CN117390759B - 一种井下工具在井眼中下入可行性分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程领域，公开了一种井下工具在井眼中下入可行性分析方法及系统，包括：将管柱组合上的单个或多个井下工具进行几何特征分析，根据井下工具的外半径、内半径以及井下工具在管柱组合上的间距形成井下工具分析单元；基于井下工具分析单元结合目标井段的井身结构与井眼形态，分别建立井眼间隙约束条件、弯曲井眼刚性约束条件以及弯曲井眼稳定性约束条件；若井下工具分析单元同时满足三个约束条件，则井下工具满足下入至预定井深的条件，否则就不具备下入至预定井深的条件。通过本发明，可以解决了作业人员没有成系统的量化方法来开展井下工具在井眼中下入可行性分析的问题。

Description

一种井下工具在井眼中下入可行性分析方法及系统

技术领域

本发明涉及工程领域，具体是一种井下工具在井眼中下入可行性分析方法及系统。

背景技术

井下工具与井下管柱是油气资源开采过程中必不可少的装备。井下管柱由钻杆、油管、套管、连续油管等不同类型管材构成，井下管柱与井下工具相结合构成具备一定功能的管柱组合，人们利用不同管柱组合来完成油气资源开采过程中各施工阶段的任务。比如在钻进阶段采用钻杆配合下部工具组合（钻头、旋转导向装置、扶正器等不同钻井工具）来钻出从地面到油气资源储层的井眼，在完井阶段采用油管配合井下安全阀与完井封隔器等井下工具构建出安全的油气资源开采通道。但从地面到油气资源储层的井眼长达几千上万米，各阶段施工能够顺利开展的前提是能够将管柱组合下入至预定井深。但井下工具外径一般高于所连接管柱外径以及刚性较强，且内部机构较复杂，使其在下入过程中易受井眼形态或阻力的扰动而出现结构失稳，甚至导致井下工具功能失效而无法完成预定作业任务。而目前还缺乏一种井下工具在井眼中下入可行性分析方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种井下工具在井眼中下入可行性分析方法，包括如下过程：

步骤一，将管柱组合上的单个或多个井下工具进行几何特征分析，根据井下工具的外半径、内半径以及井下工具在管柱组合上的间距形成井下工具分析单元；

步骤二，基于井下工具分析单元结合目标井段的井身结构与井眼形态，分别建立井眼间隙约束条件、弯曲井眼刚性约束条件以及弯曲井眼稳定性约束条件；

步骤三，根据得到的井眼间隙约束条件、弯曲井眼刚性约束条件以及弯曲井眼稳定性约束条件开展分析，若井下工具分析单元同时满足三个约束条件，则井下工具满足下入至预定井深的条件，否则就不具备下入至预定井深的条件。

进一步的，所述的将管柱组合上的单个或多个井下工具进行几何特征分析，根据井下工具的外半径、内半径以及井下工具在管柱组合上的间距形成井下工具分析单元，包括：

记录管柱与井下工具形成的管柱组合结构，包括每种管柱与井下工具的外半径、内半径以及长度；目标井段井身结构，包括不同规格井眼的内半径以及长度；目标井段井眼轨迹，包括不同测点下对应的井深、井斜角、方位角；

若有多个井下工具通过管柱串联在一起，且间距小于设定的距离，则视为一个井下工具分析单元；若多个井下工具中某个井下工具的外径、内径以及长度与其余井下工具不同或与其余井下工具间隔大于设定距离，则该井下工具视为一个井下分析单元。

进一步的，所述的基于井下工具分析单元结合目标井段的井身结构与井眼形态，分别建立井眼间隙约束条件、弯曲井眼刚性约束条件以及弯曲井眼稳定性约束条件，包括：

建立井眼间隙约束条件，设定井眼间隙约束目标值R _β ，R _β 是用于约束目标井段的井眼内半径与井下工具分析单元外半径之间的差值，若目标井段的井眼内半径有多个规格，若每种规格的井眼内半径与井下工具分析单元外半径之间的差值同时小于等于R _β ；

建立弯曲井眼刚性约束条件，设L _λ 是用于约束井下工具分析单元在不同曲率半径的弯曲井眼中可刚性通过的最短长度，根据井下工具分析单元的几何特征参数与弯曲井眼的曲率半径L _λ 为：

L _λ = 4*( (r _w -r _t ) * (R _w - (r _w -r _t )))，其中r _w 为目标井段井眼内半径，R _w 为目标井段弯曲井眼曲率半径；r _t 为井下工具外半径；

