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1、2001年7月西安石油学院学报(自然科学版)Jul.2001第16卷第4期JournalofXi′anPetroleumInstitute(NaturalScienceEdition)Vol.16No.4文章编号:1001-5361(2001)04-0072-03大位移井下套管受力分析和计算AnalysisandCalculationoftheForcesExertingonCasingintheProcessofRunningintoHighAngleDeviatedHole121徐苏欣,段勇,雒维国(1.江
2、苏石油勘探局工程技术研究室,江苏邵伯225261;2.西安石油学院石油工程系,陕西西安710065)摘要:通过分析套管柱在下入过程中的受力,导出了套管柱在大位移井中的三维力学模型.该模型综合考虑了井斜角和方位角的变化、套管柱内外密度的不同、内外泥浆的压力以及套管自身的几何参数、物理参数等因素的影响.通过对模型的求解,可以得到不同井眼类型、泥浆密度、悬浮长度以及不同下套管方案下的套管受力,为大位移井下套管作业提供了力学参考.该模型所开发的软件可用于大位移井下套管摩阻预测和下套管方式的选择.用该软件对两实例加以验证
3、,预测结果与实测结果吻合较好.关键词:大位移井;下套管;摩阻;套管柱;受力分析+中图分类号:TE931.2文献标识码:A自20世纪90年代以来,大位移井因其巨大的为no,bo;fo为沿井眼轴线轨迹曲线切线方向的单位经济效益而得到了迅速发展.由于大位移井斜度大、矢量.根据套管柱在弯曲井眼中的变形几何关系(如水平位移大以及井眼弯曲等多种因素的影响,在下图1所示),设O点处井眼轴线轨迹的法平面Onobo套管过程中存在较大的摩阻.因此,在下套管作业截管柱轴线于C点,则C点相对O点的位置可由其前,甚至在井眼设计阶段就需要
4、对套管进行受力分偏离主法线no的偏转角θ来确定.析(特别是摩阻分析)和优化设计,便于减少套管下入过程中的阻力,预测套管下入的可能性以及选择套管的下入方式.从1983年以来,国外的一些学者先后建立了各[1-2]种以“软索”模型为基础的模型.这些模型大多是针对钻柱建立的,且考虑因素存在不同程度的欠缺.本文作者在前人研究的基础上,建立了三维弯曲井眼中套管柱力学分析模型,并通过实例验证了模型具有较高的准确性.1计算模型首先作如下基本假设:①不考虑井壁变形的影响;②套管外壁与井眼内壁保持连续接触.图1套管柱在三维弯曲井眼
5、中的变形几何关系在三维弯曲井段中,对于井眼轴线轨迹上任一根据文献[3]第79～83页对三维弯曲井眼中点O,设O点处井眼轴线轨迹的主、次法线单位向量管柱的静力分析,套管柱微元体在内力、外力以及内收稿日期:2000-07-07作者简介:徐苏欣(1976-),女,江苏金坛人,硕士,主要从事大位移钻井方面的研究.徐苏欣等:大位移井下套管受力分析和计算—73—外液体压力的联合作用下处于静力平衡状态.令d,内外泥浆密度di,do和套管内外截面积Ai,Ao,摩Fn,Fb为套管主、次法线方向上的力,Ffe为套管所受擦系数_.可
6、以知道下部套管柱具有如下边界条件:等效轴力,Mf,Mn,Mb分别为套管轴向,主、次法线所受力方向上的力矩,可得其静力平衡方程:Ffeo=0,Fno=0,Fbo=0,dFfe-kNo=[q+(diAi-doAo)g]sinHoFn=qecosT-_N(1)dS所受力矩dFnqesinTdTdS+koFfe-ToFb=Ncosθ-k(2)Mfo=_r[q+(diAi-doAo)g]sinH,odS2dFbqesinTdHMno=0,Mbo=0.+ToFn=-Nsinθ(3)dSkodS结合上述边界条件,采用叠加法,
7、由套管底部向dMfdsinθdcosθ-koMn=r[Fn+Fb](4)上计算套管任一截面的受力(用i+1表示管柱微元dSdSdS的上截面,i表示管柱微元的下截面),于是有如下公dMndsinθ+koMf-ToMb=Fb-Ffer(5)式:dSdSi+1idMbdcosθFfe-Ffeii+ToMn=-Fn-Ffer(6)ΔS-koFn=qcosT-_N(9)dSdSi+1i令Fn-Fnii+koFfe-ToFb1ΔSdT2dH2f2n=[(FfedS+qesinT)+(FfesinTdS)],i+1iiqsi
8、nTT-T=N-(10)F1feFferkoΔSU=2=[]2.2EIZ2EIfi+1inFb-Fbi再根据泛函理论和变分法对变形微分方程进行+ToFnΔS分析讨论(具体计算见文献[4]),可知不同平衡状态qsin2THi+1-Hi=(11)下(稳定状态时U≤1,正弦屈曲状态时11.469)套管柱的力学Mf-Mfi-koMn=_Nir
