超長水平井連續(xù)管下入深度優(yōu)化及驗(yàn)證

劉研言 尹俊祿 慕 鑫 王寶宏

中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司

0 引言

隨著油氣田資源不斷深入的勘探和開發(fā)，水平井在薄儲層、邊際氣藏、枯竭氣藏、稠油藏的開發(fā)上展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，超深、超長水平井的出現(xiàn)需要更多的連續(xù)管施工[1-2]。但是，由于水平井井眼軌跡的曲率和方位變化，連續(xù)管作業(yè)時會遇到更大的阻力，連續(xù)管的下入深度將受到嚴(yán)重影響，直接導(dǎo)致施工效率降低，甚至無法達(dá)到作業(yè)深度[3]。

連續(xù)管具有帶壓作業(yè)和快速起下的優(yōu)點(diǎn)，但因其質(zhì)量輕、剛度低、撓度大、徑向尺寸小等特點(diǎn)，在長水平井作業(yè)時，會與套管之間形成較大的環(huán)空間隙，受到井壁的約束，在軸向力作用下易在井筒內(nèi)出現(xiàn)螺旋屈曲現(xiàn)象，尤其是超長水平井，往往難以下入至預(yù)期作業(yè)深度[4-6]。國內(nèi)外學(xué)者研究[7-13]發(fā)現(xiàn)，隨著連續(xù)管下入水平段長度的增加，其與套管壁的摩擦阻力也相應(yīng)增加，隨之產(chǎn)生屈曲變形。當(dāng)載荷進(jìn)一步增大，管柱從正弦屈曲逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪M(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪枣i。一旦管柱發(fā)生自鎖現(xiàn)象，軸向載荷將不能有效傳遞，這已經(jīng)成為制約連續(xù)管施工工藝措施的關(guān)鍵因素。

針對這一問題，國內(nèi)外學(xué)者均開展了相應(yīng)的研究[14-20]，從井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方面來優(yōu)化井眼軌跡，實(shí)現(xiàn)減阻降摩的目的，從作業(yè)連續(xù)管的規(guī)格上提高剛性，從減少摩擦力等諸多方面都做了大量的研究。筆者系統(tǒng)地分析了影響順利下入施工的主要原因，基于減摩減阻的原理，提出連續(xù)管水平井下入深度的優(yōu)化方法。

1 連續(xù)管受力模型及算法體系的建立

根據(jù)經(jīng)典管柱力學(xué)，筆者分析在下入、上提時作用在連續(xù)管上的載荷和應(yīng)力大小分布。分析時考慮浮力、摩擦阻力、工作管柱和工具串重量、井口壓力等對各種預(yù)測作業(yè)參數(shù)的影響。這些作業(yè)參數(shù)包括懸重、螺旋屈—曲極限和自鎖點(diǎn)。

1.1 連續(xù)管管柱受力模型

管柱載荷計算方面提出的計算模型有2種，即軟繩模型、剛桿模型。各模型的計算能力如表1所示。

表1 不同模型計算能力對比表

管柱載荷計算的2個模型中，軟繩模型計算最為簡單，計算規(guī)模最小，尤其適用于各種直井段和井眼曲率變化較小的油井。軟繩模型沒有考慮管柱的剛度，忽略了管柱所受的彎矩，在復(fù)雜井眼情況下，其計算精度較差。但在井眼軌跡變化較小、管柱單元段劃分較細(xì)致情況下，其計算結(jié)果還是具有很高可靠性的。所以，即使該模型有一些不足，但應(yīng)用比較廣泛。

剛桿模型是在軟繩模型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，充分的考慮了管柱材料、剛度和井眼軌跡影響，并在力學(xué)模型中引入了彎矩方程，所以其計算能力比軟繩模型大為提高，尤其適用于井眼曲率變化較大的井況。但對于井眼曲率變化較小的井段，一般不建議采用，因?yàn)樗鼘?dǎo)致結(jié)果難于收斂。此外，由于增加了彎矩計算，計算過程中需要求解一個比較復(fù)雜的方程組，計算規(guī)模比軟繩模型大為增加，但仍然在可接受的范圍之內(nèi)。所以，剛桿模型的應(yīng)用也比較廣泛。

1.2 連續(xù)管管柱受力算法

針對井段結(jié)構(gòu)的不同，將連續(xù)管分為垂直段、造斜段與水平段，具體分段結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用上述管柱受力計算模型，對連續(xù)管進(jìn)行分段受力情況分析計算[21]，在連續(xù)管垂直段中，自重的作用使得管壁與井壁之間接觸面積較小，不會產(chǎn)生明顯的摩擦阻力，因此軸向力連續(xù)管在井眼中浮重的影響，呈線性變化，變化趨勢如圖2所示。