建立弯曲井眼稳定性约束条件，设F _cr 是用于约束井下工具分析单元在不同曲率半径的弯曲井眼中可接受的最大遇阻力，井下工具分析单元受到的遇阻力超过F _cr 就会使井下工具分析单元在弯曲井眼内就会产生不稳定变形。

进一步的，采用如下步骤得到F _cr ：

步骤1：井下工具分析单元在初始状态时，只有两端AB与井眼接触，采用Timoshenko的梁柱模型得AB段挠度的通解方程式：

式中，k= (F _c /EI)^(0.5)，为刚度系数，F _c 为轴向压缩载荷，/>为未知系数，Ａ为井下工具分析单元的一端，Ｂ为井下工具分析单元的另一端；y _AB 代表井下工具的挠度，在求解坐标系下用y即纵轴度量，x代表求解坐标系下的横轴坐标；边界条件为：

其中L为井下工具长度，k _c 为井眼曲率，为：

为：

其中，d _e 为井下工具的偏心距，r _s 为井下工具的内半径；

步骤2：井下工具分析单元在多点接触状态时，与井眼产生多个接触点，设井下工具分析单元的挠度曲线上共个接触点，接触点在/>轴上的坐标为/>，按接触点数量将挠度曲线分为/>段悬挂段，得到悬挂段挠度的通解为：

其中的系数c _i 代表方程的未知系数，下标i表示所有方程中的第几个未知系数。未知系数共有4(n-1)个，根据接触点的连续条件可得到2(n-2)个方程：

根据挠度曲线的边界条件可得到2个方程：

根据挠度曲线上各接触点在轴坐标可得到/>个方程：

若式成立，井下工具分析单元与井眼产生新的接触点，其中Max[]函数是指在各悬挂段计算出来的挠度最大值，将新接触点添加到已有接触点中，重新计算各接触点之间悬管段的挠度，直到无新接触点产生；

步骤3：将F _c 设置一个变化范围，0 ~F _crlim ，F _crlim 为该范围内的最大值，将F _c 在设置的范围内按照设定步长取值，按照步骤1与步骤2将每个F _c 代入计算，当轴向压缩载荷取值使井下工具分析单元进入多点接触状态时，采用式：

判断每次计算后的结果，如果上式成立满足，则井下工具分析单元进入不稳定变形状态，则保存对应的F _c 值，该值就是F _cr 。

进一步的，所述的根据得到的井眼间隙约束条件、弯曲井眼刚性约束条件以及弯曲井眼稳定性约束条件开展分析，若井下工具分析单元同时满足三个约束条件，则井下工具满足下入至预定井深的条件，否则就不具备下入至预定井深的条件，包括：

S1，采用井下工具分析单元、目标井段井身结构以及井眼轨迹的数据根据井眼间隙约束条件进行分析，若井下工具分析单元与目标井段井眼间隙的差值小于等于计算出的约束值，则进入S2，否则井下工具不满足可下入性；

S2，采用井下工具分析单元、目标井段井身结构以及井眼轨迹根据弯曲井眼刚性约束条件进行分析，若井下工具分析单元的长度小于等于约束图版中对应目标井段井眼内半径与曲率半径条件下对井下工具长度的约束值，则进入Ｓ３，否则井下工具不满足可下入性条件；

Ｓ３，采用井下工具分析单元、目标井段井身结构以及井眼轨迹的数据根据弯曲井眼稳定性约束条件进行分析，若井下工具分析单元受到的阻力小于等于约束图版中对应目标井段井眼曲率条件下对井下工具遇阻力的约束值，则井下工具满足可下入性要求，否则井下工具不满足可下入性条件。

一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析，应用所述的一种井下工具在井眼中下入可行性分析方法。

本发明的有益效果是：本发明解决了作业人员没有成系统的量化方法来开展井下工具在井眼中下入可行性分析的难题。因此，利用本发明提供的方法为作业人员对井下工具可下入性开展高效系统的分析提供了手段，基于分析结果作业人员可做出更合理的施工决策，提高现场作业的成功率。

附图说明

图１为一种井下工具在井眼中下入可行性分析方法；

图2 为本发明方法所涉及的下入可行性分析流程示意图；

图3 为本发明方法所涉及的井下工具生成井下工具分析单元示意图；

图4 为本发明方法所涉及的井下工具分析单元横截面示意图；

图5 为本发明方法所涉及的弯曲井眼刚性约束条件图版示意图；

图6 为本发明方法所涉及的井下工具分析单元在弯曲井眼内状态变化示意图；

图7 为本发明方法所涉及的弯曲井眼稳定性约束条件图版示意图；

图8 为本发明方法所涉及的井下工具分析单元在两点接触状态下挠度曲线示意图；

图9 为本发明方法所涉及的井下工具分析单元在多接触状态下挠度曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1所示，一种井下工具在井眼中下入可行性分析方法，包括如下过程：

