李 寧,狄勤豐,滕學(xué)清,王文昌,周 波,張 濤
(1中國石油塔里木油田分公司2上海大學(xué)上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所)
李 寧等.實(shí)際井眼中的通井底部鉆具組合評(píng)價(jià)與應(yīng)用.鉆采工藝,2019,42(5):9-11
關(guān)于通井底部鉆具組合(以下簡稱BHA)研究的文獻(xiàn)很少,張曉東等[1-2]采用加權(quán)平均法,計(jì)算出了通井鉆具組合的等效慣性矩,修正了目前油田使用的剛度疊加的計(jì)算方法,但其模型并未考慮套管下入時(shí)的變形以及實(shí)際井眼特征。本文基于實(shí)際井眼軌跡,考慮通井BHA與套管在井眼中的變形特征,首先實(shí)現(xiàn)兩者的彎曲變形能計(jì)算,隨后通過比較BHA與套管彎曲變形能匹配關(guān)系,利用等效剛度系數(shù)來實(shí)現(xiàn)通井BHA有效性的快速評(píng)價(jià)。
圖1為塔里木油田常用的雙穩(wěn)定器通井BHA,所用設(shè)計(jì)方法基于剛度疊加匹配法,也即將通井BHA的不同結(jié)構(gòu)部件的剛度進(jìn)行累加,并考察其與套管剛度的比值[1]:
式中:EIi—第i段管柱的慣性矩,N·m2;Li—第i段管柱的長度,m;下標(biāo)dc和cas—分別代表BHA和套管。
圖1 雙穩(wěn)定器通井鉆具組合
當(dāng)m≥1時(shí)說明通井BHA的剛度大于套管剛度,通井后能夠順利下入套管。反之,需重新設(shè)計(jì)剛度更大的通井BHA。
從式(1)可以看出,剛度疊加對(duì)比的方法簡單易行,但由于其沒有考慮井眼曲率、井徑等決定套管下入可行性的環(huán)境約束,因此在礦場的使用效果存在很大的局限性。
在實(shí)際井眼中,套管及通井BHA受井眼約束,會(huì)產(chǎn)生變形,因此需要根據(jù)通井BHA及套管柱在實(shí)際井眼中彎曲變形能的計(jì)算,才能充分反映兩者的匹配關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)通井BHA的通井效果的評(píng)價(jià)。圖2為一段管柱在井眼中的撓曲形狀及受力模型。
對(duì)于具有變截面特征的BHA,根據(jù)其變截面特征進(jìn)行分段,管柱在第i段內(nèi)任意截面x處的彎矩為:
圖2 管柱分段受力示意圖
當(dāng)考慮井眼軌跡時(shí),Mei可表示為關(guān)于井眼曲率和撓率的函數(shù)[3-5]:
式中:si—第i段管柱的弧線坐標(biāo),m;kbi—第i段管柱在井眼中的曲率,m-1;kni—撓率,m-1;Mti—第i段管柱所受的扭矩,N·m,可表示為:
式中:f—管柱在井眼內(nèi)的軸向和周向摩阻系數(shù)。
考慮井眼軌跡影響,Ni可表示為:
式中:αi—i段管柱所在井段的平均井斜角,rad。
設(shè)任意一段的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為li1、li2,則i段管柱的變形能為[6-7]:
式中:EIbi—第i段管柱的抗彎剛度,N·m2。
將式(2)代入式(6),積分后可得:
其中:
通井BHA的總變形能為:
式中:n—管柱的總段數(shù)。
在實(shí)際井眼內(nèi),帶穩(wěn)定器的套管彎曲變形能為:
式中:m—套管穩(wěn)定器總數(shù)量;j—段序,j=1,2,…m;Ucj—套管各段的彎曲變形能,同樣可利用式(8)進(jìn)行計(jì)算。
定義β為通井BHA的等效剛度系數(shù),即通井BHA的彎曲變形能與套管的彎曲變形能之比:
利用β即可評(píng)價(jià)所用的通井BHA通井后是否能夠使得套管順利下入。當(dāng)β≥1時(shí)說明通井BHA的剛度較大,通井后能夠順利下入套管。反之,需重新設(shè)計(jì)剛度更大的通井BHA。
XX-H井是塔里木油田一口水平井,其造斜點(diǎn)從井深5 100 m開始,套管下入深度為5 460 m,從5 100~5 460 m,井眼曲率由0.3°/30 m 增加到7.1°/30 m。此井段為二開井眼,鉆頭直徑241.3 mm,鉆進(jìn)時(shí)所用鉆鋌為?177.8 mm,現(xiàn)場還有?203.2 mm鉆鋌,因此,根據(jù)油田現(xiàn)有工具及計(jì)算對(duì)比需求,設(shè)計(jì)兩種通井BHA結(jié)構(gòu)并進(jìn)行計(jì)算。通井BHA計(jì)算結(jié)果如圖3所示,具體結(jié)構(gòu)參數(shù)及下入 套管參數(shù)見表1。
圖3 ?177.8 mm鉆鋌和?203.2 mm鉆鋌的通井效果
表1 通井BHA結(jié)構(gòu)參數(shù)及套管結(jié)構(gòu)參數(shù)
從圖3中可以看出,實(shí)際井眼軌跡對(duì)BHA的通井效果影響較大,本實(shí)例中的井眼軌跡具有彎曲特征,等效剛度隨井眼曲率變化而波動(dòng)。當(dāng)井眼曲率較大時(shí),通井BHA的等效剛度較小,接近于1,通井的效果可能受到影響;當(dāng)井眼曲率較小時(shí),BHA的等效剛度較大,當(dāng)其能在彎曲井眼中通過時(shí),就能保證套管順利通過。從圖3中還可以看出,在相同條件下,由?177.8 mm鉆鋌裝配而成的通井BHA其變形能稍大于套管變形能,而由?203.2 mm鉆鋌裝配的通井BHA的彎曲變形能遠(yuǎn)大于套管變形能,也即在本實(shí)例中,利用?177.8 mm鉆鋌裝配而成的通井BHA可以滿足通井要求,但使用?203.2 mm鉆鋌構(gòu)成的雙穩(wěn)定器通井BHA對(duì)套管順利下入更有保障。當(dāng)然,能否使用?203.2 mm鉆鋌構(gòu)成的雙穩(wěn)定器通井BHA通井還需要考慮實(shí)際工程作業(yè)安全需求。
(1)本文基于實(shí)際井眼軌跡的撓曲特征提出了通井BHA評(píng)價(jià)方法,通過比較BHA與套管彎曲變形能匹配關(guān)系,可以實(shí)現(xiàn)通井BHA有效性的快速評(píng)價(jià)。
(2)井眼曲率是影響B(tài)HA通井效果的關(guān)鍵因素,井眼曲率較小時(shí),通井BHA及套管在井眼內(nèi)的變形較小,通井BHA較易達(dá)到套管順利下入所需的變形能條件。當(dāng)井眼曲率較大時(shí),提高鉆鋌剛度能提高BHA的通井效果。