CN112196515A - 一种复杂井眼轨迹气井套管磨损评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复杂井眼轨迹气井套管磨损评价方法，属于气藏钻完井领域。其技术方案为：收集整理研究气井的的静态资料、动态资料；建立三维空间下的套管磨损方程；基于能量守恒定律，建立套管磨损效率模型；利用上述所得套管最大磨损深度及磨损效率，结合套管磨损评价标准，进行套管磨损评价。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)考虑了钻柱速度、深度等因素，评价结果更贴合实际(2)流程简单，可操作性强；(3)两种评价参数结合，评价结果准确(4)适用范围广，可推广性强。

Description

一种复杂井眼轨迹气井套管磨损评价方法
技术领域
本发明涉及一种复杂井眼轨迹气井套管磨损评价方法，属于气藏钻完井领域。
背景技术
随着的钻井技术的飞速发展，在钻井过程中会遇到各种各样的复杂井，比如超深井、大斜度井以及水平井。对这一类型的复杂井钻井过程中，钻杆常常需要多层岩层，这些岩层的岩性以及压力都会随井深发变化，使得钻井的井下状况十分复杂，井眼通常是三维弯曲轨迹，变化较大，另外，这些复杂超深以及水平井中的钻杆长度非常大，外径反而很小以至于刚度小，使其在井下的钻井状态和受力非常复杂，由此会在深井等复杂井中造成长时间的钻井以及在三维弯曲井眼中钻杆以及钻杆接头与套管接触力变大等特点使得钻井过程中钻杆与套管内壁的磨损越来越严重的问题突出。三维弯曲井眼中的磨损套管的壁厚会减小很多，这样套管的抗挤毁能力以及抗内压能力会大幅度的降低，这些都会威肋、到套管的安全，导致油气井难以控制，甚至发生井下安全事故。套管被磨损后其强度降低会导致套管的承载能力降低，给后续井下作业以及后续作业带来巨大的影响，严重磨损时会导致井下套管变形甚至挤毁，造成油气的泄漏，造成巨大的资源损失。
经过充分调研，目前针对复杂井眼轨迹的研究极少，其方法使用有较大的局限性，本发明建立了一种考虑多种因素的一种复杂井眼轨迹气井套管磨损评价方法，用于常规气藏及非常规气藏的复杂井眼轨迹气井套管磨损评价。
发明内容
本发明的目的是：为了解决目前针对套管磨损的评价方发均存在不停程度的局限性，使用条件多，且评价结果误差大；为解决上述问题，本发明提供了一种套管最大磨损深度结合套管损害效率的综合评价方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种复杂井眼轨迹气井套管磨损评价方法所述方法包括以下步骤：
S100收集整理研究气井的的静态资料、动态资料，包括：摩擦系数、钻杆与套管内部接触力、钻进速度、钻进深度、套管材质、套管厚度、钻柱尺寸、钻杆与套管圆心距、三维弯曲磨损套管内径圆半径、三维弯曲磨损套管外径圆半径；
S200建立三维空间下的套管磨损方程；
所述套管磨损方程包括套管磨损面积计算方程、套管最大磨损深度方程，具体步骤为：
S201以套管中心为圆心建立二维直角坐标系；
S202根据建立坐标系推导套管磨损面积计算方程；
所述磨损面积计算方程为
Figure BDA0002771527960000021
其中，Aw为套管磨损面积，单位为mm2；r为钻柱外接圆半径，单位为mm；L为钻杆与套管圆心距，单位为mm；R为磨损套管内径圆半径，单位为mm；x为套管上任一点的X轴坐标，单位为mm；x1、x2为钻杆与套管接触两点的X轴坐标，单位为mm；acrsin代表三角函数中的反正弦函数；
S203结合所建直角坐标系推导套管最大磨损深度方程；
