套管扶正器优化设计研究.pdf

硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 题目套管扶正器优化设计研究 作者姓名王西贵 导 师 姓 名 职 称 聂翠平 副教授 学科 专业 名称油气井工程 提交论文日期2012 年 5 月 20 日 分 类 号TE925 2学号2009001027 密级 I 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外 论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确 的说明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 论文作者签名 日期 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学 学校享有以任何方法发表 复制 公开 阅览 借阅以及申请专利等权利 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时 署名单位仍然为西安石油大学 论文作者签名 日期 导师签名 日期 中文摘要 II 论文题目 套管扶正器优化设计研究论文题目 套管扶正器优化设计研究 专专业 油气井工程业 油气井工程 硕硕 士士 生 生 签名签名 导导师 师 签名签名 摘摘要要 目前丛式井组已经成为主要开发井型 大斜度定向井 大位移井和水平井的应用也越 来越多 开发上对固井质量要求越来越重视 提高固井质量措施中 首先要考虑的是如何 保证套管居中 优化套管扶正器安放位置研究具有重要意义 然而 并不是使用的套管扶 正器个数越多 固井质量就越高 因为过多的套管扶正器不仅增加了套管的刚度妨碍套管 顺利入井 而且增加了固井成本 提高固井质量的关键是正确的选用套管扶正器类型和优 化安装间距 为固井作业奠定良好的基础 在结合前人研究成果的基础上 基于两套管扶正器间套管轴线在一维 二维和三维的 挠曲变形分析研究 并考虑了套管内外液体的密度差和套管初始弯曲变形等因素 结合我 国石油行业标准 应用连续梁结构模型 优化了套管扶正器的计算公式 通过套管摩阻力 学模型的分析 给出了套管所受正压力和轴向力的计算方法 为加装套管扶正器的套管柱 顺利下入提供预测分析 结合工程实际的需要 用 c 编程语言编写了套管扶正器安装间距优化软件 该软件具 有扶正器基础设计 扶正器优化设计和扶正器位置校核等功能 可应用于工程设计 关键词 套管扶正器关键词 套管扶正器井眼轴线井眼轴线参数拟合参数拟合安装间距安装间距套管摩阻套管摩阻优化设计优化设计 论文类型 应用研究论文类型 应用研究 英文摘要 III SubjectSubjectSubjectSubject ResearchResearchResearchResearch onononon O O O Optimizationptimizationptimizationptimization D D D Designesignesignesign ofofofof C C C Casingasingasingasing C C C Centralizerentralizerentralizerentralizer SpecialitySpecialitySpecialitySpeciality OilOilOilOil andandandand GasGasGasGas WellWellWellWell EngineeringEngineeringEngineeringEngineering NameNameNameName signature signature signature signature InstructorInstructorInstructorInstructor signature signature signature signature ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT The cluster well group has become the main development well directional well extended reach well and horizontal well are more and more applications development of cementing quality requirements of more and more importance Improve the cementing quality measures the first thing to consider is how to ensure the optimization of casing pipe casing centralizer placement study has important significance However instead of using the casing centralizer number more cementing quality is higher because excessive casing