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正文內(nèi)容

連續(xù)油管鉆井的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用畢業(yè)論文-資料下載頁

2024-08-05 12:19本頁面
  

【正文】 目前用于注水泥塞的水泥漿體系是 2039kg/m3 的 G 級配方,添加,水泥成批混合,通過連續(xù)油管作業(yè)機注入開窗部位,在井底條件下有 5h 的稠化時間。使用尼龍加強材料可增加磨銑所形成的水泥斜面的耐久性。(2)鉆導(dǎo)引孔在水泥塞上鉆導(dǎo)引孔至開窗點,該點位于新老井眼交匯處。導(dǎo)引孔的形狀確定了其他階段的磨銑操作。鉆導(dǎo)引孔采用常規(guī)的短拋物線型金鋼石鉆頭,接著下 1176。彎外殼可定向的容積式馬達。導(dǎo)引孔有近邊導(dǎo)引、遠邊導(dǎo)引和曲線導(dǎo)引三種幾何形狀,大多數(shù)井中采用曲線導(dǎo)引,因其易于定向和可預(yù)測造斜,且從直井眼段經(jīng)過平緩的導(dǎo)引曲率段到窗口的最高曲率處過渡平滑,減小了井下鉆具組合穿過窗口的阻力。(3)磨銑窗口開窗的最后一個步驟是磨銑窗口。導(dǎo)引孔鉆至接觸套管壁,使磨銑井下鉆具組合保持在正確的方位上,水泥斜面從開始就支持著磨鞋和馬達彎外殼產(chǎn)生所需的切削力。開窗井下鉆具組合為:鉆鋌+定向工具+2176?!?176。 雙彎外殼井下馬達+磨鞋,鉆鋌用于向磨鞋提供所需的鉆壓。在開窗作業(yè)中,最重要的技術(shù)之一是吊打,吊打的關(guān)鍵是鎖住注入頭一段時間磨銑套管,從而使磨鞋磨進套管 。吊打步驟完成以后,恢復(fù)定時鉆井,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。隨著起始磨鞋和導(dǎo)引孔的改進,吊打的時間已經(jīng)大大縮短。一趟磨鞋的逐步成熟,使一趟開窗成為可能,不僅節(jié)約了開窗時間,節(jié)省了費用,而且可以避免第二趟磨鞋下井銜接的準(zhǔn)確性問題。(4)側(cè)鉆開窗完成后,首先鉆造斜段和穩(wěn)斜段,最后鉆水平井段,側(cè)鉆工藝與常規(guī)側(cè)鉆類似。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)特性分析中的一個重點內(nèi)容。為了便于分析,本文將整個管柱分為若干桿柱單元段,通過對每一個單元桿柱進行受力分析,疊加摩擦力的影響,從而求得整個連續(xù)油管柱的軸向載荷。對連續(xù)油管的軸向載荷分析,本文運用兩種模型加以討論:(1)考慮管柱剛度影響的剛桿模型(StiffString Model);(2)不考慮管柱剛度影響的軟桿模型(SoftString Model)。兩種模型在石油鉆井中都得到了廣泛的應(yīng)用,軟桿模型主要用于井眼曲率變化較小的井眼,而剛桿模型在井眼曲率變化大的井眼中具有更高的精確度(如中小曲率半徑的水平井、側(cè)鉆水平井)。對于連續(xù)油管,軟桿模型較好。 管柱三維剛桿模型(1)基本假設(shè)條件 管柱與井壁連續(xù)接觸,管柱軸線與井眼軸線一致; 井壁為剛性; 管柱單元體所受重力、正壓力、摩阻力均勻分布; 計算單元體為空間斜平面上的一段圓弧。(2)模型建立圖 微元段管柱受力分析在井眼軸線坐標(biāo)系上任取一弧長為 ds 的微元體 AB,并對其進行受力分析,以 A 點為始點,其軸線坐標(biāo)為 s, B 點為終點,其軸線坐標(biāo)為 s十 ds,此單元體的受力如圖 所示[1922] 。曲線坐標(biāo) S 處(A 點)的集中力 為: )(sF? (41)()()tsTQnsb????????微元段 處(B 點)的集中力 為: ds?)