所述套管最大磨损深度方程为lz＝L+r-R，其中r为钻柱外接圆半径，单位为mm；L为钻杆与套管圆心距，单位为mm；R为磨损套管内径圆半径，单位为mm；S300基于能量守恒定律，建立套管磨损效率模型，具体分为以下步骤：
S301建立钻杆接头与套管内壁相对滑动距离方程；
所述钻杆接头与套管内壁相对滑动距离方程为
Figure BDA0002771527960000022
其中，Lt为钻杆接头与套管内壁相对滑动距离，单位为m；DZ为套管内径，单位为mm；ω为钻柱旋转角速度，单位为rad/s；S为钻进深度，单位为m；v为钻进速度，单位为m/h；
S302利用所得钻杆接头与套管内壁相对滑动距离，结合摩擦功公式，进行摩擦功计算；
所述摩擦功公式为WW＝μNLt，其中，N为钻杆同套管内壁接触力，单位为N；μ为摩擦系数，无量纲量；Ww为摩擦功，单位为J；
S303建立磨损所消耗摩擦功计算公式，计算磨损所消耗摩擦功，结合所得摩擦功，计算磨损效率；
所述磨损所消耗摩擦功计算公式为WU＝HB·V，其中，Wu为磨损所消耗摩擦功，单位为J；Hb为布氏硬度，单位为Pa；V为套管磨损体积，单位为mm3；
所述磨损效率计算公式为K＝WU/WW，其中，K为磨损效率，无量纲量；S400利用上述所得套管最大磨损深度及磨损效率，结合套管磨损评价标准，进行套管磨损评价。
上述的一种复杂井眼轨迹气井套管磨损评价方法，所述步骤S400中的套管磨损评价标准为，当套管最大磨损深度小于套管壁厚的1/5时，套管无损害或损害低；当套管最大磨损深度为套管壁厚的1/5至1/2时，套管损害中等；当套管最大磨损深度大于套管壁厚的1/2时，套管损害严重；K<0.1,套管无损害或损害低，0.1<K<0.5,套管中等损害，0.5<K,套管损害严重。
上述的一种复杂井眼轨迹气井套管磨损评价方法，所述评价方法针对常规气藏气井使用，但针对非常规气藏仍具有适用性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)考虑了钻柱速度、深度等因素，评价结果更贴合实际(2)流程简单，可操作性强；(3)两种评价参数结合，评价结果准确(4)适用范围广，可推广性强。
附图说明
在附图中：
图1是本方法技术路线图。
图2是钻柱与套管接触示意图。
图中：r为钻柱外接圆半径，单位为mm；L为钻杆与套管圆心距，单位为mm；R为磨损套管内径圆半径，单位为mm；x为套管上任一点的X轴坐标，单位为mm；x1、x2为钻杆与套管接触两点的X轴坐标，单位为mm；l为磨损深度，单位为mm。
具体实施方式
下面结合实施方式和附图对本发明做进一步说明：
一种复杂井眼轨迹气井套管磨损评价方法，其流程如图1所示，包括以下步骤：S100收集整理研究气井的的静态资料、动态资料，包括：摩擦系数、钻杆与套管内部接触力、钻进速度、钻进深度、套管材质、套管厚度、钻柱尺寸、钻杆与套管圆心距、三维弯曲磨损套管内径圆半径、三维弯曲磨损套管外径圆半径；
S200建立三维空间下的套管磨损方程；
进一步的，所述套管磨损方程包括套管磨损面积计算方程、套管最大磨损深度方程，具体步骤为：
S201以套管中心为圆心建立二维直角坐标系，如图2所示；
S202根据建立坐标系推导套管磨损面积计算方程；
进一步的，所述磨损面积计算方程为
Figure BDA0002771527960000041
其中，Aw为套管磨损面积，单位为mm2；r为钻柱外接圆半径，单位为mm；L为钻杆与套管圆心距，单位为mm；R为磨损套管内径圆半径，单位为mm；x为套管上任一点的X轴坐标，单位为mm；x1、x2为钻杆与套管接触两点的X轴坐标，单位为mm；acrsin代表三角函数中的反正弦函数；