centralizer can not only increase the casing stiffness hinder smoothly into the well casing but also increase the cost of well cementing Extraction technology is the key to correct selection of casing centralizer type and optimizing installation spacing lay a good foundation for well cementing In the light of predecessors on the basis of research results and seriously research the two casingcentralizercasingbetweenaxisinone dimensional two dimensionaland three dimensional flexure deformation considering the density difference and internal and external casing initial bending deformation and other factors combined with China s petroleum industry standards for the establishment of a more practical continuous beam structure the model and the calculation formula is given In order to more accurately determine the casing centralizers of casing pressure and axial force and also the analysis of the bushing friction model hope for installing casing centralizer casing well in providing theoretical support Combined with practical engineering needs using the c programming language design the software of casing centralizer installation spacing optimization Software of centralizer installation spacing foundation design centralizer installation spacing optimization design and installation space checking module it can be used in engineering design Keywords Keywords Keywords Keywords CasingCasingCasingCasing centralizercentralizercentralizercentralizer thethethethe boreholeboreholeboreholeborehole axisaxisaxisaxis parametersparametersparametersparameters fittingfittingfittingfitting installationinstallationinstallationinstallation spacespacespacespace casingcasingcasingcasing frictionfrictionfrictionfriction optimizationoptimizationoptimizationoptimization designdesigndesigndesign Thesis Thesis Thesis Thesis A A A Applicationpplicationpplicationpplication ResearchResearchResearchResearch 目 录 IV 目目录录 第一章 绪 论 1 1 1 研究的目的和意义 1 1 2 国内外研究现状 1 1 3 研究内容及关键技术 3 1 3 1 研究内容 3 1 3 2 关键技术 3 1 4 技术路线 3 第二章实际井眼轴线计算处理 5 2 1 井眼参数的处理 5 2 2 井眼轴线的拟合 6 2 3 井眼三维图像绘制的原理及绘制方法 8 2 3 1 井眼三维图像绘制的原理 8 2 3 2 井眼三维图像绘制的方法 9 第三章套管扶正器类型及安装间距模型分析 11 3 1 套管扶正器类型及性能分析 11 3 1 1 套管扶正器性能测试实验 11 3 1 2 弹性扶正器 13 3 1 3 刚性扶正器 15 3 1 4 井下启动的套管扶正器 18 3 2 套管扶正器安装间距模型分析 19 3 2 1 以往的研究成果 