【正文】 ....................25第 4 章 連續(xù)油管受力分析及工作特性 ...............................28 連續(xù)油管軸向載荷分析 .............................................................................28 連續(xù)油管工作特性分析 .............................................................................36第 5 章連續(xù)油管失效分析及疲勞壽命計(jì)算 ............................42 連續(xù)油管失效分析 .....................................................................................42 連續(xù)油管疲勞壽命計(jì)算 .............................................................................45 影響連續(xù)油管疲勞壽命因素分析 ..............................................................47第 6 章連續(xù)油管鉆井的評(píng)價(jià)與未來技術(shù)發(fā)展 ..........................52第 7 章 結(jié) 論 ...................................................55參考文獻(xiàn) ........................................................57致 謝 ...........................................................60第 1 章 前 言 連續(xù)油管發(fā)展概況連續(xù)油管(Coiled Tubing，簡稱 CT)又稱撓性油管、盤管或柔管。卷筒上的連續(xù)管柱連續(xù)地從井中下入和起出。西南管材公司(Southwesten Pipe Inc.)于 1969 年開始生產(chǎn)連續(xù)油管，采用屈服強(qiáng)度為 345～379MPa 的鋼板，并改進(jìn)制造工藝，從各個(gè)方面提高了連續(xù)油管的性能。 (2)發(fā)展“ 停滯”階段 70 年代初，人們將外徑為 的連續(xù)油管從常規(guī)淺井的沖砂和噴射作業(yè)擴(kuò)大應(yīng)用到深井作業(yè)，但由于當(dāng)時(shí)連續(xù)油管的材料強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度為 345～379MPa)及其直焊縫強(qiáng)度不能滿足重復(fù)循環(huán)及深井作業(yè)時(shí)所需要的高軸向載荷要求，連續(xù)油管在深井中無法得到成功應(yīng)用。1983 年，在阿拉斯加，連續(xù)油管開始被用于擠注水泥作業(yè)。目前，世界上幾大主要連續(xù)油管與連續(xù)油管作業(yè)機(jī)的制造廠商均集中在美國，它們是精密油管技術(shù)公司(Precision Tube Technology)、優(yōu)質(zhì)油管公司(Quality Tubing Inc)和西南管材公司 (Southwesten Pipe Inc)三大連續(xù)油管制造公司及 Bowen, Hydra Rig(1991 年與 Drexel 公司合并)和 Otis 等連續(xù)油管作業(yè)機(jī)制造公司。這些新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用,大大加快了連續(xù)油管鉆井的應(yīng)用。美國是目前應(yīng)用連續(xù)油管鉆井最多且技術(shù)領(lǐng)先的國家。單根長度可達(dá) 9000m。連續(xù)油管被卡斷或拉斷。 國內(nèi)外研究概況 為了推廣應(yīng)用好連續(xù)油管，有效地解決連油管在使用中出現(xiàn)的故障。 Stevenson 公司開發(fā)出“連續(xù)油管疲勞試驗(yàn)裝置” 。國內(nèi)在連續(xù)油管和作業(yè)車的制造方面均屬空白,在研究上也只限于理論探索。特別在構(gòu)造小、井距小的油田中增產(chǎn)和稠油開發(fā)及難動(dòng)儲(chǔ)量的開采中將發(fā)揮積極作用。 