“上提下冲”下套管作业方法的力学分析*

宋执武，陈鹏举，高德利，韩礼红，王建东，冯 春

(1.中国石油大学石油工程教育部重点实验室 北京 102249；2.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

·试验研究·

“上提下冲”下套管作业方法的力学分析*

宋执武1，陈鹏举1，高德利1，韩礼红2，王建东2，冯 春2

(1.中国石油大学石油工程教育部重点实验室 北京 102249；2.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077)

针对在水平井固井工程中，现场经常采用的“上提下冲”下套管作业方法是否安全问题，用能量守恒原理，建立了“上提下冲”下套管作业方法的力学计算模型，并通过室内模拟实验验证了计算模型的准确性，应用这一计算模型通过实例计算出了下冲力的数值，经过与套管强度值的比较，得出了如下结论：这种下套管作业方法既可有效地克服水平井下套管阻力，又不会对套管产生难以接受的损伤，是一种可行的水平井下套管作业方法。

上提下冲；摩阻/扭矩；水平井；能量守恒原理

0 引 言

由于水平井、大位移井井眼轨迹长，井眼约束复杂，摩阻大，在下套管时往往比较困难。有时候，当套管下入受阻时，司钻先将套管上提至一定的高度，然后迅速下放套管，利用套管获得的动能去克服过大的摩阻。一般这种下套管的方式在现场被通俗的称为“上提下冲”下套管。实践证明这种方式能够把常规下不去的套管下入到井底。但这种方法对套管的伤害有多大，是否安全，研究的人还较少。本文主要计算套管在该操作中的受力特性，并进行相应的分析。

1 下入摩阻的分类和下放过程的两个阶段

1.1 下入摩阻的分类

套管在下入过程中，主要要克服两类阻力：

1)摩擦摩阻

这类摩阻是由套管在与井壁接触状态下，套管的运动产生的摩擦阻力，其数值的大小与套管和井壁间的接触力成正比，所以与套管的重量，井眼井斜角的大小及狗腿度大小，摩擦系数的大小等有关。这类摩阻的特点是在下放时，大钩载荷值逐渐减小。

2)紧点摩阻

由于钻头的振动和地层的各向异性等因素，导致实钻井眼是不规则的，井壁上会有一些小突起，我们称之为“紧点”，这些“紧点”会对套管柱上第一个扶正器施加阻力，阻碍扶正器通过，如图1所示。当套管下落至“紧点”时，本文假设套管柱与紧点处不规则井壁发生碰撞，若能撞毁“紧点”，则套管能够继续前进。这一阻力实际是一种破坏力，就是将井壁上的小突起撞掉，所以其大小与井壁岩石的强度，及小突起的宽度和长度有关。

图1 水平井下套管紧点摩阻示意图

套管之所以下不去，应该是上面两种阻力共同作用的结果。

1.2 “上提下冲”下套管作业方法下入过程的两个阶段

在应用”上提下冲”下套管作业方法时，套管先被提到一定的高度，然后加速下放，套管在下放过程中，应分为两个阶段：

1)加速阶段

开始时，重力大于阻力，套管柱加速下滑，这时没有紧点摩阻，只有摩擦摩阻。当套管运动到初始上提点时，速度达到最大值。

2)减速阶段

过了初始上提点后，阻力大于重力，套管柱减速运动，直到其速度为零。用传统方法下套管之所以在这一点下不去，应该是遇到紧点了，所以阻力是摩擦摩阻和紧点摩阻两个阻力的和。如果过了紧点后，套管的下行速度还是很快，我们就得用刹车的方式让套管停下来，否则吊卡就撞到转盘上了。紧点阻力需要假设。

2 公式推导

根据图2所示的井下管柱微元力学分析模型，在考虑了加速度因素后，井下管柱微元的平衡方程如(1)式至(8)式所示：

Fndp=-(T1+T2)sin(θ/2)-Lsqn3+Lsqan

(1)

Fnp=-Lsqm3

(2)

FE=11.3×106EIK3

(3)

(4)

(5)

an=v2K

(6)

qom=q+Aiρi

(7)

q=10-3(q0+Aiρi-A0ρ0)g

(8)

图2 井下管柱微元力学分析模型

为确定套管运动的加速度，需额外引入能量守恒方程。

1)在加速段

WGu=WGL+WE1+WQ1

(9)

式中：

利用(9)式可求出加速段的末速度v1。

2)在紧点段

WGu+WE1=WGL+WE2+WQ2+WF

(10)

式中：

WF=F×b

F=σ×c×b

利用(10)式可求出过紧点后的速度v2。

加速度可用(11)式计算：

(11)