步骤一，将管柱组合上的单个或多个井下工具进行几何特征分析，根据井下工具的外半径、内半径以及井下工具在管柱组合上的间距形成井下工具分析单元；

步骤二，基于井下工具分析单元结合目标井段的井身结构与井眼形态，分别建立井眼间隙约束条件、弯曲井眼刚性约束条件以及弯曲井眼稳定性约束条件；

步骤三，根据得到的井眼间隙约束条件、弯曲井眼刚性约束条件以及弯曲井眼稳定性约束条件开展分析，若井下工具分析单元同时满足三个约束条件，则井下工具满足下入至预定井深的条件，否则就不具备下入至预定井深的条件。

所述的将管柱组合上的单个或多个井下工具进行几何特征分析，根据井下工具的外半径、内半径以及井下工具在管柱组合上的间距形成井下工具分析单元，包括：

记录管柱与井下工具形成的管柱组合结构，包括每种管柱与井下工具的外半径、内半径以及长度；目标井段井身结构，包括不同规格井眼的内半径以及长度；目标井段井眼轨迹，包括不同测点下对应的井深、井斜角、方位角；

若有多个井下工具通过管柱串联在一起，且间距小于设定的距离，则视为一个井下工具分析单元；若多个井下工具中某个井下工具的外径、内径以及长度与其余井下工具不同或与其余井下工具间隔大于设定距离，则该井下工具视为一个井下分析单元。

所述的基于井下工具分析单元结合目标井段的井身结构与井眼形态，分别建立井眼间隙约束条件、弯曲井眼刚性约束条件以及弯曲井眼稳定性约束条件，包括：

建立井眼间隙约束条件，设定井眼间隙约束目标值R _β ，R _β 是用于约束目标井段的井眼内半径与井下工具分析单元外半径之间的差值，若目标井段的井眼内半径有多个规格，则每种规格的井眼内半径与井下工具分析单元外半径之间的差值同时小于等于R _β ；

建立弯曲井眼刚性约束条件，设L _λ 是用于约束井下工具分析单元在不同曲率半径的弯曲井眼中可刚性通过的最短长度，根据井下工具分析单元的几何特征参数与弯曲井眼的曲率半径L _λ 为：

L _λ = 4*( (r _w -r _t ) * (R _w - (r _w -r _t )))，其中r _w 为目标井段井眼内半径，R _w 为目标井段弯曲井眼曲率半径；r _t 为井下工具外半径

建立弯曲井眼稳定性约束条件，设F _cr 是用于约束井下工具分析单元在不同曲率半径的弯曲井眼中可接受的最大遇阻力，井下工具分析单元受到的遇阻力超过F _cr 就会使井下工具分析单元在弯曲井眼内就会产生不稳定变形。

进一步的，采用如下步骤得到F _cr ：

步骤1：井下工具分析单元在初始状态时，只有两端AB与井眼接触，采用Timoshenko的梁柱模型得AB段挠度的通解方程式：

式中，k= (F _c /EI)^(0.5)，EI为刚度系数，F _c 为轴向压缩载荷， 为未知系数，Ａ为井下工具分析单元的一端，Ｂ为井下工具分析单元的另一端，y _AB 代表井下工具的挠度，在求解坐标系下用y即纵轴度量，x代表求解坐标系下的横轴坐标；边界条件为：

其中L为井下工具长度，k _c 为井眼曲率，为：

为：

其中，d _e 为井下工具的偏心距，r _s 为井下工具的内半径；

步骤2：井下工具分析单元在多点接触状态时，与井眼产生多个接触点，设井下工具分析单元的挠度曲线上共个接触点，接触点在/>轴上的坐标为/>，按接触点数量将挠度曲线分为/>段悬挂段，得到悬挂段挠度的通解为：

其中的系数c _i 代表方程的未知系数，下标i表示所有方程中的第几个未知系数。未知系数共有4(n-1)个，根据接触点的连续条件可得到2(n-2)个方程：

根据挠度曲线的边界条件可得到2个方程：

根据挠度曲线上各接触点在轴坐标可得到/>个方程：

若式成立，井下工具分析单元与井眼产生新的接触点，其中Max[]函数是指在各悬挂段计算出来的挠度最大值，将新接触点添加到已有接触点中，重新计算各接触点之间悬管段的挠度，直到无新接触点产生；

