液压增力解卡的管柱受力分析与强度校核方法.pdf

第 3 3卷 第 6期 2 0 l 1 年 1 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LL I NG PR0DUCTI ON TECHNOL0GY V0 1 ． 3 3 No ． 6 NO V ．2 01 1 文章编号1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 1 0 60 0 4 90 4 液压增力解卡的管柱受力分析与强度校核方法 李加 院 李明 忠 杜 丙国 刘 兴 文 刘 陈 伟 1 ． 中国石油大学石油工程学院， 山东青岛2 6 6 5 5 5 ；2 ． 胜利石油管理局采油工程处， 山东东营2 5 7 0 0 0 摘要 液压增力打捞技术是针对水平井实施打捞的一项新技术。根据水平井的特殊井身结构与液压增力解卡的特殊工作 状态， 利用力学分析、 数学建模方法对相关打捞管柱的力学性能进行了分析计算；建立了新的力学模型来预测管柱上提时的摩 擦损失和解卡力， 并结合液压增力器性能参数和强度理论进行 了管柱校核。实例计算验证了建立模型和强度校核方法， 研究方 法为提高相关施工的安全性及效率奠定了一定基础。 关键词水平井；力学模型；液压解卡 ；井下作业；强度校核 中图分类号 T E 2 8 文献标识码 A St r e s s a na l y s i s a nd s t r e ng t h c he c k f o r hy dr a ul i c f o r c e i nc r e a s i ng s t uc k- r e l e a s i ng s t r i n g s L I J i a y u a n ， L I Mi n g z h 0 n g ， D U B h g g u o ， L I U X i n g w e n ， L I U C h c n w e i 1 ． C o l l e g e o fP e tr o l e u m E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i ty o fP e t r o l e u m， Qi n g d a o 2 6 6 5 5 5 ， C h i n a ； 2 ． P r o d u c t i o n E n g i n e e r i n g De p a r t me n t ， S h e n g l i Pe t r o l e u m Ad mi n i s t r a t i o n Bu r e a u ， Do n g y i n g 2 5 7 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c f o r c e i n c r e a s i n g p u l l i n g fis h i n g i s a n e w t e c h n o l o g y f o r fi s h i n g t r e a t me n t i n h o riz o n t a l we l l s ．Ac c o r d i n g t o t h e s p e c i a l b o d y s t r u c t u r e o f h o r i z o n t a l we l l s a n d s p e c i a l wo r k i n g c o n d i t i o n o f h y dra u l i c p r e s s u r e p u l l i n g f o r c e f o r s t u c k - r e l e a s i n g ， c a l c u l a - t i o n a n d a n a l y s i s o f me c h a n i c a l p e r f o r ma n c e o f t h e s a l v a g e s t r i n g wa s c o n d u c t e d b y u s i n g t h e me c h a n i c a l a n a l y s i s a n d ma t h e ma t i c a l mo d e 1 ． T h i s p a p e r e s t a b l i s h e d the r e a s o n a b l e me c h a n i c a l mo d e l t o p r e d i c t t h e f r i c t i o n l o s s e s o f s t rin g a n d r e l e a s i n g f o r c e d u r i n g t h e u p wa r d mo v e m e n t o f s tri n g s ， an d t h e n c h e c k e d t h e s t r i n g s tre n g t h c o mb i n i n g t h e p e r f o r man