19 3 2 2 假设条件和受力分析 20 3 2 3 我国标准套管扶正器的挠曲变形 21 3 2 4 接近实际工况的连续梁模型力学分析和计算 26 3 2 5 扶正器处正压力 有效重力和套管两端的轴向载荷的处理 29 3 2 6 套管扶正器安装间距的确定 31 第四章套管摩阻计算分析 33 4 1 二维 软杆 模型 34 4 1 1 二维 软杆 模型在垂直井段的受力分析 34 4 1 2 二维 软杆 模型在斜直井段的受力分析 35 4 1 3 二维 软杆 模型在造斜井段的受力分析 35 4 2 二维 刚杆 模型 38 4 2 1 二维 刚杆 模型在垂直井段的受力分析 39 目 录 V 4 2 2 二维 刚杆 模型在斜直井段的受力分析 39 4 2 3 二维 刚杆 模型在造斜井段的受力分析 40 4 3 三维 软杆 模型 43 4 4 三种不同模型的使用条件 47 4 5 套管与井壁摩擦系数的取值 48 第五章套管扶正器安装间距优化软件开发 49 5 1 软件开发平台 49 5 1 1 c 编程语言 49 5 1 2 软件适用的环境 49 5 2 软件的编程计算 功能设计及程序框图 50 5 2 1 编程计算 50 5 2 2 功能设计 51 5 2 3 程序框图 51 5 3 软件的操作步骤 52 5 4 软件的模块描述 53 5 4 1 井斜数据的处理 53 5 4 2 扶正器类型选择 54 5 4 3 扶正器安装间距的处理 54 5 4 4 扶正器基础设计 54 5 4 5 扶正器优化设计 55 5 4 6 扶正器位置校核 56 第六章工程实例分析 57 第七章结论 59 致谢 60 参考文献 61 攻读硕士期间发表的学术论文 64 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1 11 1 研究的目的和意义研究的目的和意义 随着定向钻井技术 大斜度井钻井技术的发展 提高定向井 大斜度井固井质量已是 影响定向井技术发展的关键技术问题之一 超深井小间隙固井中套管扶正问题也是提高固 井质量的突出问题 在很大程度上 固井质量取决于套管在井眼中的居中程度 而套管在 井眼中的居中度又与扶正器的性能 安放组合 安放间距等因素密切相关 使用套管扶正器除了能有效地防止水泥浆窜槽外 还能减少套管受压差卡钻的危险 因为扶正器使套管居中 减少了套管与井壁接触的长度 即使在渗透性好的井段 套管也 不容易被压差所形成的泥饼粘住而形成卡钻 套管扶正器还能降低套管在井内的弯曲程度 尤其在大井眼井段 这样就会在下套管之后的钻进过程中减少钻具或其它井下工具对于上 层套管的磨损 起到了保护套管的作用 由于套管扶正器对套管的支撑 使套管与井壁的 接触面积减小 这样就减少了套管与井壁之间的摩擦力 有利于套管下入井内 有利于在 固井注水泥作业时活动套管 使用套管扶正器能改善固井质量 但使用不当也可能产生不良后果 恰当地选择套管 扶正器种类和正确地安装套管扶正器是使用好套管扶正器的关键 为了提高水泥浆顶替效 率 钻井工程技术人员研制并使用了多种套管扶正器 弹性扶正器 双层扶正器 刚性扶 正器 偏心扶正器和旋流扶正器等 并在套管扶正器安装间距计算方面作了许多研究工 作 使大斜度井 水平井的固井质量得到了很大提高 1 在扶正器安装位置计算方面 对于弯曲井段两个套管扶正器间套管的挠曲变形 大多 数的研究将套管视为直梁 忽略了套管初弯曲的影响 套管扶正器与井壁之间的摩擦阻力 对套管轴向载荷的影响在计算中也忽略不计 随着大斜度井 水平井钻井技术的发展 井 眼曲率 摩阻载荷越来越大 对套管的下入影响也越来越大 本课题重点在于建立针对套管扶正器间套管变形在实际工况下的力学模型 对套管扶 正器安装间距的计算公式进行修正 应用 c 编程语言编写套管扶正器安装间距优化设计的 软件 对套管扶正器安装间距进行计算并且对工程上已经设计好的扶正器安装位置进行校 核 输出套管偏心距及居中度 为下套管作业提供相应的科学依据 方便现场施工 1 21 2 国内外研究现状国内外研究现状 目前各主要石油工业国都有自己的套管扶正器安放间距计算规范 其中具代表性的有 API 规范 前苏联的国家规范 前西德的国家标准和我国石油工业部标准 通过对这些标 准的对比分析 发现在两扶正器间套管变形的力学模型和处理方法上还存在很多问题 API Spec10D 和我国石油工业部标准 SY5334 88 均采用浮力沿套管轴线均匀分布这种 考虑浮力的方式 在这种假设条件下 轴向力全为拉力 而前苏联规范和西德国家标准均 西安石油大学硕士学位论文 2 采用浮力集中作用于套管柱底端和变截面台肩上这种假设 使套管分为受拉和受压段 各种规范均采用两扶正器间的套管为弹性支承的柔杆 两端承受轴向力 以下针对我 国标准和 API 规范就模型方面和计算方法上存在的问题进行讨论 1 API 规范的模型 图 1 1API 套管扶正器力学模型 API 规范的力学模型如图 1 1 所示 在该模型中忽略了支座处的内弯矩 将问题简化 为静定问题来处理 2 忽略了初曲率和支座内弯矩后可得到两扶正器间套管在分布重力和 轴向力联合作用之下的最大挠度 即 2 max lx yy l表示两个扶正器间隔 4 2 4 max 24 5 2 1 cos 1 sin 384 5 h EI wl y 1 1 2 我国标准的模型 