步骤3：将F _c 设置一个变化范围，0 ~F _crlim ，F _crlim 为该范围内的最大值，将F _c 在设置的范围内按照设定步长取值，按照步骤1与步骤2将每个F _c 代入计算，当轴向压缩载荷取值使井下工具分析单元进入多点接触状态时，采用式：

判断每次计算后的结果，如果上式成立满足，则井下工具分析单元进入不稳定变形状态，则保存对应的F _c 值，该值就是F _cr 。

进一步的，所述的根据得到的井眼间隙约束条件、弯曲井眼刚性约束条件以及弯曲井眼稳定性约束条件开展分析，若井下工具分析单元同时满足三个约束条件，则井下工具满足下入至预定井深的条件，否则就不具备下入至预定井深的条件，包括：

S1，采用井下工具分析单元、目标井段井身结构以及井眼轨迹的数据根据井眼间隙约束条件进行分析，若井下工具分析单元与目标井段井眼间隙的差值小于等于计算出的约束值，则进入S2，否则井下工具不满足可下入性；

S2，采用井下工具分析单元、目标井段井身结构以及井眼轨迹根据弯曲井眼刚性约束条件进行分析，若井下工具分析单元的长度小于等于约束图版中对应目标井段井眼内半径与曲率半径条件下对井下工具长度的约束值，则进入Ｓ３，否则井下工具不满足可下入性条件；

Ｓ３，采用井下工具分析单元、目标井段井身结构以及井眼轨迹的数据根据弯曲井眼稳定性约束条件进行分析，若井下工具分析单元受到的阻力小于等于约束图版中对应目标井段井眼曲率条件下对井下工具遇阻力的约束值，则井下工具满足可下入性要求，否则井下工具不满足可下入性条件。

一种连续油管在水平井眼极限延伸距离的分析，应用所述的一种井下工具在井眼中下入可行性分析方法。

具体的，一种井下工具在井眼中下入可行性分析方法，以便现场工程师能够根据分析结果及时调整井下工具参数或已有管柱组合方式，从而能够确保井下工具能够下入到预定井深，顺利开展后续的作业任务。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于井下工具在井眼中下入可行性分析方法，首先将管柱组合上的单个或多个井下工具进行几何特征分析，根据其外半径、内半径以及多工具在管柱组合上的间距形成井下工具分析单元，接着基于该井下工具分析单元并结合目标井段的井身结构与井眼形态，分别建立井眼间隙约束条件、弯曲井眼刚性约束条件、以及弯曲井眼稳定性约束条件，随后基于这三个约束条件开展分析，若井下工具分析单元同时满足这三个约束条件，那么井下工具就具备可以下入至预定井深的条件，否则就不具备下入至预定井深的条件，这就指导作业人员继续调整工具参数或管柱组合方式，再开展分析，直到井下工具满足下入可行性的条件。井下工具满足下入可行性的分析流程如图2所示。

本发明需要记录管柱与井下工具形成的管柱组合结构（包括每种管柱与井下工具的外半径，内半径以及长度）、目标井段井身结构（不同规格井眼的内半径以及长度）、目标井段井眼轨迹（不同测点下对应的井深、井斜角、方位角）。对于需要下入管柱组合的井，目标井段是指该井从其地面井口到井下工具预计下入井深之间的井段。

在管柱组合上分析井下工具的几何特征，若有多个井下工具通过管柱串联在一起，以及彼此间距较小（小于等于15m，或由作业人员自定义），那么可以视为一个井下工具分析单元，若某个井下工具的外径、内径以及长度明显区别于其余井下工具或与其余井下工具间隔较大（大于15m，或由作业人员自定义），那么这个单独的井下工具可视为一个井下分析单元。井下工具分析单元用一根偏心圆管来表征。将井下工具分析单元的外半径等同于井下工具最大外半径，若有多个井下工具组成的分析单元，那么井下工具分析单元的最大外半径等同于多个井下工具中的最大外半径；将井下工具分析单元的内半径等同于的井下工具最小内半径，若有多个井下工具组成的分析单元，那么该分析单元的内径等同于多个井下工具中的最小内半径；若井下工具中具有偏心特征，那么井下工具分析单元的偏心距就等同于井下工具中的最大偏心距。分析完成后，得到偏心圆管的几何特征参数为：长度L，偏心距d _e ，外半径r _t ，内半径r _s ，若偏心距d _e 等于0，那么井下工具分析单元为一根同心圆管。井下工具生成井下工具分析单元的示意图见图3，表征井下工具分析单元的偏心圆管横截面示意图见图4。