将推导的公式编写成了计算软件。

3 模拟实验验证

为了验证以上计算公式的正确性，进行了室内模拟实验分析。

3.1 实验设备和材料

测斜数据见表1。

表1 实验井眼轨迹测段数据

所用的模拟管柱为直径10 mm和直径为6 mm的钢筋。具体数据见表2。

表2 实验管柱数据(从底部开始)

下部阻力块的重量为3.065 kg(摩擦系数约为0.39，阻力为1.2 kg)和4.760 kg(摩擦系数约为0.39，阻力为1.9kg)。

3. 2 实验结果和计算对比

通过顶部的滑轮，将管柱提起不同的高度，然后让管柱自由下落。上提的高度和阻力块被冲出的距离见表3和表4：

表3 阻力块的质量为3.065 kg时上提下冲数据

表4 阻力块的质量为4.760kg时上提下冲数据

用相同的数据，计算结果见表5和表6。

表5 阻力块的质量为3.065 kg时软件计算结果

表6 阻力块的质量为4.760 kg时软件计算结果

从以上实验数据的计算结果可以看出，实验数据和计算结果相差不超过5%，这就验证了计算模型的正确性。

4 现场数据计算

4.1 计算参数：

井眼轨迹情况如图3所示，套管数据见表7。

图3 井眼轨迹垂直剖面图

段长/m尺寸/mm壁厚/mm质量/(kg·m-1)抗拉强度/kN4412139.712.3438.633332

4.2 紧点摩阻分析

假设在4 000 m时,有一个小突起“紧点”,不同的上提高度能够产生的冲击力见表8(假设紧点宽度为5 cm，裸眼段摩擦系数为0.3，岩石抗剪切强度为100 MPa)。图4为有650 kN 紧点阻力时的轴向力分布情况。

表8 对“紧点”的冲击力

一般“紧点”长度不会超过10 cm，所以用下冲的方式可以将“紧点”冲掉。

图4 有650 kN 紧点阻力时的轴向力分布

从图4 可以看出，套管上最大轴向受压载荷只有758kN，远小于抗拉强度值(3332kN)，所以套管是安全的。

5 结 论

从实验和计算结果可以看出，“上提下冲”下套管作业方法对水平井套管下入能力有很大的提高，特别是对“紧点”摩阻，可以有效地刮掉井壁上的小突起，使套管顺利下到井底。现场多口水平井，在使用常规方法下不去后，使用这种方法都下去了，也证明了本文结论的正确性。同时，这种方法对套管的冲击载荷也不是很大，远小于其强度极限值。因此，“上提下冲”下套管作业方法是一种既有效又安全的水平井下套管作业方法，可推广应用。

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[3] 高德利.钻柱力学若干基本问题的研究[J].石油大学学报(自然科学版),1995,19(1):24-35.

[4] 秦永和,付胜利,高德利.大位移井摩阻扭矩力学分析新模型[J].天然气工业,2006,26(11):77-79.

[5] 高德利.油气井管柱力学与工程[M].东营:中国石油大学出版社,2006.

Mechanics Analysis of “Lift and Free Fall” Casing Running Method

SONG Zhiwu1, CHEN Pengju1, GAO Deli1, HAN Lihong2, WANG Jiandong2, FENG Chun2

(1.MOEKeyLaboratoryofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China；2.CNPCTubularGoodsResearchInstitute，Xi′an,Shaanxi710077,China)

“Lift and free fall” casing running method was often used in the horizontal well cementing engineering，but whether this method is safety or not was not answered yet. Based on the principle of conservation of energy, the mechanics models of “lift and free fall” casing running method was established, and indoor simulation experiment was carried out which proved this models was correct. Using this mechanics models , the maximum impulsive force was calculated according to the real casing data on site, comparing with the casing strength value, the following conclusions were drawn: this casing running method not only can effectively overcome the casing running resistance, but also won't produce unacceptable damage to casing. It is a kind of feasible casing running method.

lift and free fall； torque/drag; horizontal well; principle of conservation of energy

1.国家自然科学基金创新研究群体项目：复杂油气井钻井与完井基础研究(批准号：51521063). 2.国家科技重大专项课题：复杂结构井、丛式井设计与控制新技术(合同号：2016ZX05009-003).

宋执武，男，1972年生，2003年获中国石油大学(北京)工学博士学位，现主要从事井下管柱力学与控制工具研究。E-mail:364219521@qq.com

TE973

A

2096-0077(2016)06-0045-04

2016-07-05 编辑：马小芳)