比較國內(nèi)外連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)的應(yīng)用、研究水平與現(xiàn)狀可以看出，我國連續(xù)油管作業(yè)技術(shù)的應(yīng)用與研究均處于起步階段。據(jù)報(bào)道，1962 年加利福尼亞石油公司及勃溫工具廠研制了第一個(gè)原始型“連續(xù)管輕型修車裝置” ，用來清除海岸區(qū)油氣井中的砂橋。近年來，隨著連續(xù)油管器材和制造工藝的進(jìn)一步發(fā)展，可靠性高的高強(qiáng)度大直徑連續(xù)油管、小直徑容積式馬達(dá)、先進(jìn)的定向工具及測量系統(tǒng)和金剛石鉆頭的相繼問世，極大地推動(dòng)了連續(xù)油管鉆井技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用 [6]。美國是目前應(yīng)用連續(xù)油管鉆井最多且技術(shù)領(lǐng)先的國家。(2)在鉆進(jìn)過程中不需停泵接單根，可實(shí)現(xiàn)鉆井液的連續(xù)循環(huán)，減少了起下鉆時(shí)間，縮短了鉆井周期，提高了起下鉆速度和作業(yè)的安全性，避免因接單根可能引起井噴和卡鉆事故的發(fā)生。因此，目前的連續(xù)油管作業(yè)裝置還不能完成從開鉆到完井的所有作業(yè)。連續(xù)油管注入頭的關(guān)鍵部位是鏈條總成 [9](見圖 )。大多數(shù)連續(xù)油管作業(yè)機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)是柴油機(jī)和水力泵?？傮w來說,過去的 40 余年，地面設(shè)備得到了長足的發(fā)展，其技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀具體表現(xiàn)在地面裝備多樣化。該型適合于45~+45℃的環(huán)境下作業(yè)各部件封裝在防碰框架結(jié)構(gòu)內(nèi),液壓動(dòng)力系統(tǒng)采用封閉和隔音結(jié)構(gòu)。 井下工具連續(xù)油管鉆井用的井下工具主要有鉆頭、彎接頭、馬達(dá)、鉆鋌、分離機(jī)構(gòu)、連續(xù)油管配合接頭。 容積式馬達(dá)容積式馬達(dá)用來旋轉(zhuǎn)鉆頭。剪切機(jī)構(gòu)的工作原理是當(dāng)發(fā)生卡鉆時(shí)，上提連續(xù)油管，當(dāng)連續(xù)油管被施加到一定的拉力時(shí)，連接工具的剪切銷釘被剪斷，使下部鉆具組合與連續(xù)油管分離。它采用了電潛泵馬達(dá)而不是常規(guī)的容積式馬達(dá)。近年來世界各國石油公司爭相配套應(yīng)用該技術(shù)，特別是加拿大、美國和英國等發(fā)達(dá)國家，在短短的幾年內(nèi) CTD 技術(shù)的配套應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，初步顯示了 CTD 技術(shù)旺盛的生命力和巨大的吸引力。以 CT 技術(shù)為手段的小井眼鉆井在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上將會(huì)取得巨大的成功。小井眼鉆井使用 CT 鉆井的工具和設(shè)備，將占據(jù)更小的井場，能夠大大地減少搬運(yùn)費(fèi)；減少鉆機(jī)重量即減少鉆機(jī)租用費(fèi)；小井眼鉆井使用CT 鉆井技術(shù)，與常規(guī)井相比所需工作人員少，設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)少，減少勞動(dòng)費(fèi)用。(4)小井眼 CT 鉆井作業(yè)中起下鉆和鉆臺(tái)工作量少，所需操作人員少，提供了一個(gè)安全的工作環(huán)境。(3)隨著廢液處理費(fèi)用的不斷上升，人們認(rèn)識(shí)到應(yīng)重視減少廢物的產(chǎn)生。欠平衡鉆井具有污染小，鉆速快，易發(fā)現(xiàn)油氣的優(yōu)點(diǎn)。采用連續(xù)油管無需接單根，能夠保持井底壓力穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生外來的壓力波動(dòng)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，采用連續(xù)油管在起下鉆作業(yè)時(shí)可連續(xù)循環(huán)鉆井液，消除了在起下鉆產(chǎn)生的壓力抽吸及壓力激動(dòng)所引起的井噴事故。