作业分析中,对大钩载荷和套管可下入深度进行了数值模拟计算及预测分析,获得较好的效果,可在大位移井工程中推广应用.     

Prediction of casing wear in extended-reach drilling

Intermediate casings in the build sections are subject to severe wear in extended-reach drilling. This paper presents a new method for predicting the depth of a wear groove on the intermediate casing. According to energy principle and dynamic accumulation of casing wear by tool joints, a model is established to calculate the wear area on the inner wall of the casing. The relationship functions between the wear groove depth and area are obtained based on the geometry relationship between the drillstring and the wear section and the assumption that the casing wear groove is crescent-shaped. The change of casing wear groove depth versus drilling footage under different-sized drillstrings is also discussed. A mechanical model is proposed for predicting casing wear location, which is based on the well trajectory and drillstring movement. The casing wear groove depth of a planned well is predicted with inversion of the casing wear factor from the drilled well and necessarily revised to improve the prediction accuracy for differences between the drilled well and the planned well. The method for predicting casing wear in extended-reach drilling is verified through actual case study. The effect of drillstring size on casing wear should be taken into account in casing wear prediction.     

塔里木油田井口偏心对套管偏磨的影响

井架不正或井口偏心，会造成近井口套管（或套管防磨套）的磨损。针对深井钻井中的井口附件套管偏磨问题，以动力学为基础，建立了钻柱偏磨力学模型，推导出了套管/钻柱正压力的近似计算公式，分析了影响偏磨的主要因素。计算结果表明，有效偏心距和上部钻柱的提升力是影响近井口套管偏磨的主要因素。有效偏心距越大，上部提升力越大，套管/钻柱之间的正压力将越大，磨损将越严重。由于上部钻柱的提升力随井深的增加而增加，因此应当尽量避免井口偏心或井架安装不正，防止有效偏心距过大而造成近井口套管的严重偏磨。     

深井套管磨损几何力学模型及计算分析

在深井、超深井钻井过程中,套管磨损有可能导致套管封隔失效和油气井的早期报废.建立了深井钻杆与套管之间磨损模型,对深井套管磨损机理进行分析,研究钻杆本体与套管的接触情况,计算钻杆与套管之间的接触力.讨论了井眼曲率、套管钢级、钻杆轴向拉力、钻井时间对套管磨损的影响.应用所建的模型分析了不同因素对套管磨损厚度的影响,预测了深井套管磨损厚度.     

套管钻井用套管外表面磨损后剩余强度分析

在分析讨论套管钻井管柱磨损形态的基础上,结合API5C5实物试验尺寸要求,通过有限元计算分析方法,对钻井套管完钻后含有外表面磨损缺陷的套管柱的极限剩余抗挤强度和极限剩余抗拉强度进行了研究,分别获得了均匀磨损和偏磨条件下,套管钻井套管柱外表面磨损缺陷的临界长度尺寸数值,以及不同破坏失效准则条件下的剩余抗挤强度和剩余抗拉强度的计算方程,为套管钻井中套管柱的设计、计算奠定了理论基础。     

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随着石油工业的不断发展，深井、超深井、水平井和大位移井越来越多，而这类井由于其自身的特殊性，在钻井过程中钻具在井中旋转及起下钻对套管内壁造成磨损，导致其抗挤强度、抗内压强度等使用性能降低，对油气井的安全构成威胁，因此，套管设计时应当考虑磨损对抗挤强度的降低问题。API Bul 5C3挤毁压力公式没有考虑磨损对套管抗挤强度的影响。章主要通过有限元法并辅以理论分析，深入研究套管内壁磨损对其抗挤毁性能的影响规律，分别详细比较“月牙形”磨损模型与偏心筒近似磨损模型、最小壁厚均匀磨损模型之间的差异，并从挤毁强度降低的机理上阐述导致这些差异的原因所在。     

库车山前井防漏固井方法技术研究

由于塔里木油田库车山前地区目的层深、地质条件复杂,导致该地区的井在固井过程中时常发生漏失事故,严重影响固井质量。基于此问题,对整个固井期间产生激动压力的原因进行分析。通过研究钻井液性能、环空间隙、钻具和套管下放速度、排量以及井浆流变性能对激动压力的影响,得出环空间隙越小激动压力越大,建议不得小于20mm;降低钻井液屈服值能减小破坏胶凝结构产生的激动压力;提出了更为合理的套管下放速度计算模型以及提升循环排量频率的概念和控制方法 ;调整井浆的流变性能可以有效降低施工中产生的摩阻,并依此提出了注替排量的计算模型。现场应用表明,该套防漏固井方法对库车山前地区井的防漏设计有指导意义。     

大位移井套管柱磨损的探讨

套管磨损是钻井过程中必然存在的现象。进行套管磨损预防、预测与处理技术的研究具有十分重要的意义。文中用硬度、摩擦因素、侧向力、钻柱接头外径、钻速和磨损时间建立起套管磨损速度模型，建立并推导了套管磨损面积的关系式及任意给定位置磨损套管的剩余壁厚的表达式。     

深井内壁磨损套管剩余抗内压强度研究

深井钻井过程中,钻柱对套管内壁造成磨损多为"月牙形"磨损。在弹塑性力学分析的基础上,应用长槽形磨损模型分析磨损套管的抗内压强度变化规律。采用有限元数值模拟计算分析了磨损套管剩余强度的变化规律。根据磨损位置产生的附加弯曲应力,对原有的长槽形磨损模型进行了改进,并与试验结果进行了对比分析。分析结果表明,套管接头直径对套管抗内压强度影响较小。使用目前套管柱强度设计中常用的均匀磨损模型进行套管强度设计,偏于安全。改进后建立的磨损套管抗内压计算模型能更准确地描述磨损套管的剩余强度,与试验值更为接近,可为套管柱强度设计提供更为合理的理论参考。