圖1 連續(xù)管分段結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 垂直段連續(xù)管軸向力分布示意圖

其中，任意井深z處連續(xù)管軸向載荷為：

式中F0表示連續(xù)管在z=0處的軸向載荷，N；W表示連續(xù)管在井眼中的浮重，N。

連續(xù)管在井內(nèi)下放過程中，受摩阻力影響，易發(fā)生屈曲變形，當(dāng)連續(xù)管受到的軸向力達(dá)到連續(xù)管正弦屈曲臨界載荷時，連續(xù)管發(fā)生正弦屈曲。

式中zh表示連續(xù)管發(fā)生正弦屈曲時在井眼中的坐標(biāo)，m；E表示連續(xù)管彈性模量，MPa；I表示連續(xù)管慣性矩，m4；α表示連續(xù)管井斜角，（°）；ω表示單位長度連續(xù)管自重，kN；μ表示連續(xù)管與井壁的摩擦系數(shù)；δ表示管柱與井眼之間的徑向間隙，mm。

隨著連續(xù)管受到的軸向力逐漸增加，當(dāng)達(dá)到螺旋屈曲臨界載荷后，連續(xù)管將無法繼續(xù)傳遞軸向力，發(fā)生“鎖死”現(xiàn)象，這時到達(dá)連續(xù)管下入的極限深度。

式中zb表示連續(xù)管發(fā)生螺旋屈曲時在井眼中的坐標(biāo)，m。

根據(jù)式(3)即可計算連續(xù)管下放的極限深度。

2 連續(xù)管下入深度影響因素分析與計算

2.1 因果鏈影響因素分析法

根據(jù)因果鏈分析方法來分析連續(xù)管下入深度影響因素。因果鏈分析是全面識別工程系統(tǒng)缺點(diǎn)的分析工具。因果鏈分析，始于項目目標(biāo)決定的初始缺點(diǎn)，分析其影響因素，得出中間缺點(diǎn)，并進(jìn)而繼續(xù)挖掘下一層級的影響因素，直到末端缺點(diǎn)。表2為通過因果鏈分析法得出的連續(xù)管下入影響因素匯總分類分析表。

表2 連續(xù)管下入影響因素匯總分類分析表

從表2中可以發(fā)現(xiàn)，影響連續(xù)管下入深度的因素存在自身因素和外部因素，自身因素中的連續(xù)油管參數(shù)可以進(jìn)行調(diào)整，外部因素主要是軸向力和摩擦力其他影響因素的可控性和改善后的收益預(yù)估較低，暫不考慮。筆者將針對連續(xù)管參數(shù)、軸向力以及摩擦力進(jìn)行數(shù)值計算?？紤]到投入成本和工程量的問題，在選擇最佳參數(shù)管柱后，針對軸向力和摩擦力進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 下入深度影響因素計算

通過連續(xù)管下入影響因素的分類，目前克服影響因素可行的方案為針對連續(xù)管自身因素優(yōu)選最佳參數(shù)管柱，外部因素為降低摩擦作用或者增加軸向牽引力。根據(jù)公式（3），改變式中對應(yīng)的彈性模量、慣性矩和摩擦系數(shù)，對以上3種影響因素進(jìn)行計算分析，分析過程如下。

2.2.1 連續(xù)管自身參數(shù)

連續(xù)管入井后形變和軌跡受連續(xù)管自身參數(shù)影響，這些參數(shù)主要包括連續(xù)管管徑和連續(xù)管壁厚。與此同時，連續(xù)管在套管內(nèi)運(yùn)移，同樣受套管尺寸制約，為了排除套管尺寸對連續(xù)管下深的影響，此處先考慮套管尺寸的影響效果，而后再對連續(xù)管管徑以及壁厚進(jìn)行計算和分析。模擬計算井筒狀態(tài)如下：井眼套管采用?139.7 mm×9.17 mm、P 110鋼級，連續(xù)管工作介質(zhì)（清水）密度為0.988×103kg/m3，設(shè)造斜段的造斜率為6°/30 m，連續(xù)管與套管之間的摩擦系數(shù)μ取0.3。

圖3給出了不同管徑下套管尺寸與下入深度的關(guān)系。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著套管尺寸的增加，下入深度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢；同時，連續(xù)管的管徑越大，下入深度越大。套管尺寸的變化，不會影響管徑對下深的變化趨勢，因此后續(xù)計算將選擇?114.3 mm套管尺寸來進(jìn)行計算。