我国标准详细讨论了在一维 二维和三维情况下套管扶正器间套管的受力与变形 所 不同的是变形计算中用级数解代替解析解 虽然在模型中考虑了弯矩 但是在处理时又忽 略了弯矩 并假设扶正器处的转角为零 二维情形如图 1 2 所示 图 1 2我国石油天然气行业标准二维受力分析模型 第一章 绪论 3 两扶正器间的最大挠度的计算公式 cos 28 cos 2 sin 2 2 2 3 4 2 max WT l EI l W R l T R l wl y 1 2 在 SY T5334 1996 中 认为套管内外液体的密度相等 为钻井液密度 然而在实际 固井作业中 顶替完钻井液后 套管内外液体的密度是不相等的 套管外为水泥浆 套管 内为顶替液 套管的线重度也可能不相等 在小斜度井和直井中由密度差产生的径向力可 以忽略不计 但在大斜度井 水平井中这种力是不可忽视的 因此 套管扶正器安装间距 的部分计算公式需要修正 1 31 3 研究内容及关键技术研究内容及关键技术 1 3 11 3 11 3 11 3 1 研究内容研究内容 1 调研国内外研究文献和成果 2 对套管扶正器安装间距进行理论研究 结合已有的模型进行完善修正 建立实用 的计算数学模型 结合实际完善套管扶正器数据库 3 用 c 编程语言编写程序 实现套管扶正器安装间距优化计算 4 软件结果与理论计算及现场经验安装间距进行对比分析 并对软件进行修正及维 护 1 3 21 3 21 3 21 3 2 关键技术关键技术 1 分析以前扶正器安装设计模型及计算公式的不足 综合考虑弯矩 套管内外密度 差等因素的影响 对 SY T5334 1996 套管扶正器设计公式进行修正 建立一种实用性较强 的计算方法 2 用 c 编程语言编写套管扶正器安装间距计算的软件 并对其得出的结果进行验证 1 41 4 技术路线技术路线 充分调研国内外关于套管扶正器安装间距优化的文献 充分考虑各文献中对套管扶正 器安装间距公式的异同 认真分析研究影响扶正器安装间距的因素 在前人研究成果的基 础上 再综合考虑各个因素对扶正器安装的影响 建立一种更加实用的数学模型 然后用 c 编程语言进行软件开发 实现套管扶正器安装间距优化设计 西安石油大学硕士学位论文 4 研究技术路线如图 1 3 所示 综合调研国内外文献资料 套 管 扶 正 器 安 装 间 距 的 理 论 计算结果 套管扶正器间距优化设计研究 考虑套管的初弯矩分析套管内外密度 差产生的径向力 建立一种更实用的数学模型 C 编程计算 两者对比分析 修正程序 图 1 3技术路线 第二章 实际井眼轴线计算处理 5 第二章第二章实际井眼轴线计算处理实际井眼轴线计算处理 在实际工程中 井眼轨迹和井眼轨道是两个不同的概念 井眼轨道是工程人员设计时 预想的井眼轴线形状 而井眼轨迹是钻完井后实际的井眼轴线形状 由于地层 钻具和技 术等因素的影响 实际井眼轨迹肯定和井眼轨道存在着一定的偏差 3 为了衡量井眼轨迹 的偏离程度 就要用测井数据来分析 测井直接测得的数据参数主要是井深 井斜角和方 位角 其他的参数如井眼垂深和闭合距等都是由经验公式计算得出的 由于仪器的限制和工程实际操作的需要 测井数据不是连续的 而是一些离散性的点 从这些离散的点中 很难直观的看出井眼轨迹的形状和偏离程度 为此还需要对这些数据 进行拟合 拟合的方式有很多种 主要有直线插值 抛物线插值和三次样条插值 直线插 值和抛物线插值比较简单易懂 但是精度不高 三次样条插值不仅连续而且处处光滑 同 时还具有高精度的特点 满足工程实际需要 2 12 1 井眼参数的处理井眼参数的处理 已知井段 a b 上有一组有序的测点 井眼深度bxxxxxa nn i n时 正压力指向上方 故所研究的套管微单元为下井壁相接触 当0 i n时 正压力指向下方 故所研究的套管微单元为上井壁相接触 当0 i n时 正压力为零 故所研究的套管微单元与上 下井壁均不接触 有 iii NF 且 i n存在正负号 可得 iii nf 4 7 西安石油大学硕士学位论文 38 1当0 i n时 即 iii nf 代入到公式 4 4 可得 0 2 sin 2 cos 2 cos iiiiiiii RqRnTTT 4 8 其化简后得 0 2 cos 2 sin iiiiii RnTRq 4 9 公式 4 9 再联合公式 4 5 可得 0 2 cos 2 sin 2 sin 2 cos 2 sin 2 iiiiiiii RqTT 4 10 化简处理后得 0 cos sin iiiiiii i i RqT d dT 4 11 由解积分方程的常数变易法求得 ii u i iiiiii i ce Rq T 2 2 1 sin2cos 1 4 12 取临界值 0 i 0 TTi 代入公式 4 12 可得管柱任意一点在弯曲段的轴向力 iii CCeCCTT ii cossin cossin 21 02010 0 4 13 式中 2 2 2 2 1 1 1 1 2 i iii i iii Rq C Rq C 再由公式 i i iii R T qn cos 可得套管柱微单元任意一点处的正压力为 i ii iii R CCeCCT qn ii cossin cossin cos 21 02010 0 4 14 由此可得套管柱微单元在弯曲井眼段所受的正压力为 cossin cossin cos