S203结合所建直角坐标系推导套管最大磨损深度方程；
进一步的，所述套管最大磨损深度方程为lz＝L+r-R，其中r为钻柱外接圆半径，单位为mm；L为钻杆与套管圆心距，单位为mm；R为磨损套管内径圆半径，单位为mm；
S300基于能量守恒定律，建立套管磨损效率模型，具体分为以下步骤：
S301建立钻杆接头与套管内壁相对滑动距离方程；
进一步的，所述钻杆接头与套管内壁相对滑动距离方程为
Figure BDA0002771527960000042
其中，Lt为钻杆接头与套管内壁相对滑动距离，单位为m；DZ为套管内径，单位为mm；ω为钻柱旋转角速度，单位为rad/s；S为钻进深度，单位为m；v为钻进速度，单位为m/h；
S302利用所得钻杆接头与套管内壁相对滑动距离，结合摩擦功公式，进行摩擦功计算；
进一步的，所述摩擦功公式为WW＝μNLt，其中，N为钻杆同套管内壁接触力，单位为N；μ为摩擦系数，无量纲量；Ww为摩擦功，单位为J；
S303建立磨损所消耗摩擦功计算公式，计算磨损所消耗摩擦功，结合所得摩擦功，计算磨损效率；
进一步的，所述磨损所消耗摩擦功计算公式为WU＝HB·V，其中，Wu为磨损所消耗摩擦功，单位为J；Hb为布氏硬度，单位为Pa；V为套管磨损体积，单位为mm3；
进一步的，所述磨损效率计算公式为K＝WU/WW，其中，K为磨损效率，无量纲量；
S400利用上述所得套管最大磨损深度及磨损效率，结合套管磨损评价标准，进行套管磨损评价。
进一步的，所述步骤S400中的套管磨损评价标准为，当套管最大磨损深度小于套管壁厚的1/5时，套管无损害或损害低；当套管最大磨损深度为套管壁厚的1/5至1/2时，套管损害中等；当套管最大磨损深度大于套管壁厚的1/2时，套管损害严重；K<0.1,套管无损害或损害低，0.1<K<0.5,套管中等损害，0.5<K,套管损害严重。
进一步的，所述评价方法针对常规气藏气井使用，但针对非常规气藏仍具有适用性。
基于一种复杂井眼轨迹气井套管磨损评价方法，下面以A井为例进行该方法的进一步说明。
收集整理研究气井的的静态资料、动态资料，包括：摩擦系数、钻杆与套管内部接触力、钻进速度、钻进深度、套管材质、套管厚度、钻柱尺寸、钻杆与套管圆心距、三维弯曲磨损套管内径圆半径、三维弯曲磨损套管外径圆半径，详见表1。
表1
钻柱外接圆半径r 44.5 钻杆与套管圆心距L 27.5
磨损套管内径圆半径R 69.5 x<sub>1</sub>坐标 15.0
套管壁厚 11 x<sub>2</sub>坐标 15.0
钻进深度S 2400 钻柱旋转角速度ω 0.5
钻杆同套管内壁接触力N 765 套管直径D<sub>Z</sub> 139
摩擦系数μ 0.28 钻进速度v 10
利用套管最大磨损深度方程为lz＝L+r-R，计算得最大磨损深度为2.5mm；
根据磨损面积计算公式
Figure BDA0002771527960000051
结合接头与套管内壁相对滑动距离方程：
Figure BDA0002771527960000052
计算得到磨损体积V为：0.113m3。
结合摩擦功公式为WW＝μNLt，得摩擦功为11224.13J。
结合磨损所消耗摩擦功计算公式为WU＝HB·V，根据套管布氏硬度为20396Pa，计算得磨损所消耗摩擦功为2313.59J。
进一步根据磨损效率计算公式K＝WU/WW，计算得磨损效率为0.206。