(dsF?? ()()()()(tsdtFTnQbnb?????????? (42)微元段 ds 上的均布接觸力 為: )(sqc? (43)())(btqsNs?????????單位長度管柱浮重 為: pW (44)pmfqK??式中: 浮力系數(shù), 為作業(yè)液密度, 為管柱材f smf?/1??s?料密度。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: 。22bN??式中: 、 曲線坐標(biāo) S 處的主法線和付法線方向的剪切力, N;nQ、 一主法線和付法線方向的均布接觸力,N ;b摩阻系數(shù),提管柱時取“+”,下管柱時取“”號。?根據(jù)微元段上的力矩平衡,可得: (410)bndMsKQ??????將(410)式代入(49)式并整理可得全剛度管柱軸向載荷計算公式: (411)2 22cos0()sin0bmfbbfmfnbdTNqKsdMKdqssN?????????????????其中: , , ,222sidrs????dKs?ds??1msKf??式中:—井斜曲率, ;Kmad/?—井斜變化率, ;o—方位變化率, ;?Kmad/?—井眼撓率, ;?—管柱單位長度重量,N/m;nQ—管柱微段上的內(nèi)彎矩,N;Mb—管柱軸向力增量,N;dT—微元段上的軸向力,N;—井斜角, ;?mad/?—摩阻系數(shù)。?如前所述,本文認為井眼軸線相鄰兩測點為空間斜平面上的一段圓弧,井眼撓率始終位于密切面內(nèi),由密切面定義可知: 。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: 。)(EIKsb式中:E—彈性楊氏模量,kN/m 2 ; I—管柱慣性矩, m4;各段的段長,m。)(1(sh??把常微分方程離散化,求得 T(s+1), Mb(s+1),Mb(s+2),然后將其代入非線方程組求解,得出主副法線方向上的均布接觸力后,即可計算出微元段內(nèi)任意井深處的摩阻 F,和軸向力 T。其公式為: (415)0cossusmfuNdTqK?????????式中: 微元段上的摩擦力,N, “ ”代表起下管柱工況,起管柱取“+ ”,下管柱取 “”,以后同。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 (417)0sfuWOB?? 管柱三維軟桿模型(1)基本假設(shè)條件計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:計算單元段處在某一空間斜平面上。(2)模型建立取任一單元桿柱 ,如圖 所示,作用在單元桿柱上的力見下表Li[1922]:表 作用在單元桿柱上的力根據(jù)基本假設(shè),它位于空間斜平面 Ri 上,為了便于分析,分別以集中力代替分布力,并以單元桿柱的中點為原點建立笛卡兒坐標(biāo)系—xyz 坐標(biāo)系,如圖 所示,x 軸為切線方向,xy 平面與 Ri 平面重合,z 軸與 Ri平面垂直向下。在 xyz 坐標(biāo)系中,根據(jù)力平衡原理有如下方程: (418)?????????0)(0)(1zzg yygyiyi xxxixiNFF?圖 單元桿柱受力示意圖 圖 單元桿柱笛卡爾坐標(biāo)系在大地坐標(biāo)系中,向量 , ,可分別表示為: ( 419)(sin,sinco,s)i i iiiFF?????? (420)11111,co)iiiiiiiiiF?? ?式中: , —第 i 單元段上端和下端井斜角;i , —第 i 單元段上端和下端方位角。i?1?利用余弦定理,以上兩向量的夾角 2δ 可表示為: (421)22211iii iiFF???????????斜平面 Ri 的傾角 θ 為合向量 與向量 的夾角,可由下式求解: (422)222111arcosi igigiigiNNF????? ????? ??? ?