圖3 改變套管尺寸的計算結(jié)果示意圖

圖4給出了不同管徑下連續(xù)管壁厚與下入深度的關(guān)系。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著連續(xù)管壁厚的增加，下入深度逐漸降低。隨著連續(xù)管管徑的增加，壁厚對下入深度的影響趨勢基本保持不變。壁厚對下入深度的影響要小于連續(xù)管管徑對下入深度的影響。

圖4 改變連續(xù)管壁厚的計算結(jié)果示意圖

結(jié)合圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，管徑越大，下入深度越大，這是由于連續(xù)管管徑越大，其撓度越低，產(chǎn)生纏繞和自鎖的條件越難，因而可以使下入深度更大。

2.2.2 軸向牽引力

力的三要素為作用點(diǎn)，方向和大小。在連續(xù)管下入井筒，需要注入頭不斷提供加載動力，特別是進(jìn)入水平段后，連續(xù)管與井筒之間的摩阻增大，連續(xù)管在井筒內(nèi)發(fā)生屈曲變形，隨著摩擦阻力的進(jìn)一步增大，從井口增加的任何推力都會被摩擦而抵消，使得管柱無法繼續(xù)下入，從而發(fā)生螺旋鎖定。若改變力的作用點(diǎn)，在管端增加新的牽引力，使得整個連續(xù)管下入變?yōu)闋恳骼?，注入頭推，從而有效增加連續(xù)管在水平段的延伸。

計算結(jié)果由圖5可得，在管端僅增加100 kg牽引動力就可以增加38.1 mm連續(xù)管多延伸108 m，在100 kg至1 000 kg附加牽引力下，4種規(guī)格?38.10 mm，?44.45 mm，?50.80 mm，?60.33 mm連續(xù)管在水平段的最大深度均有提高。

圖5 增加管端牽引力的計算結(jié)果示意圖

對比兩種下入方式發(fā)現(xiàn)?38.1 mm的連續(xù)管在附加牽引力作用下的下入深度提升最大。牽引力增加的下深順序依次為?38.10 mm＞?44.50 mm＞?50.80 mm＞?60.30 mm。提供附加牽引力后，4種規(guī)格連續(xù)管的極限下入深度增加深度發(fā)生反轉(zhuǎn)，其原因主要是未提供附加牽引力時，相同壁厚管柱的外徑越大，下入深度越大；提供附加牽引力后，外徑越大的管柱由于與井眼之間接觸反力越大，摩擦力越大，而外徑較小的管柱由于摩擦力較小，因此能繼續(xù)下入的深度較大，這種結(jié)果最終導(dǎo)致不同規(guī)格管柱在水平段增加下入深度的反向分布。當(dāng)附加牽引力的大小被管柱與井壁之間的摩擦力消耗殆盡時，管柱達(dá)到極限下入深度。

2.2.3 摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)的變化可以由水力振蕩器和金屬降阻劑共同提供。水力振蕩器通過改善井內(nèi)管壁與井壁之間的摩擦條件，降低摩擦系數(shù)，將管壁的靜摩擦狀態(tài)改變?yōu)閯幽Σ翣顟B(tài)，顯著降低連續(xù)管的局部摩阻。金屬降阻劑從本質(zhì)來說是一種加入減摩添加劑的潤滑劑，同時兼?zhèn)錆櫥蜏p摩的作用。從潤滑方面而言，它能減少連續(xù)管與井筒之間的摩擦和磨損，延長連續(xù)管的使用周期；從減摩方面而言，減摩添加劑與金屬或金屬氧化物具有很強(qiáng)的親和力，容易被吸附或反應(yīng)形成低抗剪強(qiáng)度的膜，阻止連續(xù)管與井筒之間的直接接觸，從而降低摩擦系數(shù)。

圖6給出了不同摩擦系數(shù)下下入深度的計算結(jié)果，從圖中可以得知摩擦系數(shù)越大，下入深度越小。通過計算可知對于?38.10 mm，?44.50 mm，?50.80 mm，?60.33 mm連續(xù)管而言，管徑越小，極限下入深度越大，且對于同樣加入降阻劑來說，管徑越大，金屬減阻劑的減阻效果越明顯。