根据评价标准，最大磨损深度为2.5mm介于壁厚的1/5至1/2间，磨损效率为0.206，0.1<0.206<0.5，综上，该套管中等损害。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)考虑了钻柱速度、深度等因素，评价结果更贴合实际(2)流程简单，可操作性强；(3)两种评价参数结合，评价结果准确(4)适用范围广，可推广性强。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种复杂井眼轨迹气井套管磨损评价方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S100收集整理研究气井的的静态资料、动态资料，包括：摩擦系数、钻杆与套管内部接触力、钻进速度、钻进深度、套管材质、套管厚度、钻柱尺寸、钻杆与套管圆心距、三维弯曲磨损套管内径圆半径、三维弯曲磨损套管外径圆半径；
S200建立三维空间下的套管磨损方程；
所述套管磨损方程包括套管磨损面积计算方程、套管最大磨损深度方程，具体步骤为：
S201以套管中心为圆心建立二维直角坐标系；
S202根据建立坐标系推导套管磨损面积计算方程；
所述磨损面积计算方程为
Figure FDA0002771527950000011
其中，Aw为套管磨损面积，单位为mm2；r为钻柱外接圆半径，单位为mm；L为钻杆与套管圆心距，单位为mm；R为磨损套管内径圆半径，单位为mm；x为套管上任一点的X轴坐标，单位为mm；x1、x2为钻杆与套管接触两点的X轴坐标，单位为mm；acrsin代表三角函数中的反正弦函数；
S203结合所建直角坐标系推导套管最大磨损深度方程；
所述套管最大磨损深度方程为lz＝L+r-R，其中r为钻柱外接圆半径，单位为mm；L为钻杆与套管圆心距，单位为mm；R为磨损套管内径圆半径，单位为mm；
S300基于能量守恒定律，建立套管磨损效率模型，具体分为以下步骤：
S301建立钻杆接头与套管内壁相对滑动距离方程；
所述钻杆接头与套管内壁相对滑动距离方程为
Figure FDA0002771527950000012
其中，Lt为钻杆接头与套管内壁相对滑动距离，单位为m；DZ为套管内径，单位为mm；ω为钻柱旋转角速度，单位为rad/s；S为钻进深度，单位为m；v为钻进速度，单位为m/h；
S302利用所得钻杆接头与套管内壁相对滑动距离，结合摩擦功公式，进行摩擦功计算；
所述摩擦功公式为WW＝μNLt，其中，N为钻杆同套管内壁接触力，单位为N；μ为摩擦系数，无量纲量；Ww为摩擦功，单位为J；
S303建立磨损所消耗摩擦功计算公式，计算磨损所消耗摩擦功，结合所得摩擦功，计算磨损效率；
所述磨损所消耗摩擦功计算公式为WU＝HB·V，其中，Wu为磨损所消耗摩擦功，单位为J；Hb为布氏硬度，单位为Pa；V为套管磨损体积，单位为mm3；
所述磨损效率计算公式为K＝WU/WW，其中，K为磨损效率，无量纲量；
S400利用上述所得套管最大磨损深度及磨损效率，结合套管磨损评价标准，进行套管磨损评价。
2.根据权利要求1所述的一种复杂井眼轨迹气井套管磨损评价方法，其特征在于：所述步骤S400中的套管磨损评价标准为，当套管最大磨损深度小于套管壁厚的1/5时，套管无损害或损害低；当套管最大磨损深度为套管壁厚的1/5至1/2时，套管损害中等；当套管最大磨损深度大于套管壁厚的1/2时，套管损害严重；K<0.1,套管无损害或损害低，0.1<K<0.5,套管中等损害，0.5<K,套管损害严重。
3.根据权利要求1所述的一种复杂井眼轨迹气井套管磨损评价方法，其特征在于：所述评价方法针对常规气藏气井使用，但针对非常规气藏仍具有适用性。
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