CN117454561B

CN117454561B - 一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析方法及***

Info

Publication number: CN117454561B
Application number: CN202311747828.9A
Authority: CN
Inventors: 张健涛; 严寒冰; 秦东兴; 蔚泽峰
Original assignee: Chengdu University of Information Technology
Current assignee: Chengdu University of Information Technology
Priority date: 2023-12-19
Filing date: 2023-12-19
Publication date: 2024-03-08
Anticipated expiration: 2043-12-19
Also published as: CN117454561A

Abstract

本发明涉及工程领域，公开了一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析方法及***，包括：获取连续油管参数、目标井井身结构以及井眼轨迹，设定连续油管水平段管柱可获得的最大推力、连续油管初始弯曲曲率范围以及摩擦系数范围；根据得到的初始弯曲曲率集合与摩擦系数集合形成迭代计算流程，在每次迭代计算中根据最大推力、初始弯曲曲率取值、摩擦系数取值计算连续油管的极限延伸距离，并保存对应的初始弯曲曲率、摩擦系数以及极限延伸距离；基于保存的对应的初始弯曲曲率、摩擦系数以及极限延伸距离生成连续油管水平井眼极限延伸距离图版。本发明的技术方案可以量化连续油管初始弯曲曲率与井眼摩擦系数对连续油管极限延伸距离影响。

Description

一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析方法及***

技术领域

本发明涉及工程领域，具体是一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析方法及***。

背景技术

连续油管作为一种高效的井筒作业装备，被广泛应用于钻完井工程中。尤其是在页岩气、致密油气等非常规油气资源开采中，开采井往往采用长水平段与大规模压裂改造相结合的技术手段来提高单井产能，连续油管是这些井施工过程中的关键工具，被用在射孔、压裂以及钻塞等工序中。连续油管缠绕在地面滚筒上被牵引机构送入井眼，因此连续油管在入井前就具有初始弯曲曲率。这就造成连续油管在长水平段延伸过程中易出现螺纹屈曲变形，而螺纹屈曲变形后连续油管受到的摩阻会明显增加，导致连续油管自重产生的推力无法克服摩阻，在这种情况下连续油管会产生锁止而在井眼中停止延伸，最终使得作业人员无法完成预定施工任务。除了初始弯曲曲率，长水平段井眼还容易产生沉砂使得连续油管在这种井眼清洁条件下受到更大的摩阻，也影响着连续油管的极限延伸距离。因此，在采用连续油管作业前，有必要考虑连续油管自身几何构型特征与井眼清洁情况的综合影响，将连续油管初始弯曲曲率与井眼摩擦系数相结合来分析连续油管在水平井眼中的极限延伸距离，根据分析结果来进行施工参数优选以及施工工序优化。而目前还缺乏一种能够结合连续油管初始弯曲曲率与井眼摩擦系数影响的水平井眼中连续油管极限延伸距离分析方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析方法，包括如下步骤：

步骤一，获取连续油管参数、目标井井身结构以及井眼轨迹，设定连续油管水平段管柱可获得的最大推力、连续油管初始弯曲曲率范围以及摩擦系数范围；

步骤二，根据连续油管初始弯曲曲率范围以及摩擦系数范围分别得到初始弯曲曲率集合与摩擦系数集合，根据得到的初始弯曲曲率集合与摩擦系数集合形成迭代计算流程，在每次迭代计算中根据最大推力、初始弯曲曲率取值、摩擦系数取值计算连续油管的极限延伸距离，并保存对应的初始弯曲曲率、摩擦系数以及极限延伸距离；

步骤三，基于保存的对应的初始弯曲曲率、摩擦系数以及极限延伸距离生成连续油管水平井眼极限延伸距离图版。

进一步的，所述的连续油管参数包括外直径、内直径、空气中线重和弯曲刚度。

进一步的，所述的目标井井身结构包括井眼的内直径与长。

进一步的，所述的设定连续油管水平段管柱可获得的最大推力，包括：将目标井水平段以上连续油管的重力等同于可施加的最大推力，得到连续油管在延伸过程中可在水平井眼起始端施加的最大推力F _max。

进一步的，所述的根据连续油管初始弯曲曲率范围以及摩擦系数范围分别得到初始弯曲曲率集合与摩擦系数集合，包括：

在设定初始弯曲曲率范围与摩擦系数范围的基础上，将初始弯曲曲率范围与摩擦系数范围分别按照设定步长进行划分，划分完成后分别形成初始弯曲曲率集合与摩擦系数集合；所述的始弯曲曲率集合包括N _c个值；所述的摩擦系数集合包括N _f个值。

