CN101429857A - 一种钻井座挂衬管承受最大扭矩的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻井座挂衬管承受最大扭矩的设计方法，其特征在于：它包括对设置在套管内的衬管材料的选择和衬管长度的选择；所述衬管材料的选择满足以下公式：P_β＝σ_s1ln(c/b)+σ_s2ln(b/a)＝P_β1+P_β2；所述衬管长度的选择满足以下公式：l＝M_top/(2πμP_βb²)，其中P_β为分支井座挂系统的塑性极限应力P_β，为b为套管内半径，c为套管外半径；a为衬管内半径，b为衬管外半径，σ_S1为套管的屈服强度，σ_S2为衬管材料的屈服强度；l为衬管长度，钻机对钻头的顶驱扭矩M_top，μ为衬管与套管之间的摩擦系数。本发明通过对衬管和钻头所受的扭矩进行分析，把复杂的直观概念抽象成相对简单的公式在实际应用中具有重大的实践意义。

Description

一种钻井座挂衬管承受最大扭矩的设计方法

技术领域

本发明涉及一种设计方法，特别是关于一种应用于分支井座挂系统的钻井座挂衬管最大扭矩的设计方法。

背景技术

采用径向变形管的分支井座挂技术，是一种新兴的石油工程技术，现已被世界不同地区接受，并显示出良好应用前景。径向变形管分为实体径向变形管和割缝径向变形管，实体径向变形管主要用于老井的套管修补、侧钻以及多种类型的油井建井；割缝径向变形管主要用于封隔复杂层段、代替常规割缝衬管和防沙。采用径向变形管的分支井座挂技术的原理为，先利用座放装置将可径向变形的衬管下入井内；再根据金属的弹、塑性变形原理，在井下环境中通过扩径锥对衬管使用冷拔工艺，使其直径扩展到所需要的尺寸。径向尺寸精确、长度足够的衬管在径向变形后紧贴井壁，这样分支井座挂系统就足以抵抗已产生的底层坍塌和应力。

在开设分支井的实际钻井过程中(如图1所示)，衬管2紧贴套管1的内壁，斜向器放置于衬管的上端。钻头受自身重力的作用，定位在斜向器3斜面的底部造斜点A实施侧钻作业。因此衬管2起到相当于斜向器3座封的作用，但是在侧钻作业时，它必须能抵抗通过斜向器3传递的来自钻头的扭矩的作用。为了使衬管2在套管1内的指定位置保持相对静止，确定衬管承受最大扭矩的能力、合理地确定衬管的长度是必须要解决的一个问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种通过对斜向器和衬管所受扭矩的分析，建立起相应的数学公式，从而得到一种应用方便，高效的钻井座挂衬管承受最大扭矩的设计方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种钻井座挂衬管承受最大扭矩的设计方法，其特征在于：它包括对设置在套管内的衬管材料的选择和衬管长度的选择；

所述衬管材料的选择满足以下公式：

$P_{\mathrm{\β}1}={\mathrm{\σ}}_{s1}\ln \frac{c}{b}+{\mathrm{\σ}}_{s2}\ln \frac{b}{a}=P_{\mathrm{\β}1}+P_{\mathrm{\β}2};$

所述衬管长度的选择满足以下公式：

$l=\frac{M_{\mathrm{top}}}{2\mathrm{\π\μ}{P}_{\mathrm{\β}}{b}^2}$

其中P_β为分支井座挂系统的塑性极限应力P_β，为b为套管内半径，c为套管外半径；a为衬管内半径，b为衬管外半径，σ_S1为套管的屈服强度，σ_S2为衬管材料的屈服强度；l为衬管长度，钻机对钻头的顶驱扭矩M_top，μ为衬管与套管之间的摩擦系数。

其中公式 $l\≥\frac{M_{\mathrm{top}}}{2\mathrm{\π\μ}{P}_{\mathrm{\β}}{b}^2}$ 是基于力平衡原理推导而来，即钻机对钻头的顶驱扭矩M_top和衬管受到来自斜向器的扭矩为M_J大小相同方向相反，衬管外壁面积S＝2πbl，正压力N＝P_β·S，则摩擦力f：

f＝μN＝μP_βS＝2πblμP_β

由于M_J＝fb，则可得出衬管的临界长度，衬管的设计长度应≥临界长度，即

$l\≥\frac{G}{2\mathrm{\πb}\·{\mathrm{\μP}}_{\mathrm{\β}}}.$

所述内压P_i的取值区间是：P_β≤P_i<σ_s2。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过对衬管和钻头所受的扭矩进行分析，根据力矩平衡原理来对衬管的长度进行选择，把复杂的直观概念抽象成相对简单的公式，使衬管的设计有了理论的指导，在实际应用中具有重大的实践意义。2、本发明通过对圆管塑性极限应力的分析，得出了衬管、套管，两者材料的屈服极限与其所受塑性极限压力之间的关系，为两者恰当的选材提供了重要参考。本发明的应用于分支井座挂系统的钻井衬管座挂最大扭矩的设计方法，公式简练，意义明确。