cossin cossin cos 21 02010 21 02010 0 0 CCeCCTqR R CCeCCT qRRnN RR iii i RR iiiiii iI iI 可以得出套管柱微单元在弯曲井眼段所受的摩阻力为 cossin cossin cos 21 02010 0 CCeCCTqRNF RR iiiiiiii iI 2当 i n 0 时 即 iii nf 代入到公式 4 4 可得 0 2 sin 2 cos 2 cos iiiiiiii RqRnTTT 4 15 第四章 套管摩阻计算分析 39 其化简后得 0 2 cos 2 sin iiiiii RnTRq 4 16 由上式再联合公式 4 5 并化简可得 0 sincos iiiiiii i i RqT d dT 4 17 用常数变易法解其微分方程可得 iI ce Rq T i iiiiii i 2 2 1 cos 1 sin2 4 18 同样取临界值 0 i 0 TTi 代入公式 4 18 可得管柱任意一点在弯曲段的轴向 力 iii CCeCCTT ii cossin cossin 21 02010 0 4 19 式中 2 2 2 2 1 1 1 1 2 i iii i iii Rq C Rq C 同理可得套管柱微单元任意一点处的正压力为 i ii ii i i iii R CCeCCT q R T qn ii cossin cossin cos cos 21 02010 0 套管柱微单元在弯曲井眼段所受的正压力为 cossin cossin cos 21 02010 0 iiiiiiii CCeCCTqRRnN ii 套管柱微单元在弯曲井眼段所受的摩阻力为 cossin cossin cos 21 02010 0 iiiiiiiiii CCeCCTqRNF ii 4 24 2 二维二维 刚杆刚杆 模型模型 由于井眼曲率很大再加上套管刚度的原因 短半径的大斜度井 水平井存在着很大的 弯曲应力 在这种情况下再用二维 软杆 模型就使模拟的计算结果与实际结果相差甚远 由此提出了 刚杆 计算模型 刚杆 模型与 软杆 模型的差别就是 刚杆柱在建立 模型的过程中认为套管柱是有刚度的 并考虑所截取的套管柱微单元两端弯矩和剪切力 二维 刚杆 模型建立的假设条件是 1 套管与井壁连续接触 且套管柱轴线变形与井眼轴线变形一样 2 不考虑井壁变形 井眼轨迹光滑无狗腿角 西安石油大学硕士学位论文 40 3 截取的套管柱单元体上 套管的线重度 截面积完全相同 4 考虑套管为刚性管柱 即考虑套管微单元两端的弯矩和剪切力 二维刚杆模型的处理基本和软杆模型的处理思想接近 即把整个套管柱分成垂直段 造斜段和稳斜段 含水平段 然后再在每个阶段截取套管柱微单元进行研究 将每个井 眼段中的每个套管柱微单元的摩阻力进行叠加 即可得到整根套管柱在下入井眼过程中的 总的摩阻力 4 2 14 2 14 2 14 2 1 二维二维 刚杆刚杆 模型在垂直井段的受力分析模型在垂直井段的受力分析 二维刚杆模型的垂直井眼段套管的受力分析 可以认为与软杆模型垂直井眼段的受力 相同 即套管不予井壁相接触 其轴向力只受套管浮重的影响 公式可以表述为 0 BbiiAi TKLqTF 钢铁 液体 1 b K 4 2 24 2 24 2 24 2 2 二维二维 刚杆刚杆 模型在斜直井段的受力分析模型在斜直井段的受力分析 其受力模型如图 4 4 所示 图 4 4二维 刚杆 模型在斜直井段受力示意图 据此受力简图得力学表达式为 钢 液 1 0sin 0cos b iii ibiii ibiiBiA K NF KLqN KLqTFT 4 20 由此可得 第四章 套管摩阻计算分析 41 iibiiBA ibiiii ibiii FKLqTT KLqF KLqN cos sin sin 4 21 式中 A T 管柱微单元的上端轴向力 单位为 N B T 管柱微单元的下端轴向力 单位为 N i F 管柱微单元所受的摩擦力 单位为 N i q 管柱微单元在空气中的单位浮重 单位为 N m i L 所取的管柱微单元的长度 单位为 m i 管柱微单元在目前井段的摩擦系数 b K 浮力系数 无因次量 i 套管微单元目前位置的井斜角单位为 4 2 34 2 34 2 34 2 3 二维二维 刚杆刚杆 模型在造斜井段的受力分析模型在造斜井段的受力分析 二维 刚杆 模型在造斜井眼段的受力分析如图 4 5 所示 图 4 5二维刚杆在造斜井眼段受力示意图 据管柱微单元受力平衡 力矩平衡及摩擦定律可得 iii iBiAiiiiiiBA BAiiiiBA BAiiiiAB NF RTRTRLqRFMM QQLqNTT QQLqFTT 0 2 sin 0 2 cos 2 cos 2 cos 2 sin 2 sin 0 2 sin 2 sin 2 sin 2 cos 2 cos 4 22 1 当0 i N时 即 iii NF 代入上式即可得 西安石油大学硕士学位论文 42 0 2 sin 0 2 cos 2 cos 2 cos 2 sin 2 sin 0 2 sin 2 sin 2 sin 2 cos 2 cos iBiAiiiiiiiBA BAiiiiBA BAiiiiiAB RTRTRLqRNMM QQLqNTT QQLqNTT 4 23 解上式可得 2 cos 