水平井斜井段钻具组合与套管刚度匹配性分析

水平井斜井段钻具组合与套管刚度匹配性分析

张杰

中石化胜利石油工程公司黄河钻井总公司

摘要:随着水平井开发规模的不断扩大，斜井段中完作业中下技术套管遇阻现象较为突出，导致套管下入不能顺利到位，给水平段施工及后期生产埋下隐患。水平井斜井段套管柱在自身重力和井眼弯曲作用下产生变形，套管与井壁的接触面积增加，套管与井壁之间滑动摩阻增大。当摩阻达到一定程度，出现遇阻现象后，若强行下入，入井套管可能会发生变形，甚至造成失稳。为解决斜井段套管下入过程中遇卡遇阻的问题，保证下套管顺利到位，开展套管与井眼相容性分析十分必要。

关键词: 水平井；斜井段；钻具组合；匹配系数

分析了斜井段套管下入的难点;通过对油田水平井斜井段常用套管可通过的最大井眼允许曲率及特定井眼曲率下套管可通过的最大不可弯曲长度的计算，表明斜井段下套管保证套管能通过的最大井眼曲率要大于实钻井眼的曲率，同时在斜井段下套管前有必要针对实际通井钻具组合进行更为合理的力学模型简化;采用加权平均法计算了多种通井钻具组合的等效惯性矩，得到了不同通井钻具组合与套管的刚度匹配系数，为水平井斜井段套管顺利下到预定位置提供理论支撑。

1套管下入难点分析

套管下入时存在的难点主要有4点:(1)斜井段下套管作业时，随着井斜角的增大，套管承受的弯曲应力随井眼曲率半径的减小而增加，套管弯曲变形增大，套管失稳概率增大;(2)随着斜井段长度的增大，套管与井壁的接触面积增大，套管摩阻增大;(3)由于靶前距较小，斜井段曲率半径较小，导致套管通过的长度减小;(4)斜井段曲率半径不同，通井钻具刚度必须满足套管刚度要求，通井钻具组合选择困难。

2套管与井眼相容性分析

2.1套管可通过的最大井眼曲率计算

套管管体的抗拉强度比接箍连接处抗拉强度高，套管允许通过的最大井眼曲率不是套管本体部

分，而是接箍处。弯曲套管一侧承受拉应力，另一侧承受压应力。当弯曲应力达到或超过接箍的抗拉强度时，一侧会先破坏。斜井段套管弯曲应力超过钢材的屈服极限时，可能造成套管变形，无法进行后续作业。

2.1.1无扶正器时套管允许通过的最大井眼曲率

随着斜井段井眼曲率的增大，套管通过该井段的难度增加。因此需要判断套管柱在最大井眼曲率处的可通过性。实际作业过程中，允许套管承受一定的弯曲应力.水平井斜井段套管外径为178mm，套管钢级为N80、P110，井眼曲率必须小于0.44°m，才能满足不装扶正器的套管下入要求;水平井套管外径为140mm，套管钢级为J55，井眼曲率必须小于0.41°m，才能满足不装扶正器的套管下入要求(见表1)。

表1无扶正器时不同尺寸钢级套管允许通过的最大井眼曲率

2.1.2加入扶正器后套管通过的最大井眼曲率

水平井斜井段下套管时，为了保证固井质量，套管上需安装扶正器。加入扶正器，需考虑套管下入过程的轴向力与摩阻力、套管刚性增大等影响因素。为保证斜井段套管顺利下入，必须对加扶正器套管在井眼中的通过性进行计算，避免扶正器加载后套管串在特定井眼内遇阻。

水平井斜井段套管外径为178mm，套管钢级为N80、P110，井眼曲率必须小于0.37°╱m，才能满足安装扶正器的套管下入要求;水平井套管外径为140mm，套管钢级为J55，井眼曲率必须小于0.28°╱m，才能满足安装扶正器的套管下入要求(表2)。

表2加入扶正器后不同尺寸钢级套管允许通过的最大井眼曲率

2.2特定井眼曲率下套管可通过的最大不可弯曲长度

当套管两端安装了扶正器后，管柱两端扶正器与弯曲井段外侧井壁接触。设弯曲井眼的曲率半径为Ｒ，井眼直径为D_h，套管外径为D_o，两端扶正器的外径分别为d₁、d₂，两端受约束的单根套管能通过的最大长度为L。Ｒ、d₁、d₂的几何关系见图1。

图1套管在井眼里的示意图

3通井钻具刚度匹配计算方法

目前，斜井段下套管前都需要通井，确保套管顺利下到指定位置。由于水平井的靶前距不同，斜井段井眼曲率不同，设计通井钻具时应考虑井眼轨迹、入井套管的钢级等因素。通过对比分析通井钻具与入井套管结构、尺寸、刚度(1个扶正器的长度大概为1根钻铤的1╱9，而惯性矩却比钻铤大很多)，同时考虑扶正器对通井钻具及入井套管的影响，选择合适的通井钻具，模拟套管刚度进行通井，能确保套管顺利下到位。

3.1常用通井钻具刚度对比

代入刚度计算公式，计算各组合的抗弯刚度。

表3通井钻具BHA及套管基本数据表mm

3.2斜井段通井钻具选择

抗弯刚度由大到小的组合依次为:(4)、(1)、(2)、(5)、(3)。其中，前4种钻具结构刚度大于7"套管刚度，理论上可作为斜井段通井钻具组合。

4结语

(1)对水平井斜井段几种通井钻具结构的抗弯刚度进行了分析，对现场水平井斜井段通井钻具的选择具有理论指导意义。(2)随着三维水平井数量的不断增多，应考虑偏移距、垂深对斜井段套管下入的影响。

参考文献

［1］祝效华，高原，刘少胡，等.水平井弯曲段套管下入可行性分析［J］.石油矿场机械，2018，40(4):6－8.