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出砂井打捞管柱力学分析研究及其应用

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出砂井打捞管柱力学分析研究及其应用

出 砂 井 打 捞 管 柱 力 学 分 析 研 究 及 其 应 用 进石 油 大 学 ,北 京 102249 杨 立 平 苏 杰 章 桂 庭 龙 江 桥渤 海 石 油 实 业 公 司 ,天 津 塘 沽 300452摘 要 出 砂 井 落 鱼 管 柱 打 捞 需 要 对 管 柱 的 套 铣 长 度 进 行 选 择 ,针 对 这 一 问 题 建 立 了 井 下 管 柱 受 力 分 析 计 算 模型 。 利 用 力 学 分 析 模 型 分 别 对 打 捞 施 工 过 程 中 管 柱 摩 擦 力 和 大 钩 载 荷 进 行 了 详 细 计 算 ,为 打 捞 施 工 过 程 中 工 程 参数 的 选 择 提 供 了 理 论 依 据 ,为 安 全 施 工 提 供 了 技 术 保 证 。 实 践 证 明 ,计 算 模 型 简 单 实 用 ,解 决 了 出 砂 井 落 鱼 管 柱 打捞 过 程 中 易 出 现 复 杂 情 况 的 问 题 。 在 打 捞 工 艺 中 应 用 这 一 数 学 模 型 将 进 一 步 提 高 作 业 效 率 ,降 低 作 业 成 本 。关 键 词 出 砂 井 打 捞 管 柱 力 学 分 析 修 井在 国 内 石 油 完 井 施 工 或 生 产 过 程 中 ,经 常 遇 到完 井 管 柱 遇 卡 、 油 井 出 砂 而 导 致 无 法 正 常 生 产 等 井下 复 杂 情 况 。 在 处 理 这 些 事 故 的 过 程 中 ,一 般 只 凭现 场 经 验 和 感 觉 ,而 很 少 进 行 详 细 的 理 论 分 析 和 计算 ,因 此 在 施 工 过 程 中 即 便 使 用 好 的 工 具 ,也 很 难 保证 不 发 生 井 下 复 杂 事 故 。 在 打 捞 井 下 落 鱼 管 柱 套 铣施 工 过 程 中 ,为 了 缩 短 施 工 时 间 ,每 趟 套 铣 作 业 时 套铣 长 度 应 尽 可 能 长 ,但 由 于 受 到 井 下 条 件 的 限 制 ,如果 套 铣 长 度 过 长 ,可 能 会 发 生 上 提 时 卡 死 管 柱 等 井下 复 杂 情 况 ,所 以 必 须 对 套 铣 深 度 进 行 优 化 选 择 ,达到 既 保 证 井 下 作 业 安 全 ,又 进 一 步 节 约 施 工 时 间 的目 的 。 基 于 上 述 情 况 ,很 有 必 要 从 力 学 角 度 对 井 下管 柱 进 行 详 细 理 论 分 析 ,建 立 力 学 模 型 ,开 展 井 下 管柱 安 全 操 作 研 究 ,进 一 步 对 井 下 工 具 的 可 靠 性 进 行分 析 ,预 测 操 作 过 程 中 可 能 发 生 的 危 险 情 况 ;另 外 ,对 井 下 发 生 复 杂 事 故 的 原 因 进 行 分 析 ,寻 求 解 决 问题 的 最 佳 方 案 。 本 研 究 的 目 的 在 于 给 修 井 现 场 施 工提 供 科 学 依 据 。1 井 下 打 捞 管 柱 的 力 学 分 析影 响 井 下 管 柱 受 力 的 因 素 很 多 ,主 要 包 括 管 柱结 构 、 井 眼 环 境 及 作 业 施 工 方 式 和 操 作 参 数 等 几 类 。出 口 密 度 一 致 。5采 用 双 凝 M 系 ,以 提 高 主 力 油 气 层 的固 井 质 量 。通 过 井 得 出 港 深 14 - 22 井M 井 质 量 优 质 ,第 1 和 第 2 界 面 胶 结 良 好 。4 结 论1通 过 现 场 应 用 ,矿 渣 M 泥 浆 体 系 能 很好 地 解 决 马 东 油 田 漏 、 涌 、 安 全 窗 口 极 小 的 固 井 难题 ,有 效 地 保 护 油 气 层 。