石 崇 东

(川庆钻探工程公司长庆钻井总公司， 西安 710018 )

随着水平井开发规模的不断扩大，斜井段中完作业中下技术套管遇阻现象较为突出，导致套管下入不能顺利到位，给水平段施工及后期生产埋下隐患。水平井斜井段套管柱在自身重力和井眼弯曲作用下产生变形，套管与井壁的接触面积增加，套管与井壁之间滑动摩阻增大。当摩阻达到一定程度，出现遇阻现象后，若强行下入，入井套管可能会发生变形，甚至造成失稳[1]。为解决斜井段套管下入过程中遇卡遇阻的问题，保证下套管顺利到位，开展套管与井眼相容性分析十分必要。

1 套管下入难点分析

套管下入时存在的难点主要有4点：(1) 斜井段下套管作业时，随着井斜角的增大，套管承受的弯曲应力随井眼曲率半径的减小而增加，套管弯曲变形增大，套管失稳概率增大；(2) 随着斜井段长度的增大，套管与井壁的接触面积增大，套管摩阻增大；(3) 由于靶前距较小，斜井段曲率半径较小，导致套管通过的长度减小；(4) 斜井段曲率半径不同，通井钻具刚度必须满足套管刚度要求，通井钻具组合选择困难。

2 套管与井眼相容性分析

2.1 套管可通过的最大井眼曲率计算

套管管体的抗拉强度比接箍连接处抗拉强度高，套管允许通过的最大井眼曲率不是套管本体部分，而是接箍处。弯曲套管一侧承受拉应力，另一侧承受压应力[2]。当弯曲应力达到或超过接箍的抗拉强度时，一侧会先破坏。斜井段套管弯曲应力超过钢材的屈服极限时，可能造成套管变形，无法进行后续作业。

2.1.1 无扶正器时套管允许通过的最大井眼曲率

随着斜井段井眼曲率的增大，套管通过该井段的难度增加。因此需要判断套管柱在最大井眼曲率处的可通过性[3]。实际作业过程中，允许套管承受一定的弯曲应力，其允许的最大井眼曲率为：

式中：Cm—— 无扶正器时允许套管通过的最大井眼曲率，(°)m；

Yp—— 套管管体屈服强度，MPa；

D—— 无扶正器时套管外径，m；

K1—— 钢材抗弯安全系数，API公式取1.8，IADC(International Association of Drilling Contractors)公式取1.20～1.25；

K2—— 螺纹应力集中系数，API公式取3.0，IADC公式取2.0～2.5。

水平井斜井段套管外径为178 mm，套管钢级为N80、P110，井眼曲率必须小于0.44°m，才能满足不装扶正器的套管下入要求；水平井套管外径为140 mm，套管钢级为J55，井眼曲率必须小于0.41°m，才能满足不装扶正器的套管下入要求(见表1)。

表1 无扶正器时不同尺寸钢级套管允许通过的最大井眼曲率

2.1.2 加入扶正器后套管通过的最大井眼曲率

水平井斜井段下套管时，为了保证固井质量，套管上需安装扶正器。加入扶正器，需考虑套管下入过程的轴向力与摩阻力、套管刚性增大等影响因素。为保证斜井段套管顺利下入，必须对加扶正器套管在井眼中的通过性进行计算，避免扶正器加载后套管串在特定井眼内遇阻[4]。

加装扶正器套管柱所能通过的最大井眼曲率：

式中：Cmf—— 加入扶正器后允许套管通过的最大井眼曲率，(°)m；

Df—— 加入扶正器后的套管外径，m；

K3—— 扶正器影响系数，根据经验取K3=0.67-1。

水平井斜井段套管外径为178 mm，套管钢级为N80、P110，井眼曲率必须小于0.37°m，才能满足安装扶正器的套管下入要求；水平井套管外径为140 mm，套管钢级为J55，井眼曲率必须小于0.28°m，才能满足安装扶正器的套管下入要求(表2)。

表2 加入扶正器后不同尺寸钢级套管允许通过的最大井眼曲率

2.2 特定井眼曲率下套管可通过的最大不可弯曲长度

当套管两端安装了扶正器后，管柱两端扶正器与弯曲井段外侧井壁接触。设弯曲井眼的曲率半径为R，井眼直径为Dh，套管外径为Do，两端扶正器的外径分别为d1、d2，两端受约束的单根套管能通过的最大长度为L。R、d1、d2的几何关系见图1。