如果需要振動(dòng)來釋放卡在井內(nèi)的鉆具組合，連續(xù)油管管柱根本無法承受常規(guī)鉆鋌和鉆桿所能承受的惡劣機(jī)械操作工況。當(dāng)?shù)撞裤@具組合起出地面，井底壓力已達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，底部鉆具組合中的配置接頭就與底部鉆具組合斷開，并經(jīng)過防噴器組上的管子閘板/卡瓦閘板，關(guān)閉防噴器，隔離井口壓力，然后利用防噴管內(nèi)的電纜移開底部鉆具組合，最后關(guān)閉井口總閥，恢復(fù)井口壓力。而連續(xù)油管鉆井則能夠進(jìn)行連續(xù)作業(yè)，而且沒有鉆桿絲扣連接、脫扣工序從而可加快起下鉆作業(yè)時(shí)間，同時(shí)因取消了拆裝管子作業(yè)而降低了鉆井工人不安全事故的發(fā)生。相比較而言，使用含80%～ 85%氣霧鉆井液和連續(xù)油管鉆井技術(shù)，則井底壓力波動(dòng)很小從而減小了對(duì)地層的傷害。套管開窗常用 3176。 不等，根據(jù)整個(gè)增斜及方位扭轉(zhuǎn)率而定。 固控要求在磨銑過程中應(yīng)做好鉆井液的凈化工作，返回的鉆井液應(yīng)通過一系列鉆井液槽磁鐵和一個(gè)線性振動(dòng)篩，以防止返出的鐵屑再次入井，堵塞磨銑工具噴嘴。彎外殼可定向的容積式馬達(dá)。吊打步驟完成以后，恢復(fù)定時(shí)鉆井，如果磨鞋在 左右范圍內(nèi)開始獲得鉆壓，表明磨鞋保徑已經(jīng)切入套管，可以加鉆壓磨銑窗口。對(duì)于連續(xù)油管，軟桿模型較好。則(411)式變?yōu)椋??? (412)2 22cos0()sinbmfbnfbmfnbdMTKNqKsdqsN?????????????????整理變形可得： (413) ????????????222 0cos0cosbnfmfnbfmNKqdsMKTqds??式(413)為非線性方程組，本文采用解非線性方程組的擬牛頓迭代法進(jìn)行迭代求解，首先應(yīng)用有限差分中的差分公式： (414)???????????22 )](1([)()(()1shMbsMbdshssTd其中： 。Fi以上公式中主要符號(hào)意義如下：μ—管柱摩擦系數(shù)，無因次單位；We 一計(jì)算單元段在空氣中的單位重量， N；—計(jì)算單元段的長度，m；L?β—重力分量 在 平面上的投影與 x 軸的夾角，由下式確定：gNiR (425)arcos(/in)??????其余符號(hào)意義同前。)是一個(gè)非常重要的參數(shù)。這些拉伸一彎曲交替變形發(fā)生的位置見圖 [23]圖 連續(xù)油管作業(yè)機(jī)工作簡圖在下井操作中，當(dāng)牽引鏈條把連續(xù)油管拉離卷筒時(shí)，卷筒液馬達(dá)的反向扭矩阻止油管離開，此時(shí)油管受拉，把連續(xù)油管首次彎曲一拉直，圖中示為彎曲動(dòng)作 1。在實(shí)際的鉆井過程中，不同的鉆進(jìn)井段摩阻系數(shù)取值不同，不同的潤滑體系摩阻系數(shù)取值也不同。1?i由于管柱位于空間斜平面內(nèi)，因此該載荷集度應(yīng)該為管柱在鉆井液中的線重量在空間斜平面上投影，并垂直于管柱的線重量分量。通過以上分析可求得軸向力，具體工況分別為：起、下管柱： (416)0cossmfuTqKdF????正常鉆進(jìn) (417)0sfuWOB?? 管柱三維軟桿模型(1)基本假設(shè)條件計(jì)算單元段的井眼曲率是常數(shù)；管柱接觸井壁的上側(cè)或下側(cè)，其曲率與井眼的曲率相同；忽略鉆柱橫截面上的剪切力，不考慮鉆柱剛度的影響，但可以承受軸向壓力：計(jì)算單元段處在某一空間斜平面上。由微元段 ds 的受力平衡條件，即： =0 (45)())cpFsdsqd??并將(41)、 (42)、 (43)、 （44) 式代入(45)式，略去微量的乘積得： 0?????? dskqbNdantsbQnTibQnTi jm? (46)化簡整理可得 (47)0nbnbfmdtNtqKss?????根據(jù)(47 )式，再結(jié)合弗朗內(nèi)一塞雷公式： (48)0ttKdbbsnn???????????????將力向主副法線和切線方向軸上投影可得： (49)2cos0sin0nmfnbfbnmfdTKQNqs Kdqs ???????????????其中： 。