2 优 选 出 适 合 于 大 港 油 田 不 同 区 块 固 井 的M ,在 浆 体 性 能 、 固 化 物 力 学 性 能 等 方 面 能够 满 足 大 港 油 田 各 层 次 套 管 固 井 要 求 。3 M 浆 液 可 以 用 作 隔 离 液 ,与 钻 井 液 有很 好 的 相 容 性 ,能 使 水 泥 浆 与 井 壁 滤 饼 较 好 地 胶 结 ,提 高 第 2 界 面 的 胶 结 质 量 。4矿 渣 M 中 的 激 活 剂 能 对 井 壁 滤 饼 起到 部 分 转 化 作 用 ,因 此 ,能 提 高 第 2 界 面 的 胶 结 质量 ,保 证 层 间 封 隔 。5矿 渣 M 井 技 术 可 以 利 用 部 分 废 弃 的钻 井 液 ,可 减 少 部 分 环 保 费 用 。参 考 文 献[1 ] , 刘 大 为 等 译 . 现 代 固 井 技 术[2 ] 宋 明 全 ,王 文 立 ,田 中 雨 ,罗 德 明 ,杨 嘉 林 . 矿 渣 窜 固 井 技 术 应 用 研 究 . 石 油 钻 采 工 艺 , 1999 , 211 2528收 稿 日 期 2003205220〔 编 辑 薛 改 珍 〕第 26 卷 第 2 期 石 油 钻 采 工 艺 26 22004 年 4 月 N G Y 2004 简 介 杨 进 ,1989 年 毕 业 于 石 油 大 学 华 东 钻 井 工 程 专 业 ,现 为 副 教 授 ,长 期 从 事 油 气 井 工 程 方 面 研 究 。其 中 ,管 柱 结 构 主 要 包 括 管 柱 的 几 何 尺 寸 、 单 位 长 度重 量 及 其 材 料 性 质 等 ;井 眼 环 境 主 要 是 指 几 何 形 状包 括 井 眼 的 直 径 、 井 斜 角 、 方 位 角 及 曲 率 等 ,管 柱与 井 壁 接 触 的 摩 擦 状 态 ,以 及 工 作 液 的 密 度 和 润 滑性 能 等 ;作 业 施 工 方 式 可 分 为 上 提 、 下 放 、 转 盘 旋 转套 铣 3 种 方 式 ;施 工 操 作 参 数 包 括 钻 压 、 转 速 、 扭 矩 、泵 压 和 排 量 等 。 为 了 便 于 理 论 分 析 ,作 如 下 假 设 。1井 壁 对 管 柱 呈 刚 性 支 承 。2井 眼 形 状 规 则 ,管 柱 与 井 眼 连 续 接 触 并 忽 略井 眼 间 隙 的 影 响 ,认 为 钻 柱 弹 性 变 形 线 与 井 眼 轴 线完 全 重 合 。3管 柱 与 井 壁 的 摩 擦 为 滑 动 摩 擦 。为 了 便 于 计 算 ,可 采 用 二 维 井 眼 的 管 柱 受 力 分析 模 型 。 二 维 井 眼 的 井 身 剖 面 处 于 同 一 铅 垂 平 面内 ,井 眼 曲 线 可 以 弯 曲 ,但 其 挠 率 恒 为 零 。 在 斜 井段 ,取 钻 柱 微 元 Δ s ,如 图 1 所 示 。图 1 斜 井 段 中 的 管 柱图 1 中 , N 为 管 柱 对 井 壁 的 正 压 力 ,N/ m ; T 为管 柱 的 轴 向 力 ,以 拉 力 为 正 ,N ; f 柱 单 位 长 度 所受 到 的 轴 向 阻 力 ,N/ m ,其 作 用 方 向 与 管 柱 运 动 方 向相 反 ;μ 为 管 柱 与 井 壁 间 的 滑 动 摩 擦 系 数 ; q 为 单 位长 度 管 柱 的 有 效 重 量 ,N/ m , q q 重 力 方 向的 单 位 矢 量 ; R 为 井 眼 曲 率 半 径 ,m ;β 为 管 柱 在 斜 井段 中 任 意 一 点 的 位 置 参 量 , ,它 与 井 斜 角 α 互 余 ;β 0、β 2 分 别 表 示 斜 井 段 的 首 端 和 末 端 的 位 置 角 , 。2 井 下 施 工 过 程 中 管 柱 受 力 分 析2. 1 简 化 和 假 设1直 井 段 钻 杆 与 套 管 不 产 生 正 压 力 ,即 不 产 生摩 擦 扭 矩 损 失 。2忽 略 钻 杆 弹 性 带 来 的 扭 矩 损 失 。3套 铣 管 柱 其 余 组 件 简 化 为 一 根 钻 铤 ,并 将 其重 量 和 长 度 计 入 钻 铤 部 分 。