进一步的，所述的根据得到的初始弯曲曲率集合与摩擦系数集合形成迭代计算流程，包括：

步骤1：在初始弯曲曲率集合中取出第i个值，其中i=1,…,N _c；在摩擦系数集合结合中取出第j个值，其中j=1,…,N _f；

步骤2：将水平井眼设置一个长度L，按照设定的长度dL划分为n段，每段为一个计算单元，共有n个单元，在第一个单元轴向载荷输入值为F ¹ _in的条件下，采取逐段计算方式，每个单元基于轴向载荷输入值F ^k _in计算轴向载荷输出值F ^k _out，k= 1,…,n；上一个单元的轴向载荷输出值F ^k _out等于下一个单元轴向载荷F ^k+1 _in输入值；

当某个单元计算出的轴向载荷输出值大于F _max时，从第一单元到该单元的长度和为连续油管在水平段的极限延伸距离L _max；令k _c为当前计算流程对应的连续油管初始弯曲曲率，μ为对应的井眼摩擦系数，得到计算单元对应的轴向载荷输出值为：F ^k _out=F ^k _in+μ*W ^k _n，W ^k _n为该计算单元的接触力，W ^k _n为：

其中，r _c为径向间隙，等于井眼内半径减去连续油管外半径；EI为连续油管弯曲刚度；q为连续油管线重；p _h为导程，p _h计算公式为；

步骤4：在步骤3计算完成后，保存初始弯曲曲率k _c、摩擦系数μ、以及极限延伸距离L _max；

步骤5：重复步骤1至步骤4，直到将初始弯曲曲率集合与摩擦系数集合中每个值都参与计算。

进一步的，还包括水平井眼形态的影响：

对于下倾形态的水平井眼，计算W ^k _n公式中的q要变为q*cos[α]，F ^k _out计算公式要变为F ^k _out=F ^k _in+μ*W ^k _n-q*sin[α]，α为水平井眼的井斜角；

对于上翘形态的水平井眼，计算W ^k _n公式中的q要变为q*cos[α-90°]，F ^k _out计算公式要变为F ^k _out=F ^k _in+μ*W ^k _n+q*sin[α-90°]，α为水平井眼的井斜角。

一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析***，应用所述的一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析方法。

本发明的有益效果是：本发明解决了作业人员没有成***的方法来量化连续油管初始弯曲曲率与井眼摩擦系数对连续油管极限延伸距离影响的难题。因此，本发明提供的方法为作业人员对水平井眼中连续油管极限延伸距离开展分析提供了手段，而且本发明中对计算结果图形化展示的形式也能使作业人员进行决策时更高效。

附图说明

图1为一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析方法的流程示意图；

图2 为本发明方法所涉及的分析流程示意图；

图3 为本发明方法所涉及的连续油管极限延伸距离计算示意图；

图4 为本发明方法所涉及的连续油管极限延伸距离图版示意图；

图5 为本发明实施例中所涉及的连续油管无遇阻条件在极限延伸距离图版示意图；

图6 为本发明实施例中所涉及的连续油管遇阻5 kN条件下极限延伸距离图版示意图；

图7 为本发明实施例中所涉及的连续油管遇阻10 kN条件下极限延伸距离图版示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1所示，一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析方法，包括如下步骤：

所述的连续油管参数包括外直径、内直径、空气中线重和弯曲刚度。

所述的目标井井身结构包括井眼的内直径与长。

所述的设定连续油管水平段管柱可获得的最大推力，包括：将目标井水平段以上连续油管的重力等同于可施加的最大推力，得到连续油管在延伸过程中可在水平井眼起始端施加的最大推力F _max。

所述的根据连续油管初始弯曲曲率范围以及摩擦系数范围分别得到初始弯曲曲率集合与摩擦系数集合，包括：

所述的根据得到的初始弯曲曲率集合与摩擦系数集合形成迭代计算流程，包括：

还包括水平井眼形态的影响：

一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析***，应用一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析方法。

具体的，实施例提供了一种连续油管在水平井眼中下入可行性分析方法，如图2所示，具体步骤如下：

步骤1：本发明需要记录连续油管几何结构参数（外直径、内直径、空气中线重、弯曲刚度），目标井的井身结构（不同规格井眼的内直径与长度）以及目标井的井眼轨迹。目标井是指准备采用连续油管进行作业的水平井。