2 sin2 2 sin 2 2 1 2 1 ii i BA BBi LqC R MM QtgT C N 4 24 i BA iiiiiBA R MM NLqTT 2 sin 4 25 2 2 22 2 cos 1 2 sin 3 tgTtg R MM NCLqQQ B i BA i iiiBA 4 26 公式中 2 2 cos 2 cos1 1 tgC i 2 cos 1 2 cos 2 sin 2 sin 2 cos 2 ii C 2 cos 2 sin 2 sin 2 cos 3 ii C 由此得 当下套管过程中套管与下井壁接触的摩擦力为 2 cos 2 sin2 2 sin 2 2 2 1 ii i BA BB i iii LqC R MM QtgT C NF 4 27 2 当0 i N时 即 iii NF 代入上述受力平衡 力矩平衡公式即可得 第四章 套管摩阻计算分析 43 0 2 sin 0 2 cos 2 cos 2 cos 2 sin 2 sin 0 2 sin 2 sin 2 sin 2 cos 2 cos iBiAiiiiiiiBA BAiiiiBA BAiiiiiAB RTRTRLqRNMM QQLqNTT QQLqNTT 4 28 同理 解上式可得 2 cos 2 sin2 2 sin 2 2 1 5 4 ii i BA BBi LqC R MM QtgT C N 4 29 i BA iiiiiBA R MM NLqTT 2 sin 4 30 2 2 22 2 cos 1 2 sin 3 tgTtg R MM NCLqQQ B i BA i iiiBA 4 31 公式中 2 cos 2 sin 2 sin 2 cos 3 ii C 2 2 cos 2 coscos 4 tgC i 2 cos cos 2 cos 2 sin 2 sin 2 cos 5 ii C 同理易得 当下套管过程中套管与上井壁接触的摩擦力为 2 cos 2 sin2 2 sin 2 2 5 4 ii i Bi BB i iii LqC R MM QtgT C NF 4 32 在上述计算公式所涉及的符号 i q 套管柱的单位浮重 单位为 N m 为了简化没用浮力系数 i 套管微单元所处井壁处的井斜角 单位为 套管微单元在随着井眼弯曲所对应的圆心角 单位为 i 套管柱微元段下端与曲率圆中心的连线与铅垂线的夹角 单位为 i F 套管柱与井壁间的摩擦阻力 单位为 N 西安石油大学硕士学位论文 44 i R 井眼曲率半径 单位为 m 一般由 18030 C i K R确定 i N 套管柱微单元对井壁的正压力 单位为 N i 套管柱微单位与该井段间的摩擦系数 为无因次量 A T 套管柱微单元上端的轴向力 单位为 N B T 套管柱微单元下端的轴向力 单位为 N A M 套管柱微单元上端的弯矩 单位为 N m B M 套管柱微单元下端的弯矩 单位为 N m A Q 套管柱微单元上端截面上的剪切力 单位为 N B Q 套管柱微单元下端截面上的剪切力 单位为 N i L 所截取的套管微单元的长度 单位为 m 4 34 3 三维三维 软杆软杆 模型模型 研究三维井段 则方位角和井斜角均在发生变化 井眼轴线是一条空间的任意曲线 所以套管也是沿着井眼轴线的相同曲线 如下图所示 受前面所述关于求取套管最大偏心 距 三维模型 处理方法的启示和空间几何力学关系 将套管微单元变形和受力分析分解 到两个平面上来研究 一个是 P 平面 有时也叫做井斜角平面 也就是管柱微单元上下两 个端点即弦 AB 与 z 轴建立的铅垂面 一个是 Q 平面 即鲁宾斯基所描述的狗腿角平面 是套管微单元弧长 AB 与管柱曲率圆圆心 t 所确定的平面 其两个平面的夹角可以由平面向量的性质得出 Qp QP nn nn COS 1 图 4 6三维弯曲井眼轴线图图 4 7固定坐标系和自然坐标系图 第四章 套管摩阻计算分析 45 选取固定坐标系 O NEH 如图 4 7 所示 原点 O 选在井口处 N 轴指向地理方位的 正北 E 轴指向地理位置的正东 H 轴为垂向方向 单位矢量分别为i j k 在井眼 轴线上选取自然坐标系 t 为井眼轴线 含管柱微单元轴线 的切线方向 n 为井眼轴线 含管柱微单元轴线 的主法线方向 b 为井眼轴线 含管柱微单元轴线 的副法线方向 固定坐标系和自然坐标系存在下述关系 kbjbibb knjninn ktjtitt HEN HEN HEN 4 33 再由微分几何理论可得 cos sinsin cossin H E N t t t 4 34 cH cE cN KKn KKKn KKKn sin sinsincossin sinsincossin 4 35 cH cE cN KKb KKKb KKKb sin sincossincos sincossinsin 2 4 36 公式中 井斜角 单位为 井斜方位角 单位为 K 井斜角变化率 l K 单位为 m K 井斜方位角变化率 l K 单位为 m c K 平均井眼曲率 l Kc 单位为 m 注意区分工程的平均井眼曲率 但是 实质是一样的 l 井眼该测段的弧长 单位为 m 井眼该测段的狗腿角 单位为 我国钻井行业计算狗腿角的公式为 2 sin 222BA 国外一般计算狗 西安石油大学硕士学位论文 46 腿角的公式为 cos