圖6 不同摩擦系數(shù)的下深結(jié)果示意圖

3 現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

由于現(xiàn)場試驗(yàn)固定了連續(xù)管尺寸和材料，因此無法驗(yàn)證連續(xù)管自身參數(shù)的改變帶來的效果。針對軸向牽引力和摩擦力，在現(xiàn)場使用水力振蕩器來實(shí)現(xiàn)改變軸向牽引力產(chǎn)生的效果，使用不同的金屬降阻劑來實(shí)現(xiàn)改變摩擦力產(chǎn)生的效果，對水力振蕩器和金屬降阻劑在現(xiàn)場試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析和對比，從而驗(yàn)證軟件計算的可靠性并得出相應(yīng)的結(jié)論。

筆者采用的現(xiàn)場數(shù)據(jù)為靖A井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，井身結(jié)構(gòu)如圖7所示。靖A井的人工井底為6 248.83 m，造斜點(diǎn)為2 560.00 m，入窗點(diǎn)為1 935.00 m，水平段長2 900.00 m，垂直井深為3 126.35 m。最大井斜90.65°，油層套管外徑114.30 mm，壁厚7.37 mm，鋼級P110。選用外徑為50.80 mm，鋼級為CT110，變壁厚連續(xù)管。

圖7 靖A井井身結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 現(xiàn)場測試關(guān)鍵工具

3.1.1 水力振蕩器

水力振蕩器主要通過產(chǎn)生軸向振動來減少鉆具與井壁間的摩擦力。在現(xiàn)場測試中通過水力振蕩器來提供連續(xù)管軸向牽引力。水力振蕩器的技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 水力振蕩器技術(shù)參數(shù)展示表

3.1.2 金屬減阻劑

連續(xù)油管由于自身的柔韌性，使其在井筒內(nèi)易發(fā)生彎曲和摩擦鎖定，導(dǎo)致不能下入到預(yù)定深度進(jìn)行后續(xù)作業(yè)，在長水平段施工中尤為突出，基于此自主開發(fā)了用于增加連續(xù)管下入深度的金屬減阻劑。對金屬減阻劑配比進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)如表4所示：

表4 金屬減阻劑室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計表

從上表中可以看出，泵入5%金屬減阻劑井筒摩擦系數(shù)達(dá)到最小值，故選用5%金屬減阻劑添加配比。在現(xiàn)場測試中通過添加金屬減阻劑的方式來降低摩擦系數(shù)。

3.2 現(xiàn)場測試實(shí)例

第1次入井不帶水力振蕩器，也不添加金屬減阻劑，連續(xù)管下入4 556 m自鎖。第2次入井帶水力振蕩器，并添加5%金屬降阻劑，連續(xù)管下至6 245 m到達(dá)井底，水平段下深3 252 m。也就是在該井井眼軌跡下，?50.8 mm連續(xù)油管在金屬降阻劑和水力振蕩器共同作用下最長水平段下深3 252 m，整體下深較第1次入井增加了1 689 m。

圖8為對全井段連續(xù)管懸重與深度進(jìn)行回歸分析的曲線圖。圖中下放深度3 000 m處為造斜點(diǎn)位置，從圖中可以看出，連續(xù)管2次入井過程中在垂直段的載荷均為線性增長，這與上述公式分析互相印證。超過3 000 m之后，連續(xù)管軸向載荷開始逐漸減小，其中第1次入井載荷下降速率明顯快與第2次入井的載荷下降速率。兩次入井過程中，載荷銳減位置即為到達(dá)極限下入深度，第2次入井下深明顯大于第1次入井的下深。由此可以發(fā)現(xiàn)，通過加入水力振蕩器和添加金屬減阻劑來降低摩擦系數(shù)，能夠有效地提高連續(xù)管的下放深度。

圖8 載荷深度回歸曲線圖

4 結(jié)論

1）通過因果鏈分析法得出影響連續(xù)管下入的主要因素為連續(xù)管在入井前殘余彎曲應(yīng)力，在井筒的限制和軸向力的作用下，在井筒內(nèi)發(fā)生屈曲變形，產(chǎn)生自鎖。

2）通過公式推導(dǎo)和理論計算可知，選擇相對大尺寸、小壁厚的連續(xù)管可以延長一定的下入深度，但要大幅增加連續(xù)管的下入深度還要采用增加管端牽引力以及降低摩擦系數(shù)的方法。

3）在現(xiàn)場使用水力振蕩器來實(shí)現(xiàn)改變軸向牽引力產(chǎn)生的效果，使用不同的金屬降阻劑來實(shí)現(xiàn)改變摩擦力產(chǎn)生的效果，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和對比，確認(rèn)這2種方式均能夠顯著降低摩擦系數(shù)，從而有效提高連續(xù)管的下放深度。