步骤2：将目标井水平段以上连续油管的重力等同于可施加的最大推力，那么就可得到连续油管在延伸过程中可在水平井眼起始端施加的最大推力F _max。F _max在计算的时候可考虑液体对连续油管重力的影响，那么F _max就相当于连续油管在水平段以上井段受到的浮重，也可采用专业软件基于多因素考虑，如结合流体、摩擦力以及井斜变化计算出F _max。

步骤3：设定一个连续油管的初始弯曲曲率范围，该范围可由作业人员根据连续油管性能给出。

步骤4：设定一个水平井眼的摩擦系数范围，该范围可由作业人员根据目标井已有施工记录进行估算，或采用专业软件根据目标井施工数据进行摩擦系数反演计算。

步骤5：在设定初始弯曲曲率范围与摩擦系数范围的基础上，将初始弯曲曲率范围与摩擦系数范围按照一定步长进行划分，划分完成后分别形成初始弯曲曲率集合（集合中共有N _c个值）与摩擦系数集合（集合中共有N _f个值）。

步骤6：基于初始弯曲曲率集合与摩擦系数集合建立循环计算流程。按照下述流程进行。

（1）在初始弯曲曲率集合中取出第i（i=1,…,N _c）个值。

（2）在摩擦系数集合结合中取出第j（j=1,…,N _f）个值。

（3）基于从初始弯曲曲率集合与摩擦系数集合中取出的值开展水平井眼中连续油管极限延伸距离的计算。首先将水平井眼设置一个长度L，L可以依据目标井水平井眼长度设置，也可按照作业人员对在目标井水平井段想要达到的连续油管延伸距离设置，也可设置一个较大值以便在计算中能够体现出不同初始弯曲曲率与摩擦系数影响下的极限延伸距离变化趋势。接着按照一定的长度dL划分为n段，每段视为一个计算单元，那么共有n个单元。然后在第一个单元轴向载荷输入值（F ¹ _in）已知的条件下，采取逐段计算方式，每个单元基于轴向载荷输入值F ^k _in来计算轴向载荷输出值F ^k _out（k= 1,…,n），该段的轴向载荷输出值F ^k _out等于下一单元轴向载荷F ^k+1 _in输入值。当某一单元计算出的轴向载荷输出值大于F _max时，则表明已经没有足够推力使水平段的连续油管向前移动，这时从第一单元到该单元的长度和就是连续油管在水平段的极限延伸距离L _max（连续油管极限延伸距离计算示意图见图3）。令k _c为当前计算流程对应的连续油管初始弯曲曲率，μ为对应的井眼摩擦系数，在F ^k _in已知情况下可以得到计算单元对应的轴向载荷输出值为：F ^k _out=F ^k _in+μ*W ^k _n，W ^k _n为该计算单元的接触力，W ^k _n计算公式为：

在计算W ^k _n公式中，r _c为径向间隙，等于井眼内半径减去连续油管外半径；EI为连续油管弯曲刚度；q为连续油管线重，线重可以采用空气中的线重，也可考虑流体影响，采用浮重；p _h为导程，p _h计算公式为。第一个单元的输入值F ¹ _in可设为0，或者模拟连续油管最前端遇阻情况，可设为一个大于0的值来进行计算。

由于水平井眼并不是仅有井斜角为90°，即水平的情况，而是包括了下倾、水平、上翘这三种情况。因此在计算的时候还要附加考虑水平井眼形态的影响：

对于下倾形态的水平井眼，计算W ^k _n公式中的q要变为q*cos[α]，F ^k _out计算公式要变为F ^k _out=F ^k _in+μ*W ^k _n-q*sin[α]，α为水平井眼的井斜角。

（4）在（3）计算完成后，保存初始弯曲曲率k _c、摩擦系数μ、以及极限延伸距离L _max。

（5）重复（1）至（4），直到将初始弯曲曲率集合与摩擦系数集合中每个值都参与计算。

步骤7：将连续油管初始弯曲曲率集合中的值范围设为横坐标，井眼摩擦系数集合中点的值范围设为纵坐标，采用如图4所示的形式来展示连续油管极限延伸距离，图4中用类似等高线图的方式来表示极限延伸距离分布情况，每根线代表一个极限延伸距离，从该图中可以很直观看出连续油管极限延伸距离在连续油管初始弯曲曲率与基于摩擦系数影响下的变化趋势，等高线之间也可采用渐进颜色填充的形式来更直观展示数据趋势。根据分析需求，作业人员还可以基于本发明设置不同的F ¹ _in值来生成多个图版，展现连续油管在延伸过程中遇阻时对其极限延伸距离的影响。作业人员可以根据此图示结果分析连续油管极限延伸距离是否满足作业需求，以便后续开展施工参数优化与施工工序优选。