在 套 铣 摩 擦 阻 力 的 计 算 过 程 中 ,考 虑 到 落 鱼 管 柱的 弯 曲 及 其 组 件 的 外 径 大 小 不 一 ,它 与 套 铣 筒 不 会 全面 积 接 触 ,在 这 里 采 用 百 分 比 的 形 式 估 算 其 接 触 面积 ,同 时 通 过 实 际 工 况 中 的 大 钩 载 荷 反 算 出 合 适 的 百分 比 ,据 此 再 进 行 下 一 步 的 计 算 。2. 2 管 柱 受 力 计 算钻 杆 和 套 铣 管 柱 外 壁 摩 擦 力 计 算f 1 μ ρ d L - L 0 - L x μ ρ x L x ρ l L 1套 铣 管 柱 内 壁 摩 擦 力 计 算f 2 μ λ ρ l L 2套 铣 管 柱 及 钻 杆 所 受 重 力 计 算G ρ d L 0 g L - L 0ρ d ρ x L x 3套 铣 管 柱 及 钻 杆 所 受 浮 力 计 算F ρ m sL g 4上 提 时 大 钩 载 荷 计 算Q G f 1 f 2 - F 5式 中 ,μ 1为 干 摩 擦 时 摩 擦 系 数 ;μ 2为 钻 井 液 润 滑 时 的摩 擦 系 数 ;λ 为 套 铣 筒 内 落 鱼 管 柱 与 套 铣 筒 的 接 触 百分 比 ; L 为 套 铣 筒 内 落 鱼 管 柱 长 度 ,m ; L x 为 套 铣 管 柱长 度 ,m ; L 0 为 井 眼 轨 迹 拐 点 位 置 ,m ; s 为 钻 杆 横 截 面积 ,ρ d 为 钻 杆 线 密 度 ,m ;ρ x 为 套 铣 筒 及 其 组件 平 均 线 密 度 ,m ;ρ l 为 落 鱼 组 件 平 均 线 密 度 ,kg/m ;α 为 井 斜 角 , ; L 为 落 鱼 深 度 ,m。3 套 铣 施 工 时 大 钩 载 荷 计 算将 管 柱 组 合 分 为 3 部 分 钻 杆 、 钻 铤 和 套 铣 筒 。由 井 身 结 构 和 阿 基 米 德 定 律 计 算 大 钩 载 荷Q B L 1ρ d L 2ρ L 3ρ L 4ρ - P 6其 中 B 1 - ρ 钻 井 液 /ρ 钢 铁式 中 , L 1、 L 2、 L 3、 L 4 分 别 为 直 井 段 钻 杆 长 度 、 斜 井 段钻 杆 长 度 、 钻 铤 长 度 和 套 铣 筒 长 度 ,m ;ρ t 为 钻 铤 线 密度 ,m ; P 为 钻 压 , B 为 浮 力 系 数 。以 渤 海 油 田 Q 2 为 例 ,进 行 力 学 分 析 。落 鱼 位 置 1984 m ;套 铣 筒 线 密 度 为 22. 5 m ,外 径为 120. 65 内 径 设 为 100 钻 井 液 密 度 为 1. 05g/ 造 斜 点 深 度 为 560 m ;落 鱼 狗 腿 度 为 3 / 30m ;钻 压 为 20 柱 组 合 “146. 1 鞋 123. 8 “146. 1 铣 筒 1 根 安 全 接 头 打 捞 杯 挠性 接 头 331 331 “120. 65 钻 震 击 器 310 310 “120. 65 铤 12 根 “88. 9 杆 。设 定 落 鱼 与 套 铣 筒 的 接 触 百 分 比 为 0. 8 ,接 触 方 式 为直 接 接 触 ,由 此 可 设 定 摩 擦 系 数 为 0. 23 ,其 套 铣 长 度为 20 m 时 大 钩 载 荷 随 井 斜 角 变 化 见 图 2。62 石 油 钻 采 工 艺 2004 年 4 月 第 26 卷 第 2 期 图 2 套 铣 长 度 为 20 钩 载 荷 随 井 斜 角 的 变 化 规 律4 井 下 套 铣 管 柱 摩 擦 力 分 析4. 1 模 型 简 化针 对 套 铣 的 工 艺 过 程 和 井 眼 的 具 体 情 况 ,对 上 提时 的 钻 杆 和 套 铣 管 柱 工 作 状 态 做 以 下 简 化 。1起 钻 初 期 钻 杆 的 垂 直 运 动 速 度 很 小 ,钻 杆 和套 铣 管 柱 以 及 井 壁 和 落 鱼 之 间 的 摩 擦 力 均 可 视 为 静摩 擦 力 ,同 时 也 就 不 考 虑 钻 杆 加 速 带 来 的 动 载 荷 。