图1 套管在井眼里的示意图

IADC推荐井眼曲率公式[5]：

式中:R—— 弯曲井眼的曲率半径，m；

K—— 井眼最大全角变化率，(°)m。

则两端受约束的单根套管能通过的最大长度L为：

式中：L—— 两端受约束的单根套管能通过的最大长度，m；

R—— 弯曲井眼的曲率半径，m；

Dh—— 井眼直径，m；

Do—— 套管外径，m；

d1、d2—— 两端扶正器的外径，m。

根据公式计算曲率半径为400 m条件下，215 mm井眼内下外径为178 mm的单根套管允许的最大长度仅为8.30 m；215 mm井眼内下外径为140 mm的单根套管允许的最大长度为12.01 m(见表3)。

3 通井钻具刚度匹配计算方法

目前，斜井段下套管前都需要通井，确保套管顺利下到指定位置。由于水平井的靶前距不同，斜井段井眼曲率不同，设计通井钻具时应考虑井眼轨迹、入井套管的钢级等因素。通过对比分析通井钻具与入井套管结构、尺寸、刚度等[6](1个扶正器的长度大概为1根钻铤的 19， 而惯性矩却比钻铤大很多)，同时考虑扶正器对通井钻具及入井套管的影响，选择合适的通井钻具，模拟套管刚度进行通井，能确保套管顺利下到位。

表3 两端受约束的单根套管能通过的最大长度

3.1 抗弯刚度

抗弯刚度的计算公式为：

W=EI

式中：W—— 抗弯刚度,kNmm2；

E—— 弹性模量，即产生单位应变时所需的应力, Nmm2；

I—— 管材对中心轴线的惯性矩，m4。

抗弯刚度有EI钻铤、EI扶、EI加重、EI斜坡、EI套管。其中，弹性模量E=2.1×105Nmm2。

相同结构的通井钻具与套管的刚度匹配比m为[7]：

L钻铤=L套管=9L扶

式中：D钻铤—— 钻铤外径，mm；

D套管—— 套管外径，mm；

d钻铤—— 钻铤内径，mm；

d套管—— 套管内径，mm。

当m≥1 时，说明钻具的刚度大于套管刚度，套管在井下比钻具更柔软，理论上套管能下至预定位置；当m<1 时， 则需重新设计刚度更大的通井钻具组合，以保证套管的顺利下入[8](不考虑其他因素的影响)。

3.2 常用通井钻具刚度对比

将表4内的基础数据代入表5中的刚度计算公式，计算各组合的抗弯刚度。

表4 通井钻具BHA及套管基本数据表 mm

表5 通井钻具BHA刚度与套管刚度对比

根据表5知，抗弯刚度由大到小的组合依次为：(4)、(1)、(2)、(5)、(3)。其中，前4种钻具结构刚度大于7"套管刚度，理论上可作为斜井段通井钻具组合。

4 结 语

(1) 对水平井斜井段几种通井钻具结构的抗弯刚度进行了分析，对现场水平井斜井段通井钻具的选择具有理论指导意义。

(2) 随着三维水平井数量的不断增多，应考虑偏移距、垂深对斜井段套管下入的影响。

[1] 高德利,刘凤梧,徐秉业.弯曲井眼中管柱屈曲行为研究[J].石油钻采工艺,2000,22(4)：1-4.

[2] 范志国,徐秀杰,于建克.KHW801水平井窄间隙套管柱下入工艺[J].石油钻采工艺,2004,26(5)：42-43.

[3] 周建平,张福祥,季晓红.高温深层碳酸盐岩水平井井筒准备技术研究[J].油气井测试,2016,25(1)：39-41.

[4] 常洪斌,史玉钊,李小勇.沙特致密气藏水平井完井管柱下入难点与对策[J].中外能源,2012,17(3)：47-49.

[5] 祝效华,高原，刘少胡,等.水平井弯曲段套管下入可行性分析[J].石油矿场机械,2011,40(4)：6-8.

[6] 于艳艳,王旱祥,苗长山.ANSYS在水平井套管可下入性分析中的应用[J].石油矿场机械,2007,36(5)：67-69.

[7] 肖平,张晓东,梁红军,等.通井钻具组合刚度匹配研究[J].机电产品开发与创新,2011,24(3)：115-118.

[8] 陈颖超,石晓兵,吴朗,等.侧钻井弯曲段套管相容性分析[J].石油工业计算机应用,2012(2):32-33.