sinsincosarccos cos ABBABA 假设套管的变形曲线完全与井眼轴线相同 因此套管也是三维空间中的任意一条曲 线 然后再由微分原理 将整个套管分成若干个微单元进行研究 对于每个套管微单元来 讲 其都处在空间三维中的一个任意平面上 这个平面也就是经常所说的鲁宾斯基定义的 狗腿角 平面 三维 软杆 摩阻力学模型建立的假设条件是 1 所研究的套管柱微单元上 套管的线重度 截面积均相同 2 不考虑井眼变形影响的因素 考虑井眼的狗腿角这一实际因素 3 套管与井壁是连续接触的 且套管的变形曲线与井眼完全相同 4 假设套管为柔性软杆 两端不存在弯矩和剪力 假设研究的管柱微单元处在三维弯曲井眼的一般位置 上端点的井斜角为 A 上端 点处的井斜方位角为 A 下端点处的井斜角为 B 下端点处的井斜方位角为 B 管柱微 单元的弧长为l 管柱的受力分析如下图所示 图 4 8管柱微单元在三维井段任意位置受力示意图 可以将该套管微单元上所受的正压力分解为狗腿角平面 定义为 n 平面 上的正压力 ni N 和与狗腿角平面相垂直的平面 定义为 b 平面 上的正压力 bi N 则总的正压力为两者 的矢量和 用公式可以表示为 binii NNN 同理 将重力分解为 n 平面上的分力 Gn b 平面上的分力 Gb 以及井眼轴线切线方 向的分力 Gt 设 gn 为垂直方向与 n 平面的夹角 gb 为垂直方向与 b 平面的夹角 gt 为 垂直方向与井眼轴线切线的夹角 则由向量性质易得 第四章 套管摩阻计算分析 47 222 cos HEN D gn nnn n 4 37 222 cos HEN D gb bbb b 4 38 222 cos HEN D gt ttt t 4 39 tbn gtt gbb gnn GGGG GG GG GG cos cos cos 4 40 在 b 平面上正压力分量 bi N 完全由管柱微单元的重力引起 由力学知识易得 gbibbi qLGN cos 4 41 在 n 平面上 对管柱微单元进行分析研究 其受力图和二维图基本相同 只是里面的 数据需要经过向量变换 其受力图如图所示 图 4 9管柱微单元在 n 平面受力示意图 在 x 方向建立力学平衡方程有 0 2 cos 2 cos AnitB TFGT 4 42 在 Y 方向建立力学平衡方程有 0 2 sin 2 sin BAnni TTGN 4 43 再有摩擦定律 NF 得 1 当0 ni N时 即套管微单元与下井壁接触时得 西安石油大学硕士学位论文 48 0 2 sin 2 sin 0 2 cos 2 cos BAnni AnitB TTGN TNGT 4 44 求解得 2 cos 2 sin2 2 cos 2 sin 2 cos 2 sin 1 Bntni TGGN 4 45 tniBA GNTT 2 cos 1 2 cos 1 4 46 2 当0 e e N N 减小减小L L 值值 输 出 合 格输 出 合 格 结束结束 Y Y 图 5 1 程序流程框图 5 35 3 软件的操作步骤软件的操作步骤 套管扶正器安装间距优化编程软件的操作过程是有顺序的 首先保证有设计井的井斜 数据以及套管的数据 才能使该软件有设计计算和校核的结果 该软件的具体操作步骤如 下 第一步 井斜数据的录入 要在数据编辑下拉框的井斜数据编辑中 录入该井的测井数据 并且要求井眼轨迹 ID 井 ID 序号 斜深 垂深 井斜 方位 狗腿度 闭合距 闭合方位 版本一一对应 其 中狗腿度 闭合距 闭合方位和版本可以为空值 第二步 点击文件中选择设计井 进入界面 第三步 选择相应的井号 即可点击确定 第四步 双击扶正器设计 即可进入套管扶正器位置设计程序的主界面 如图 5 2 所 示 西安石油大学硕士学位论文 54 图 5 2套管扶正器安装间距优化主界面 进入主界面后 需要对界面上的数据进行完善 钻头直径和井径扩大率需要手动输入 钻井液密度 套管数据 包括外径 内径 重量 下入垂深 水泥返深由数据库中直接 导入 扶正器安装间距系统默认为 9 47m 如果界面数据不合理 可以直接进行修改 扶 正器安装间距提供了 9 47 18 94 28 41 三种间距可供选择 计算模式中 如果固定间距 模式的框不选中 则按变换间距模式运行程序 即如果间距选择 18 94m 套管居中度不合 格的话 间距会自动变为 9 47m 如果固定间距模式的选择框选中的话 即安装间距就是 所选的间距 不再自动变换为较小间距 扶正器类型选用刚性扶正器 或者弹性和刚性组 合使用模式 会多出一个刚性扶正器外径 需要手动输入其数值 第五步 数据完善后 即可根据自己需求去完成设计 其中设计的功能有套管扶正器 基础设计 套管扶正器优化设计和套管扶正器位置校核 5 45 4 软件的模块描述软件的模块描述 套管扶正器安装间距优化软件主要有井斜数据处理 扶正器类型选择 扶正器安装间 距模式 扶正器基础设计 扶正器优化设计和扶正器位置校核等几个重要的模块 5 4 15 4 15 4 15 4 1 井斜数据的处理井斜数据的处理 井斜数据处理模块是整个套管扶正器安装间距优化软件的基础 井斜数据处理模块就 是对测井数据这些不连续的点处的井深 井斜角和方位角 进行三次样条插值处理 并且 利用平均井斜角法计算出垂深 进而得到井眼轨迹上任意一点的井深 井斜角 方位角和 垂深 