c e p a r a me t e r s o f h y dr a u l i c f o r c e i n c r e a s i n g t o o l a n d t h e s t r e n g t h t h e o r y ． T h e e x a mp l e a n a l y s i s v e rifi e d t h e m e tho d o f mo d e l e s t a b l i s h me n t a n d s tre n g th c a l i b r a t i o n wh i c h o p t i mi z e t h e o p e r a t i o n p a r a me t e r s o f c o n s t r u c t i o n a n d l a i d a c e r t a i n f o u n d a t i o n for i mp r o v i n g t h e s a f e t y a n d e f fi c i e n c y o f r e l e v an t c o n s t r u c t i o n ． Ke y wo r d s h o riz o n t a l we l l ； me c h a n i c a l ma t h e ma t i c mo d e l ； h y dra u l i c s tuc k r e l e a s i n g ； d o wn h o l e o p e r a t i o n ； s tr e n gth c h e c k 随着油 田开发 的不断深入 ， 水平井 、 复杂结构井 日趋增多 ， 卡钻事故频繁发生。针对这种情况 ， 液压 增力解卡技术作为一项新技术 ， 开始在大庆 、 胜利及 海上油 田推广应用 。该技术利用地面注液体 打压来 控制井下液压增力器进行解卡。施工过程 中， 上提 管柱到一定的负荷， 使管柱一直处在拉伸状态 ， 接着 向管内打压， 液压增力器产生拉力， 在两力共同作用 下 ， 使落物解卡 ⋯。该技术弥补了常规解卡工艺的 不足 ， 在很大程度上提高了解卡的成功率。 目前胜利、 辽河、 冀东油田都研制了液压增力 器 ， 取得 了较好 的应用效果 ， 研究中主要侧重液压解 卡工具的研制， 在理论方面还需要做进一步研究。水 平井井 眼轨迹多为弯 曲波浪形， 在大的上提力 、 高液 压作用下， 管柱受力复杂， 为提高解卡施工的安全陛， 必须对打捞管柱在三维井眼中的轴向载荷进行计算 和强度校核。为此， 建立了液压解卡三维力学计算模 基金项 目胜利石油管理局科研项 目 “ 水动 力修 井系列工具 产业化 ” 编号 GC 0 8 0 8 部分 内容。 作者简介李加院， 1 9 8 4生。在读硕士研究生， 研究方向为采油工程理论与技术。电话1 8 2 5 3 2 9 3 7 3 6 。E ma i l l ij i a y u a n 0 5 2 s i n a ．t o m。 5 0 石油钻采工艺 2 0 1 1 年 1 1月 第 3 3卷 第 6期 型和强度校核方法 ， 并用文献 中二维模 型对新建模 型进行了对 比和举例计算 。 l 井下打捞管柱的受力分析 1 ． 1 液压环境对管柱的影响 作业工程中， 管柱处在液压环境中， 井内液压力 对管柱轴向力的影响最终可归结为使钻柱的线重发 生变化。设管柱在空气中的线重为 ， 在液体环境中 的管柱线重为 g ， 关系表达式为 g【 卜 J ㈩ 式 中， P 为液体密度 ， g ／ c m ；P 。 为管柱钢材密度 ， g ／ c m 。只要按照式 1 计算了管柱的线重， 就等于考 虑了液压力对管柱轴向力的全部影响 J。 在进行打压液体时， 由于增力器活塞移动缓慢， 不考虑液体流动造成的压力损失， 则管内压力分布 为 ] s P i P i0 f P d g C O S 出 2 环空压力分布为 P 。 P 。 0 f P d g C O S 0 d s 3 式 中， P i 为管内压力 ， MP a ；P j o 为井 口泵压 ， MP a ；S 为管 柱长度 ， m；0为井斜角， r a d ；P 为井 lZ l 套压 ， MP a；P 为油套环空压力 ， MP a 。 1 ． 2 三维轴向力学模型建立 在打捞工具下到鱼顶后 ， 冲洗鱼顶 ， 下放可退捞 矛捞住落物， 开始上提管柱到修井机容许载荷。此 时， 管柱开始移动并处于拉伸状态 ， 忽略管柱接头影 响 ， 对弯曲井眼中长 △ 的管柱单元受力分析如 图 1 所示 图 1 上提时管柱单元的受力 由于井 眼弯 曲， 管柱单元两端的轴 向力对井壁 产生侧 向力 F 如图 2所示 ， 其计算式为 ㈠ 十 ～ ⋯4 ， 图2 管柱单元侧向力分析 在拉力 F s 和线重 g 共同作用下， 长度为 △ 管柱单元对井壁的侧向力 的计算式为 F n { f △ q m A S Sin 1 f △ sin ] t0．5 5 在弯曲井眼中， 管柱由于刚性原因要保持直线 状态， 管柱单元与井壁之间产生附加侧向力， 其计算 式为 F n 1 1 ． 