以下结合具体实例，来对实施例进一步阐述。

第一步：记录目标井的井眼轨迹，如表1所示，包括井深，井斜角，方位角。表2为目标井的井身结构表，表3为连续油管参数表。在表2与表3中，半径值就等于直径值除以2。

表1 目标井井眼轨迹表

表2 目标井井身结构表

表3 连续油管参数表

第二步：根据目标井井眼轨迹表与连续油管参数表，水平井眼以上井段长度为2590 m，若不考虑流体影响，那么可计算出最大推力为108651 N。

第三步：根据目标井井眼轨迹中水平井眼的长度设置一个不低于该长度的计算值，设定计算长度L= 2000 m。

第四步：设定连续油管初始弯曲曲率为1°/30m至33°/30m，井眼摩擦系数范围为0.2至0.45。

第五步：在连续油管初始弯曲曲率与井眼摩擦系数范围内开展连续油管极限延伸长度计算，基于本发明方法，可以在初始单元的F ¹ _in设置一个大于0的值来模拟连续油管延伸过程中前端遇阻的情况，在本案例中，将F1in分别设为0 kN、5 kN、10 kN来模拟无遇阻、遇阻5kN、遇阻10 kN三种情况。

第六步：根据计算结果无遇阻、遇阻5 kN、遇阻10 kN三种情况分别生成连续油管极限延伸距离图版，示意图分别见图5，图6以及图7。根据图中所展示的连续油管极限延伸距离变化趋势，作业人员可以高效的做出施工参数或施工工序调整方案。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤三，基于保存的对应的初始弯曲曲率、摩擦系数以及极限延伸距离生成连续油管水平井眼极限延伸距离图版;

步骤1：在初始弯曲曲率集合中取出第i个值，其中i =1,…,N _c；在摩擦系数集合结合中取出第j个值，其中j =1,…, N _f；

步骤2：将水平井眼设置一个长度L，按照设定的长度dL划分为n段，每段为一个计算单元，共有n个单元，在第一个单元轴向载荷输入值为F ¹ _in的条件下，采取逐段计算方式，每个单元基于轴向载荷输入值F ^k _in计算轴向载荷输出值F ^k _out，k = 1,…, n；上一个单元的轴向载荷输出值F ^k _out等于下一个单元轴向载荷F ^k+1 _in输入值；

当某个单元计算出的轴向载荷输出值大于F _max时，从第一单元到该单元的长度和为连续油管在水平段的极限延伸距离L _max；令k _c为当前计算流程对应的连续油管初始弯曲曲率，μ为对应的井眼摩擦系数，得到计算单元对应的轴向载荷输出值为：F ^k _out= F ^k _in+ μ * W ^k _n，W ^k _n为该计算单元的接触力，W ^k _n为：

步骤5：重复步骤1至步骤4，直到将初始弯曲曲率集合与摩擦系数集合中每个值都参与计算;

还包括水平井眼形态的影响：

对于下倾形态的水平井眼，计算W ^k _n公式中的q要变为q*cos[α]，F ^k _out计算公式要变为F ^k _out= F ^k _in+ μ * W ^k _n - q*sin[α]，α为水平井眼的井斜角；

对于上翘形态的水平井眼，计算W ^k _n公式中的q要变为q*cos[α -90°]，F ^k _out计算公式要变为F ^k _out= F ^k _in+ μ * W ^k _n + q*sin[α -90°]，α为水平井眼的井斜角。

2.根据权利要求1所述的一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析方法，其特征在于，所述的连续油管参数包括外直径、内直径、空气中线重和弯曲刚度。

3.根据权利要求2所述的一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析方法，其特征在于，所述的目标井井身结构包括井眼的内直径与长。

4.根据权利要求3所述的一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析方法，其特征在于，所述的设定连续油管水平段管柱可获得的最大推力，包括：将目标井水平段以上连续油管的重力等同于可施加的最大推力，得到连续油管在延伸过程中可在水平井眼起始端施加的最大推力F _max。

5.根据权利要求4所述的一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析方法，其特征在于，所述的根据连续油管初始弯曲曲率范围以及摩擦系数范围分别得到初始弯曲曲率集合与摩擦系数集合，包括：

6.一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析***，其特征在于，应用权利要求1-5任一所述的一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析方法。