为后续设计计算和校核提供了基础数据 在程序设计时 有井斜数据的增加 编辑 删除 导入 导出 自动计算和保存等按 钮 可以实现对井斜数据修改 其中导入和导出功能实现了 excel 表读入和读出程序 为 设计计算提供了很大的方便 第五章 套管扶正器安装间距优化软件开发 55 5 4 25 4 25 4 25 4 2 扶正器类型选择扶正器类型选择 根据工程实际情况 将套管扶正器安装分为单独使用弹性扶正器 单独使用刚性扶正 器以及弹性和刚性组合使用这三种情况 单独使用弹性 或刚性 扶正器模型中 套管最 大偏心距按我国石油天然气行业标准中弹性 或刚性 扶正器最大偏心距的精确计算公式 计算 弹性和刚性组合使用时 则按照标准中弹性和刚性组合使用时关于套管最大偏心距 的精确公式计算 在设计中原则上是使用较少的刚性扶正器 即在某处弹性扶正器能满足 要求则尽量不用刚性扶正器 5 4 35 4 35 4 35 4 3 扶正器安装间距的处理扶正器安装间距的处理 按照工程通常做法 一般单根套管加一个弹性扶正器 两到三根套管加一个刚性扶正 器 所以主界面上扶正器安装间距设有 9 47m 18 94m 和 28 41m 这三种 该软件默认 9 47m 为首选项 也可手动调为 18 94m 或者 28 41m 在主界面上还设有固定间距模式和变换间 距模式 如果选定固定间距模式 该软件将严格按照选定的间距从最下端扶正器井深处依 次往上计算到水泥返深处 如果选定的是变换间距模式 例如选定 18 94m 当程序计算后 发现该处的套管居中度不满足 66 7 时 则间距自动减为 9 47m 5 4 45 4 45 4 45 4 4 扶正器基础设计扶正器基础设计 扶正器安装间距的基础设计是按照该固井项目甲方的要求设计 即给定套管的居中 度 求出满足此居中度的套管扶正器 弹性扶正器或刚性扶正器 的安装间距 程序在设 计时先假定一个初始扶正器安装间距 如果此初始安装间距下的套管居中度大于给定的套 管居中度 则增大此安装间距 如果初始安装间距下的套管居中度小于给定的套管居中度 则减小此安装间距 直至达到工程要求精度的 5 扶正器安装间距基础设计模块运行如 图 5 3 所示 图 5 3套管扶正器基础设计模块运行示意图 西安石油大学硕士学位论文 56 5 4 55 4 55 4 55 4 5 扶正器优化设计扶正器优化设计 扶正器安装间距的优化设计是该软件的最主要的功能之一 它涵盖了弹性扶正器 刚 性扶正器以及弹性和刚性组合使用这三种扶正器类型安放形式 并且设计了固定间距和变 换间距两种模式 假如扶正器类型选择弹性扶正器 计算模式选择变换间距模式 系统默 认 如果扶正器安装间距选择过大 则在程序计算中程序会自动选择较小一级安装间距 使井眼居中度满足工程要求的最低值 66 7 程序运行如图 5 4 所示 如果计算模式选择 固定间距模式 即在固定间距模式的复选框中打勾 则程序会严格按照安装间距的长度从 最下端扶正器处井深依次计算到水泥返深位置 程序运行如图 5 5 所示 假如扶正器类型选择弹性和刚性组合使用时 程序设计的原则是尽量使用较少的刚性 扶正器 即先减小弹性扶正器的安装间距长度 如果长度变为最小值后还未使套管居中度 达到 66 7 则此时将弹性扶正器变换为刚性扶正器 计算两套管扶正器间套管最大偏心 距的公式选用我国石油标准的弹性和刚性扶正器组合使用的精确公式进行计算 图 5 4套管弹性扶正器安装间距优化设计 变换间距模式 第五章 套管扶正器安装间距优化软件开发 57 图 5 5套管弹性扶正器安装间距优化设计 固定间距模式 5 4 65 4 65 4 65 4 6 扶正器位置校核扶正器位置校核 扶正器安装间距校核 是工程人员按照工程实际惯用方法 采用常规设计处理方式已 经完成了套管扶正器安装位置和类型设计 并制作成了 excel 表格 如下表 5 1 所示 通 过该软件完成对常规惯用设计的校核 校核处理模块中有导入功能键 可以将 excel 表格直接读入到程序中的 DataGridView 安装间距是上下两扶正器井深位置的差值 最后根据表格中扶正器的类型 选用相应的最 大偏心距计算公式 即可得到该点处的套管居中度 如果套管居中度大于或等于 66 7 则合格 否则不合格 表 5 1 扶正器安装位置及类型 扶正器处井深 m 扶正器处垂深 m 井斜角 方位角 扶正器类型 890836 132 37216 83弹性扶正器 881 08828 5632 49216 71弹性扶正器 872 25821 132 61216 59弹性扶正器 858 07809 1432 1216 01弹性扶正器 143 97143 960 45193 52弹性扶正器 139 23139 220 46152 01弹性扶正器 134 69134 680 48112 12弹性扶正器 130 32130 310 4973 79弹性扶正器 115 19115 180 45110 98弹性扶正器 西安石油大学硕士学位论文 58 第六章第六章工程实例分析工程实例分析 应用套管扶正器安装间距优化设计软件 对埕北 25E 4 定向井进行套管扶正器优化设 计分析 埕北 25E 4 定向井属于下层系采油井 它的构造位置在埕岛油田主体构造中部的 埕北 22 埕北 25 井区 该井区油藏埋深一般在 1207 1715m 含油井段平均 198m 平均 孔