2在 直 井 中 ,钻 杆 与 井 壁 之 间 的 摩 擦 力 很 小 ,可以 忽 略 。3落 鱼 所 在 位 置 为 套 管 井 段 非 裸 眼 井 段 ,因此 套 铣 筒 内 外 壁 摩 擦 系 数 相 同 。4. 2 受 力 分 析根 据 以 上 假 设 ,起 钻 时 的 钻 杆 和 套 铣 管 柱 受 到 以下 作 用 力 。1重 力 ,对 于 斜 井 中 的 钻 杆 管 柱 则 只 考 虑 垂 直方 向 分 量 G ,2大 钩 载 荷 ,即 钻 机 拉 力 Q ,3处 于 斜 井 井 段 中 的 钻 杆 和 套 铣 管 柱 外 壁 与 井壁 的 摩 擦 力 f 2 ,造 成 摩 擦 的 正 压 力 为 重 力 的 正 弦 分量 ,4钻 井 液 对 钻 杆 和 套 铣 管 柱 的 浮 力 F ,5套 铣 管 柱 内 壁 与 落 鱼 之 间 的 摩 擦 力 f 2 ,套 铣 筒 的 受 力 分 析 见 图 3。图 3 套 铣 筒 受 力 分 析 示 意 图4. 3 计 算 结 果 及 其 分 析当 套 铣 落 鱼 长 度 为 20 m、 井 斜 角 30 时 ,在 上 提管 柱 状 态 下 ,摩 擦 力 随 井 深 的 变 化 曲 线 如 图 4 所 示 。从 计 算 结 果 来 看 ,落 鱼 与 套 铣 筒 内 壁 间 的 摩 擦力 不 是 构 成 大 钩 载 荷 增 大 的 主 要 原 因 。 在 套 铣 长 度为 12 m 时 ,大 钩 载 荷 最 大 为 40 t ,当 套 铣 长 度 增 至20 m 时 ,大 钩 载 荷 变 化 不 大 ,增 大 量 不 超 过 5 t 。图 4 套 铣 长 度 为 20 m、 井 斜 角 30 时 上 提 管 柱 时摩 擦 力 随 井 深 的 变 化5 结 论1落 鱼 与 套 铣 筒 内 壁 之 间 的 摩 擦 力 不 是 构 成大 钩 载 荷 增 大 的 主 要 原 因 ,当 套 铣 长 度 增 大 到 20 大 钩 载 荷 变 化 不 大 ,增 大 量 不 超 过 5 t 。2在 类 似 出 砂 井 修 井 作 业 时 ,对 于 井 下 落 鱼 防砂 管 柱 套 铣 长 度 的 选 择 ,一 次 套 铣 20~ 30 m 长 的 落鱼 管 柱 ,可 保 证 井 下 作 业 安 全 。3本 计 算 模 型 简 单 实 用 ,对 于 类 似 井 况 的 井 具有 重 要 的 参 考 应 用 价 值 。参 考 文 献[1 ] 米 切 尔 B. 钻 井 计 算 . 北 京 石 油 工 业 出 版 社 ,1989 156~ 208[2 ] 高 宝 奎 ,高 德 利 . 滚 动 钻 柱 摩 阻 研 究 . 石 油 大 学 学 报 自然 科 学 版 ,1998 ,22 2 26~ 29[3 ] 陈 浩 ,刘 承 杰 . 大 位 移 井 套 管 柱 磨 损 的 探 讨 . 石 油 矿 场机 械 ,2002 ,31 2 7~ 9[4 ] 高 德 利 ,刘 希 圣 ,徐 秉 业 . 井 眼 轨 迹 控 制 . 山 东 东 营 石油 大 学 出 版 社 ,1994收 稿 日 期 2003211226〔 编 辑 张 振 清 〕72 杨 进 等 出 砂 井 打 捞 管 柱 力 学 分 析 研 究 及 其 应 用is up to no F L u , ; to be a s to of i. e. , is a of it no to be to OP on of it to N N u ; in of is on to It is a in it 4 22 , 00 7 in as 5 C N ; in be a is to By of It is is be it F ; or as on of in to in N G Y 004

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