附图说明

图1是本发明进行分支井造斜作业示意图

图2是本发明进行分支井造斜简图

图3是本发明的分支井座挂系统示意图

图4是本发明套管和衬管的受力示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明对衬管的设计方法包括对衬管材料的选择和对衬管长度的选择。

一、对衬管材料的选择

如图1、图2所示，本发明的分支井座挂系统主要包括套管1、衬管2和斜向器3。其实施方式是，先利用坐放装置将可径向变形的衬管2下入套管1内的指定位置，其作用是为钻头4确定造斜点；再根据金属的弹、塑性变形原理，在井下环境中通过扩径锥4对衬管2进行径向膨胀，使衬管2直径扩展到所需要的尺寸，衬管2在径向变形后紧贴套管1内壁。斜向器3架固在衬管2上端，钻头由于自身重力的作用，沿斜向器3的斜面运动到斜面下端的造斜点A，进行造斜作业。

如图3所示，当衬管2被扩径锥径向拉伸紧贴在套管1内壁上时，套管1和衬管2构成了一同心圆管。套管1内半径为b，外半径为c；衬管2内半径为a，外半径为b。在扩径锥4形成的内压P_i的作用下，若外层套管材料的屈服强度为σ_S1，内层衬管材料的屈服强度为σ_S2，当内外圆管都达到塑性极限状态时，可以求解得到同心圆管整体的塑性极限应力P_β。设两圆管之间的压强为P_q，当两圆管均达到塑性极限状态时，内层衬管在内压P_i和管间压强P_q的作用下；外层套管在P_q的作用下，则此时整个分支井座挂系统的塑性极限应力P_β为：

$P_{\mathrm{\&beta;}1}={\mathrm{\&sigma;}}_{s1}\ln \frac{c}{b}+{\mathrm{\&sigma;}}_{s2}\ln \frac{b}{a}---\left(1\right)$

由此可见：不同材料，不同屈服强度的套管和衬管，在内压作用下其所组成的分支井座挂系统的塑性极限应力的值，为两层管在内压作用下分别所受的塑性极限应力之合。

我们依据以上结论来选择衬管的材料。为了尽量减少和避免对老井筒的套管1造成损伤，通常在选择衬管2的材料时，其材料的强度要低于套管1的材料强度，即套管的屈服强度σ_s1要大于衬管的屈服强度σ_s2。这样在衬管达到塑性极限后，套管1仍在弹性极限范围之内，有利于保护好老井套管，同时也有利于衬管2的塑性膨胀产生塑性变形。则在(1)式中，为保证衬管2不被胀破，内压P_i的大小不超过衬管的屈服强度σ_s2，满足套管1的弹性变形要求。同时又能使内压P_i大于塑性极限应力P_β，使衬管2顺利产生塑性变形。则有以下关系：

P_β≤P_i<σ_s2。           (2)

二、基于扭矩分析的衬管长度的选择

在通过斜向器造斜过程中，按照极限情况，钻头作用在斜向器3上的力矩取为钻机对钻头的顶驱扭矩M_top。而此时钻头对于斜向器3产生的力为 $F_B=\frac{M_{\mathrm{top}}}{2r},$ r为钻头的半径。这样斜向器3在钻头的旋钻作用下会产生扭矩M_I：

$M_1=F_B\&CenterDot;2r=\frac{M_{\mathrm{top}}}{2r}\&CenterDot;2r=M_{\mathrm{top}}---\left(3\right)$

按照极限情况，斜向器扭矩M_I的最大值取为钻机对钻头的顶驱扭矩M_top有M_I＝M_top。同时，斜向器3将扭矩M_I传递给衬管2，因此衬管2所受的扭矩为M_J，由上可知，有以下关系：M_J＝M_I＝M_top。而对于衬管2而言，其自身必须能够抵抗这种扭矩才能不发生相对转动。

下面对衬管2进行分析，根据力矩平衡原理，只有当衬管2扭矩与摩擦力扭矩抵消时，即M_J＝fb，它才不会发生相对转动。其中，f为衬管2与套管1之间的摩擦力，b为衬管2的外半径，两者相乘即为摩擦力f在衬管2上的力矩。

f＝μN＝μP_βS＝2πblμP_β          (4)

