复杂结构水平井管柱与井眼相容性分析

李俊胜，张志刚，王辉东，姜朝民

（西部钻探定向井技术服务公司，新疆乌鲁木齐830026）

在三维绕障水平井中，管柱通过弯曲井段并顺利下入受摩阻、井眼曲率、井眼尺寸、管柱尺寸以及管柱自身特性等较多因素的影响，对于井眼曲率较大的井，管柱下入要克服摩阻，还要保证管柱能够通过的最大井眼曲率要大于实钻井眼曲率。同时，为了保证固井质量，需要安装扶正器，这在增加管柱居中度，提高固井质量的同时，也增加了完井管柱的刚性，影响管柱的下入。

1 井眼曲率计算

井眼曲率是一个用于描述井眼轨迹上任意点的临近的弯曲程度的关于井深的函数，通常空间井眼曲率不是常数，因此，一般使用平均井眼曲率表示，计算公式如下：

式中：K——测量井段平均井眼曲率（°）/30m；

γ ——对应的狗腿度，（°）。

平均井眼曲率单位换算成（°）/30m，则计算公式为：

2 管柱可通过的最大井眼曲率

当某井段的井眼曲率较大，管柱通过该井段时可能会因为不能顺利通过而发生弯曲而受损，甚至发生破坏，因此，在这种情况下需要判断管柱在最大井眼曲率处的可通过性。

根据管柱自身参数，考虑安全系数和螺纹应力集

式中：Cm——允许套管通过的最大井眼曲率，（°）/30m；

σs——管柱屈服强度，MPa；

D0——管柱外径，mm；

K1——安全系数；

K2——螺纹应力集中系数。

在管柱实际下入过程中，管柱在弯曲井段的通过性会受到轴向力的影响，管柱可通过的最大井眼曲率问题，就是管柱可承受最大弯曲应力的问题，显然在不同的轴向应力条件下，管柱可承受的最大弯曲应力也将不同，轴向应力越大，则可承受的最大弯曲应力将越小，在考虑轴向力的情况下计算允许管柱通过的最大井眼曲率公式为：中系数，在不考虑轴向力的计算允许管柱通过的最大井眼曲率的公式为：

式中：Cmp——考虑轴向力求得管柱可通过的最大井眼曲率，（°）/30m；

Pj——管柱螺纹连接抗拉强度；

Pe——有效轴向力，kN；

D0——管柱外径，cm；

A——管柱横截面积,cm2；

K——系数。

因此，要计算考虑轴向力的管柱可通过的最大井眼曲率，必须计算出有效轴向力，综上所述：可以得出用于判断管柱是否能够安全通过弯曲井段的公式为：

在水平井井眼曲率较高的井段，必须对管柱允许通过的最大井眼曲率进行计算，而且管柱允许通过的最大井眼曲率应大于实际井眼曲率，否则应重新校核。

为了保证固井质量，往往会在管柱上安装扶正器，管柱的受力也会发生变化，其最大井眼曲率公式为：

式中：Cmf——安装扶正器后管柱允许通过的最大井眼曲率，（°）/30m；

Df——扶正器外径，mm；

K3——扶正器影响系数。

3 HW6131井完井管柱与井眼相容性分析

3.1 基础数据

3.1.1 井身结构

HW6131井井身结构数据见表1。

表1 HW6131井井身结构数据

3.1.2 井眼轨迹

HW6131井井眼轨迹数据见表2。

3.1.3 井径

表2 HW6131井井眼轨迹数据

HW6131井实钻井径见图1。

图1 HW6131井实钻井径图

3.2 井眼曲率计算

3.2.1 设计套管可以通过的井眼曲率分析

HW6131井设计套管可以通过的井眼曲率分析结论见表3和图2。

图2 设计套管可以通过的井眼曲率图形

3.2.2 实钻套管可以通过的井眼曲率分析

HW6131实钻套管可以通过的井眼曲率分析结论见表4和图3。

套管可以通过的井眼曲率计算结果设计轨道最大狗腿度6.5°/30m，实钻轨迹最大狗腿度8.57°/30m，均小于套管可以通过的最大狗腿度。

表3 设计套管可以通过的井眼曲率

表4 实钻套管可以通过的井眼曲率

图3 HW6131实钻套管可以通过的井眼曲率图形

4 结论

（1）三维绕障水平井设计过程中必须要做好管柱与井眼相容性分析，根据分析结果优化设计完井管柱结构和下套管固井工艺。

（2）完钻后根据实钻数据和完井管柱结构进行管柱下入分析，满足管柱下入条件后再进行下一步作业。

（3）在轨迹控制过程中做好待钻井眼的轨迹预测工作，确保井眼曲率小于完井管柱最大允许通过井眼曲率。