3 E L K As 6 sin 式 中， 为管柱的抗弯刚度 ， k N m ；K为管柱单元 的曲率 ， m ； 为平均井斜 角， r a d ； 为井斜方位 角， r a d 。 影响水平井管柱运动及其轴 向载荷 的主要因素 是管柱受到 的摩擦力 和浮重 ， 摩擦力大小取决于管 柱对井壁的总 的正压力 和管柱与井壁之间 的摩擦 因数 。管柱单元轴 向载荷的变化量可 由下 式求得 A s q m A s c o s 0 士 ” 8 式中， 加号代表上提管柱 ， 减号代表下放管柱 ；F t s 为轴 向力 ， k N； 、 F o ” 分别为侧 向力 和附加侧 向 力 。 k N。 上述计算模型考虑到井斜角和方位角变化带来 的影 响， 属于三维轴 向力计算模型， 同时也考虑管柱 刚度效应作用于井壁带来 的附加压力 ， 在狗腿度严 重时， 摩擦力计算值更接近实际值。 1 ． 3 数值求解 为 了减少误差 ， 利用井眼的测斜数据 ， 以轨迹测 量时的测段作为一个计算单元 ， 从卡点位 置向上逐 段迭代求解， 其中卡点处井斜数据由插值求得；给 定不 同的边界初值 管柱末端轴 向力 ， 由式 5 、 6 和 8 计算出各单元的侧 向力和轴 向力 ， 求得所需的 上提载荷， 再根据井口泵压值计算管内压力分布， 进 而进 行管柱强度 校核， 以优选作业参数和优选打捞 管柱。初值 与增力器产生 的拉力之和 即为落鱼 李加院等 液压增力解卡的管柱受力分析与强度校核方法 5 1 所受到的解卡力。 2 打捞管柱的强度校核 液压增力器工作时， 产生的拉力作用在套管上， 水力锚以上管柱所受的拉力不变；由于向管柱打压 高压液体 ， 管柱承受较高的内压力；在弯曲井段， 管 柱存在弯曲应力， 因此管柱截面常常处于复杂的三 向应力状态。其中， 轴向拉力产生的轴向应力 O “t 为 4Ft s O “ t D 2 - d 2 9 【 式中， D为管柱的外径， m；d 为管柱的内径， m。 井眼弯曲产生的弯曲应力 为 G r b 2 _ E DK 1 0 根据 弹性力学厚壁筒理论 ， 内外压力产生 的径 向、 周向应力 O “ r 、 G O 为 ] 错 一 错 4r2 2- d 2 D 1 1 。 4 r 2 D 一 d 式中， P i 为计算点管柱内部压力； P 。 为计算点管柱 外部压力 ， d ／ 2≤ ， ． ≤D／ 2 。 根据第四强度理论， 其相当应力 为 。 { [ s i g n 1 一 O “r O “0 一 、 0 5 c r ， o “o l s ig n o r o “b 】 } 1 2 安全系数 n o -／ 1 3 式中， 刚材的屈服极限 ， MP a 。 3 实例计算与分析 运用上述模型对某一水平井进行了计算和对比 分析。该水平井因水平段防砂工具失效， 需对水平 段 防砂管柱进行打捞 ， 常规解卡方式失败后 ， 采用液 压增力工具进行打捞 。 3 ． 1 基础数据 1 打捞油管数据见表 1 1 。其中， 油管钢材的 弹性模量 E取 2 ． 1 1 0 MP a ， 摩擦 因数 0 ． 1 5 ， 安全系 数 1 ． 8 L “ 。 表 1 打捞油管基本数据 2 液压增力器最大工作压力 P取 2 5 MP a 。 3 井 眼轨迹数据井深取 2 7 3 0 ．5 0 IT I ， 鱼顶 2 3 3 5 ． 1 0 m， 井斜角与方位角按实际井眼数据取值， 单 位 。 。 3 ．2 力学计算与分析 为 了验证本文模 型计算 的准确性， 选 用文献 [ 1 2 ] 和 [ 1 3 ] 中的二维模型进行对比分析， 见图 3 、 4 。 在地面上提管柱， 管柱在井眼中处于拉伸状态， 当末 端轴向力 落鱼受到的拉力 为 0 时， 从图 3 可以 看出， 3 个模型所计算的结果相近， 本文模型计算结 果略大些；但是继续上提管柱， 当 取相同值时， 3 个模型计算的井口上提力随 的增加相差越来越 大 图4 ， 从本文模型得到的曲线 斜率 K I 可以 看出， 井 口上提负荷的增加量大于 的增加量， 代 表井口的上提力无法全部传递到井下水平段内 _ 1 ， 符合现场施工情况。其主要原因是随井斜和轴向力 增加 ， 管柱对井壁的侧 向力急剧增加 ， 导致摩擦力增 加 图 5 。 2 0 0 l 6 0 Z 1 2 O 羹8 0 4 0 O 堇 叫 口 0 5 0 0 1 0 0 0 l 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 井深／ m 图 3 当F o 为 0时轴 向力 沿井深的分布曲线 2 5 2 0 蚕 1 5 羹 m 5 O 图 4 末端轴 向力与上提力的关 系曲线 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 井深／ 1 n 图 5 末端轴 向力取 不同值 时侧 向力的 变化 曲线 5 2 石油钻采工艺 2 0 1 1 年 l 1 月 第3 3 卷 第6 期 3 ． 3 强度校核 为了安全、 经济、 有效地实施解卡作业， 根据管 柱安全系数并结合现场实际， 对管柱、 施工参数进行 优选 ， 从而减少施工的盲 目性。从表 2 、 3 可 以看出， 当井 口预提拉力为 3 0 0 k N时 ， 07 3 ． 