第 4 章 連續(xù)油管受力分析及工作特性 連續(xù)油管軸向載荷分析軸荷分析是連續(xù)油管工作力學(xué)特性分析中的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。開窗井下鉆具組合為：鉆鋌+定向工具+2176。使用尼龍加強(qiáng)材料可增加磨銑所形成的水泥斜面的耐久性?！?76。在磨銑導(dǎo)引孔和開窗時(shí)不需地磁數(shù)據(jù),故使用傳統(tǒng)的導(dǎo)向鉆井馬達(dá)，以節(jié)約費(fèi)用。從水泥頂部開始至要進(jìn)行套管開窗的點(diǎn)鉆一導(dǎo)引孔。使用常規(guī)連接鉆桿鉆井配合泡沫鉆井液系統(tǒng)鉆井時(shí)，連接斷裂、拾取管段會(huì)使井底壓力降低。作業(yè)時(shí)使用加重壓井液，特別是使用聚合物稠化壓井液時(shí)，必須防止壓力波動(dòng)和超高當(dāng)量循環(huán)密度出現(xiàn)。該節(jié)流裝置由人工輪換操作,需隨時(shí)與司鉆保持聯(lián)系。(5) 節(jié)約鉆井費(fèi)用連續(xù)油管欠平衡鉆井，因不需龐大的鉆井設(shè)備，井場用地少，適應(yīng)性強(qiáng),有利于節(jié)約鉆井費(fèi)用。(1)減少對(duì)地層或產(chǎn)層的損害欠平衡鉆井要求在鉆進(jìn)、接單根、起下鉆等作業(yè)過程中始終保持負(fù)壓條件，這樣能有效地減少對(duì)地層或產(chǎn)層的損害。在接單根時(shí)暫停循環(huán)，井筒內(nèi)液相和氣相分離(氣體上升，液體下沉)，對(duì)油藏造成壓力波動(dòng) [14]。小井眼 CT 鉆井技術(shù)比常規(guī)鉆井技術(shù)更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鉆井作業(yè)，不僅是因?yàn)樗孛嬖O(shè)備少，占地面積小，所需操作人員少等特點(diǎn)滿足自動(dòng)化鉆井的需要，最重要的是在 CT 內(nèi)可以內(nèi)置電纜，能實(shí)現(xiàn)井底和地面的雙向信息傳送，并能配有動(dòng)力電纜和智能井底鉆具組合所必需的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，更有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和隨鉆測量，更容易實(shí)現(xiàn)信息化、智能化、自動(dòng)化遙控鉆井。小井眼 CT 鉆機(jī)和 CT 也比常規(guī)鉆機(jī)和鉆桿輕得多。安裝在防噴器上方的環(huán)形橡膠，其作用相當(dāng)于始終處于關(guān)閉狀態(tài)的環(huán)形防噴器，它能在鉆進(jìn)和起下鉆作業(yè)過程中密封環(huán)空，使鉆井作業(yè)得以在欠平衡壓力下進(jìn)行，從而可防止地層傷害并提高鉆速。實(shí)踐證明，與常規(guī)井眼相比，小井眼探井和評(píng)價(jià)井的鉆井成本可降低 40%～60%或更大，生產(chǎn)井和注人井的鉆井成本可降低 25%～40%或更大。小井眼鉆井的井眼尺寸小，套管尺寸小，井場占地面積小，鉆井時(shí)設(shè)備數(shù)量少，鉆井液用量少，材料消耗少，有利于降低鉆井成本，保護(hù)自然環(huán)境。第 3 章 連續(xù)油管鉆井工藝技術(shù)分析 連續(xù)油管鉆井(簡稱 CTD)，是國外九十年代發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。(3)連續(xù)油管注入頭進(jìn)展顯著，HR480 型注入頭的強(qiáng)行下入能力可達(dá)180kN，低速最大拉力達(dá) 450kN，高速最大拉力達(dá) 180kN，注入頭鏈條可以更換。它的抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于連續(xù)油管本身的抗拉強(qiáng)度。用常規(guī)鉆柱鉆定向井或水平井時(shí)，底部鉆具組合的工具面方位可在地面通過轉(zhuǎn)動(dòng)鉆柱進(jìn)行調(diào)整。固控設(shè)備也包括振動(dòng)篩、除砂器、除泥器和離心機(jī)。此外,一些專用連續(xù)油管設(shè)備的相繼問世，如處理大直徑連續(xù)油管完井管柱的連續(xù)油管完井作業(yè)機(jī)、能夠操作連續(xù)油管和接頭連接管柱的連續(xù)油管鉆井作業(yè)機(jī)、湖泊和沼澤地區(qū)使用的駁船式作業(yè)機(jī)、北極地區(qū)使用的全封