水平井内套管柱下入过程的数值模拟.pdf

石油机械
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CHINA PETROLEUM MACHINERY
2010年第38卷第3期
设计计算
水平井内套管柱下入过程的数值模拟
陈勇刘飞张兴国陈若铭陈森强钟智慧
(西部钻探工程有限公司克拉玛依钻井工艺研究院)
摘要利用有限元软件建立了水平井中弯曲井眼段套管柱下入的力学模型,动态模拟了水平
井眼造斜段内套管柱的下入过程,并对套管柱在下入过程中的受力情况进行了分析。结果表明,
套管柱进入弯曲段后,最大等效应力首先发生在套管柱的底部,随着套管柱下入深度的增加,套
管上的等效应力偵不断变化,同时套管柱在下入过程中会发生塑性变形。下入过程中,由于套管
的弯曲和阻力作用会促使套管与井壁呈交错接触状态。大曲率井眼中管柱下井所需的下入カ比小
曲率井中所需的下入力要大,这与实际的管柱下入过程相吻合。井眼的摩阻条件对套管的安全下
入有较大影响,光滑的井眼条件产生的摩阻力更小,更加有利于套管柱的下入。
关键词水平井套管柱下入过程数值模拟
结果可为实际工程提供参考。
言
有限元模型的建立
目前,水平井技术已成为一项成熟的钻井技
术,并以很快的速度推广和普及,已成为提高油田
在有限元力学分析时,不可能完全考虑所有的
勘探开发综合效益的重要途径。一般来讲,水平井影响因素,笔者对该模型做了适当简化:①设定井
井身剖面包括垂直段、造斜段和水平段3部分。在壁为刚性;②套管柱下入初始时刻,管柱轴线与井
造斜段,井身处于弯曲状态,位于造斜段的套管柱眼轴线重合;③井眼形状规则,设定井眼的弯曲部
随井身一起弯曲,受到重力、浮力、摩擦阻力和弯分为空间斜平面上的一段等曲率圆弧;④不考虑起
曲应力等各种力的作用,受力情況十分复杂。套管下钻时的动载荷影响。
柱能否安全顺利地通过水平井弯曲段,关系到水平
为了尽可能地模拟实际的套管下入过程,必须
井钴完井的成败-6。
考虑到套管柱与井壁的相互作用。建立如图1所示
对套管下人问题的研究主要存在2种分析计算
方法:一种是解析模型计算法,另一种是计算机数
值模拟技术,即有限元仿真技术-8。由于套管在
下入过程中所受工况的复杂性,导致解析模型无法
精确地求出所需结果,而计算机数值模拟技术已成
为研究油气井工程问题的一种有效手段,并在各行
各业得到了广泛应用。笔者利用有限元软件建立了
水平井中弯曲井眼段套管下入的力学模型,动态模
图1套管下入的有限元模型
拟了水平井眼造斜段内套管柱的下入过程,对套管
1一套管;2一井壁。
柱在下入过程中的受力情况进行了分析,得到了套的套管-井壁接触模型,套管钢级为N80,套管外
管随井眼轨迹的弯曲变形以及套管与井壁的接触情径1780mm,壁厚8.05mm,其屈服强度为551
况,进而确定套管在水平井中的可下人性。其分析MPa,弹性模量E=2.05x10°MPa,泊松比为
基金项目:国家自然科学基金资助项目“基于数值模拟的复杂地层地应力场反演研究”(5074063
2010年第38卷第3期
陈勇等:水平井内套管柱下入过程的数值模拟
0.26,套管划分为实体单元。选取的井眼段如图2入过程中管柱与井壁产生接触,其接触面积随下入
所示,由上部直井段和下部弯曲段所组成,直井段过程的变化曲线如图4所示。由图可以看出,下入
长4m,造斜段的井眼曲率每30m为25°。井眼划过程的初始阶段套管与井壁之间无接触,进入弯曲
分为离散的刚体壳单元。施加的边界条件:井眼固段后,套管与井壁的接触面积逐渐增大,当下到
定约束,对分析的整个套管柱施加向下的位移20定的位置时,接触面积又变小,之后又有增大和减
m。将套管与井壁的接触定义为典型的刚体-柔体小的变化过程。由此说明下入过程中,套管的弯曲
接触问题”,其中井眼定义为刚体,套管定义为和阻力作用促使套管与井壁呈交错接触状态。
弹塑性体。
直井段
?
0.2
0.040.060.08
时间步长/s
图4管柱与井壁的接触面积随时间的变化曲线
图2井眼示意图
2.3套管下入阻力分析
在套管的下人过程中,由于套管和井壁的接触
结果分析
会产生摩擦阻力。在套管上所施加的下入力必须克
服摩擦阻力,套管才能顺利地下入。分析结果如图
2.1下入过程分析
5所示。
在现场施工中,套管柱一般以单根下人,笔者
设定套管柱长10m,对套管柱单根在井眼中下入
140
20m的过程进行分析,管柱下人过程中的等效应
力变化情况如图3所示。由图可知,套管下入时
80
首先要经过直井段,然后进入造斜段。下人初始阶
20
段,套管柱与井壁没有接触,管柱各点受力为0。
下入位移/m
进入弯曲段,套管与井壁接触后,套管最大等效应
a不同曲率
力在小范围内波动。套管下入到6m时,套管上的
最大等效应力om、为290MPa,发生部位位于套管
柱的底部。随着套管下入深度的增加,套管上的等
效应力值不断变化,当套管下到12m时,最大等
效应力已经达到561MPa,超过N80套管材料的屈
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服值,说明套管已经发生塑性变形。套管最终能够
下入位移im
沿着井眼轨迹顺利下井,其形状由初始的直线状态
b.不同摩阻
变为随着井眼轨迹变化的弯曲状态
5不同曲率、不同摩阻井眼中管
柱下入力随位移的变化曲绒
600
为了分析不同曲率水平井眼对管柱下人力的影
500
响,笔者对每30m造斜25°和4°的2种曲率的井
300
眼进行了套管下人过程的对比分析,结果如图5a
长
所示。曲线1和曲线2分别为每30m造斜25°及
4°2种曲率井眼中套管柱下入阻力随位移的变化曲
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下入位移m
线。由分析结果可知,套管在直井中下行时,不存
图3管柱下入过程中受到的最大等效应力
在与井壁的接触,无摩擦阻力。当套管穿过直井
2.2套管柱与井壁的接触情况
段,进人造斜段,下到4.7m位置时,套管开始与
由于管柱变形受到井眼的限制,使得套管在下井壁接触,随即产生摩擦阻力,该阻力值在下人过