0 2 mm油管安全 系数大 于 1 ． 8 ， 落鱼可 以获得 7 2 8 k N 的拉力 ；但 当 井 口泵压为 2 5 MP a ， 预提力大于 4 0 0 k N时， 07 3 ． 0 2 m m油管最大安全系数小于 1 ．8 ；经计算， 13 8 8 ． 9 0 mm油管预提力为 5 0 0 k N时， 安全系数为 1 ． 9 。因此 ， 若在落鱼处产生 8 0 0 k N以上的力 ， 采用 0 8 8 ． 9 0 mm 管柱或两种管柱组合使用更为安全。 表 2 7 3 ．0 2 mm油管上提力 3 0 0 k N时的计算值 表 3 0 7 3 ． 0 2mm油管泵压为 2 5MP a的计算值 4 结论 1 针对水平井液压增力解卡的特点 ， 进行 了力 学分析并 建立三维轴 向力模 型 ；根据管柱 受力特 点 ， 应用第 四强度理论对管柱进行强度校核 ， 提出了 相当应力计算公式， 为水平井液压增力解卡作业提 供理论指导。 2 水平井解卡管柱受力分析要考虑到井斜角 、 方位角和液压力 的影响 ， 强度校核要考虑上提力和 液压力的双重作用。 3 水平井有其 自身的摩阻规律， 摩 阻使常规解 卡工艺实施效果变差 ， 利用力学模 型可以对其分析 计算， 并预测井下落物受到的解卡力。 4 从实例计算和现场施工经验两方面， 证明所 建力学模型比二维模型更贴近现场实际， 可以很好 地用于现场解卡的监测分析。 5 在满足较好的安全条件下， 液压增力解卡 f 在落鱼处产生 8 0 0 k N解卡力 ， 达到大修施 效果 ， 具有很好的应用价值。 参考文献 [ 1 ] 郭建国． 复杂井身结构井打捞解卡配套工具研制及应 用 [ J ]． 石油矿场机械 ， 2 0 0 4 ， 3 3 6 6 3 6 6 [ 2] 韩 志勇． 钻柱强度计算新方法 [ J ]． 石油大学学报 自然科学版， 1 9 9 8 ， 2 2 2 3 9 4 6 ． [ 3] 李子丰 ． 油气井杆柱力学及应用 [ M]． 北京石油工 业 出版 社 ， 2 0 0 8 [ 4] S HE P P AR D M C ． D e s i g n i n g we l l p a t h s t o r e d u c e d r a g a n d t o r q u e[ R] ． S P E 1 5 4 6 3 ． [ 5 ] J OH A NCS I K C A． T o r q u e a n d d r a g i n d i r e c t i o n a l we l l s p r e d i c t i o n a n d me a s u r e me n t l R j． I A DC ／ S P E 1 1 3 8 0 ． [ 6] 高德利， 覃成锦， 李文勇 ． 南海西江大位移井摩阻和扭矩 数值分析研究 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 3 ， 2 5 5 7 1 2 [ 7] P AS L A Y P R ， C OR P T e c h a i d ． S t r e s s a n a l y s i s o f d r i l l s t r i n g [ R]． S P E 2 7 9 7 6 ． [ 8] I S O 1 0 4 0 0 2 0 0 7 ． P e t r o l e u m a n d n a t u r a l g a s i n d u s t r i e s f o r mu l a a n d c a l c u l a t i o n f o r c a s i n g ， t u b i n g ， d r i l l p i p e C h i n a P e t r o l e u m Ma c h i n e r y , a n d l i n e p i e p r o p e r t i e s l S J ． [ 9] 李国庆， 夏柏如， 姜文勇， 等 ． 套管柱拉力一扭矩模型及 在定 向井 中的应 用 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 0 8 ， 3 0 2 32 35． [ 1 O] 石兴春 ． 井下作业工程监督手册 [ M]． 北京 中国石 化 出版 社 ． 2 0 0 8 ． [ 1 1 ] 杨新克， 余杰， 生丽敏 ． 管柱力学分析在深井酸压施2 7 _ 中的应用 [ J ]． 新疆石油天然气， 2 0 1 O ， 6 4 8 l 一 8 5 ． [ 1 2] 练章华， 林铁军， 刘建， 等 ． 水平井完井管柱力学数 学模型建立 [ J ]． 天然气工业， 2 0 0 7 ， 2 6 7 6 1 6 4 ． [ 1 3] 高德ft ． 4 ， 刘希圣， 徐秉业 ． 井眼轨迹控制 『 M]． 山东 东营石油大学出版社， 1 9 9 4 ． [ 1 4] 叶金胜， 郝金克， 贾庆升， 等 ． 胜利油田水平井防砂管 柱打捞技术 [ J ]． 石油机械， 2 0 0 2 ， 3 09 4 0 ． 4 2 ． 修 改稿收到 日期2 O 1 1 0 8 0 1 [ 编辑朱伟 ]