其中，l为衬管2的长度，μ为衬管与套管间的摩擦系数。综上，则有：

$l\&GreaterEqual;\frac{M_{\mathrm{top}}}{2\mathrm{\&pi;\&mu;}{P}_{\mathrm{\&beta;}}{b}^2}---\left(5\right)$

三、具体实施例

如4所示，已知渤海某油田采用直径为7”(Ф177.8mm)作为分支井座挂系统的套管1，现在需在其中设置一衬管2，以在该油田实施分支井钻井，图中显示了衬管1、套管2和斜向器3的位置关系。已知套管材料的钢级是N80，即σ_s＝5624kg/cm²，套管外半径c＝88.9mm，内半径b＝78.55mm；衬管内半径a＝69mm，衬管与套管间的摩擦系数μ＝0.2；钻机正常作业时对钻头4的最大连续工作顶驱扭矩按230kN.m计算。试选择不同材质的衬管2，并且求其塑性极限压力。

下面对衬管的选择进行设计：

1)衬管材料的选择

通常情况下，为保护套管1起见，所选择衬管2材料的屈服强度σ_s2应小于套管1材料的屈服强度σ_s1。这样可以让衬管2先行达到塑性极限，而此时套管1仍在弹性范围之内。本实施例中，选择石油工业用12CrMoV钢管作为衬管2，衬管2的屈服强度σ_s2＝2250kg/cm²

将上述相关数据带入式(1)，同时将套管1及衬管2作为整体同心圆管处理，其塑性极限应力为：

$P_{\mathrm{\&beta;}1}={\mathrm{\&sigma;}}_{s2}\ln \frac{c}{b}+{\mathrm{\&sigma;}}_{s1}\ln \frac{b}{a}$

   $=5624\ln \frac{88.9}{78.55}+2250\ln \frac{78.55}{69}$

   $=987.7855\mathrm{kg}/{\mathrm{cm}}^2$

在此，内压P_i的取值区间为：

P_β≤P_i<σ_s2

2)衬管长度设计

将上述相关数据带入式(5)，可以计算得到衬管2的长度为：

$l=\frac{M_{\mathrm{top}}}{2\mathrm{\&pi;\&mu;}{P}_{\mathrm{\&beta;}}{b}^2}$

$l=\frac{60\&times;{10}^3}{2\&times;\mathrm{\&pi;}\&times;0.2\&times;0.9877855\&times;{10}^7\&times;{0.07855}^2}=783\mathrm{mm}$

Claims (3)

1、一种钻井座挂衬管承受最大扭矩的设计方法，其特征在于：它包括对设置在套管内的衬管材料的选择和衬管长度的选择；

所述衬管材料的选择满足以下公式：

$P_{\mathrm{\&beta;}}={\mathrm{\&sigma;}}_{s1}\ln \frac{c}{b}+{\mathrm{\&sigma;}}_{s2}\ln \frac{b}{a}=P_{\mathrm{\&beta;}1}+P_{\mathrm{\&beta;}2};$

所述衬管长度的选择满足以下公式：

$l=\frac{M_{\mathrm{top}}}{2\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&mu;}{P}_{\mathrm{\&beta;}}{b}^2}$

其中P_β为分支井座挂系统的塑性极限应力P_β，为b为套管内半径，c为套管外半径；a为衬管内半径，b为衬管外半径，σ_S1为套管的屈服强度，σ_S2为衬管材料的屈服强度；l为衬管长度，钻机对钻头的顶驱扭矩M_top，μ为衬管与套管之间的摩擦系数。

2、如权利要求1所述的一种钻井座挂衬管承受最大扭矩的设计方法，其特征在于：其中公式 $l\&GreaterEqual;\frac{M_{\mathrm{top}}}{2\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&mu;}{P}_{\mathrm{\&beta;}}{b}^2}$ 是基于力平衡原理推导而来，即钻机对钻头的顶驱扭矩M_top和衬管受到来自斜向器的扭矩为M_J大小相同方向相反，衬管外壁面积S＝2πbl，正压力N＝P_β·S，则摩擦力f：

f＝μN＝μP_βS＝2πblμP_β

由于M_J＝fb，则可得出衬管的临界长度，衬管的设计长度应≥临界长度，即

$l\&GreaterEqual;\frac{G}{2\mathrm{\&pi;b}\&CenterDot;\mathrm{\&mu;}{P}_{\mathrm{\&beta;}}}.$

3、如权利要求1或2所述的一种钻井座挂衬管承受最大扭矩的设计方法，其特征在于：所述内压P_i的取值区间是：P_β≤P_i<σ_s2。

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