方程(418)可以表示為如下形式: (423)?????????0sinco 0cossinsico1????????NNFggi為正壓力 N 與 Y 軸的夾角,通過(423)可消除 ,由此可得單元管?柱軸向載荷的求解模型: (424)?????????????????????22 221F 0cossinsinsicocbneg ggiiNLWNFF????????鋼鉆 井 液注:管柱向上運動時?。?,向下運動時取-號當(dāng)己知單元桿柱下端的軸向力 ,則由上述方程組可求出單元桿柱上iF端的軸向力 ,由此向上計算,可求得整個管柱的軸向力。Fi以上公式中主要符號意義如下:μ—管柱摩擦系數(shù),無因次單位;We 一計算單元段在空氣中的單位重量, N;—計算單元段的長度,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)??????其余符號意義同前。 模型的邊界條件鉆頭處的邊界條件對模型的計算結(jié)果影響很大,連續(xù)油管鉆井的工況大概分為:起鉆、下鉆、正常鉆進等三種。不同的工況邊界條件不同:起、下鉆:摩阻 = 0,軸向力 = 0oFoT正常鉆進:摩阻 = WOB,軸向力 = WOBoo其中,WOB 為鉆頭鉆壓。 側(cè)壓力求解如前所述,作用在各支撐點上的側(cè)壓力應(yīng)該是空間斜平面上的支撐點側(cè)壓力 力平面內(nèi)垂直于空間斜平面方向的側(cè)壓力 的合成,即:nNbN (426)22nb??空間斜平面上的支撐點側(cè)壓力 下式計算:nN (427)12iiinqLM?式中: —兩跨之間均布橫向載荷集度;f —兩跨之間的長度;i—兩跨之間的彎矩。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。對于每跨梁之間的橫向載荷集度可由下式計算: (428)sini iQw???其中參考(425)式進行計算。重力平面內(nèi)垂直于空間斜平面方向的側(cè)壓力 N。由下式計算: (429) (cos)/2biiNwL??于是,將式(429)、式(427)帶入(426)可得作用在支撐點上的側(cè)壓力 (430)21/nb? 摩阻系數(shù)的處理在前面推導(dǎo)的公式中,摩阻系數(shù)(181。)是一個非常重要的參數(shù)。摩阻系數(shù)的變化將會引起管柱軸向載荷的極大變化。因此,如何正確合理地確定摩阻系數(shù)是軸向載荷分析中的一個重要內(nèi)容。眾多的研究表明:摩阻系數(shù)的大小取決于多種因素,它是材料與各種條件的綜合特性,而不是材料自身的固有特性。在實際的鉆井過程中,不同的鉆進井段摩阻系數(shù)取值不同,不同的潤滑體系摩阻系數(shù)取值也不同。不同泥漿體系下的摩擦系數(shù)取值,需要通過實驗測定或現(xiàn)場試驗確定。本文建議采用如表 所示經(jīng)驗?zāi)ψ柘禂?shù) [1922]:表 經(jīng)驗?zāi)ψ柘禂?shù)表泥漿體系水基油鹽 連續(xù)油管工作特性分析 連續(xù)油管彎曲分析(1)連續(xù)油管下入時最小彎曲半徑計算連續(xù)油管從油管滾筒放出,經(jīng)導(dǎo)向架、注入頭,進入油井,歷經(jīng) 3 次拉伸—彎曲交替變形。因此,它在一次起、下作業(yè)過程就要經(jīng)受 6 次拉伸一彎曲交替變形。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,卷筒液馬達的反向扭矩阻止油管離開,此時油管受拉,把連續(xù)油管首次彎曲一拉直,圖中示為彎曲動作 1。當(dāng)連續(xù)油管進人導(dǎo)引架時,油管由直變彎、導(dǎo)引架彎曲半徑從 54 英寸( 米) 到 98 英寸( 米) ,油管發(fā)生塑性彎曲變形,圖
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