建立井眼间隙约束条件。设定井眼间隙约束目标值R _β 。R _β 是用于约束目标井段的井眼内半径与井下工具分析单元外半径之间的差值，即该差值必须小于等于R _β 。若目标井段的井眼内半径有多个规格，那么每种规格的井眼内半径与井下工具分析单元外半径之间的差值必须同时小于等于R _β 。R _β 可由作业人员根据施工经验设定或由井下工具生产厂家提供。

建立弯曲井眼刚性约束条件，用图版表示。设L _λ 是用于约束井下工具分析单元在不同曲率半径的弯曲井眼中可刚性通过的最短长度，因此井下工具分析单元的长度要小于等于L _λ 。根据井下工具分析单元的几何特征参数与弯曲井眼的曲率半径可采取下列公式进行计算：L _λ = 4*( (r _w -r _t ) * (R _w - (r _w -r _t )))，其中r _w 为目标井段井眼内半径，R _w 为目标井段弯曲井眼曲率半径，曲率半径可采用两测点之间的井段长度、井斜角以及方位角计算，计算方式采用最小曲率法。由于目标井段可能有多种规格的井眼内半径与弯曲井眼曲率半径，因此，采用基于范围的方式来计算生成弯曲井眼刚性约束条件图版，图版采用等高线图的表现形式，图版中不同填充颜色代表不同的L _λ 值。弯曲井眼刚性约束条件图版示意图见图5。

建立弯曲井眼稳定性约束条件，用图版表示。设F _cr 是用于约束井下工具分析单元在不同曲率半径的弯曲井眼中可接受的最大遇阻力，井下工具分析单元受到的遇阻力超过F _cr 就会使其在弯曲井眼内就会产生不稳定变形，因此井下工具在下入过程中受到的阻力要小于等于F _cr 。井下工具在下入过程中受到的阻力值大小可由作业人员根据经验估计，也可以采用成熟的商业软件进行预测，或者由作业人员根据在目标井段中已施工管柱的遇阻情况进行设定。不稳定变形状态是指井下工具分析单位在弯曲井眼内发生了如图6所示的状态变化，当井下工具分析单元中间部分与井眼发生连续接触，而两端上翘时，井下工具分析单元进入不稳定变形状态。由于目标井段可能有多个弯曲井眼曲率k _c ，以及井下工具存在偏心距d _e ，因此采用基于范围的方式来计算生成弯曲井眼稳定性约束条件图版，图版中不同填充颜色代表不同的F _cr 值。井眼曲率k _c 为曲率半径的倒数，将前面已计算的曲率半径进行换算就可以得到井眼曲率。弯曲井眼稳定性约束条件图版示意图见图7，图版中井眼曲率用石油天然气行业常用单位°/30m。

为了计算F _cr ，将井下工具分析单位视作首先在弯曲井眼为两端接触，井下工具两端之间为悬挂状态，遇阻力视为井下工具分析单位受到的轴向压缩载荷F _c 。在轴向压缩载荷F _c 作用下，悬挂段会产生一定的挠度，当挠度达到一定值后悬挂段中点就会与井眼首先接触，那么悬挂段分为了两段；随着轴向压缩载荷F _c 的增加，悬挂段会变为多段，井下工具分析单元变为多点接触状态，当轴向压缩载荷F _c 达到一定值时，某个接触点对应的接触力会发生反向，井下工具分析单元进入不稳定变形状态，这时的轴向压缩载荷F _c 就是F _cr 。基于上述描述，可采用下列步骤计算F _cr ：

步骤1：井下工具分析单元在初始状态时，只有两端AB与井眼接触，其挠度曲线示意图如图7所示，采用Timoshenko的梁柱模型得AB段挠度的通解方程式：

式中，/>为刚度系数，F _c 为轴向压缩载荷，/>为未知系数。根据图8可得方程的边界条件为如下4个等式：

（４）

其中k _c 为井眼曲率，用式（4）计算：

用式（5）计算：

求解式（2）与式（3）就可得到系数，将系数带入式（1）就可得到井下工具分析单元在两端接触状态下的挠度。随着轴向压缩载荷F _c 继续增加，图8中C点挠度会与井眼接触，如果式（6）成立，说明井下工具分析单元进入到多点接触状态，转入（2）进行计算。

步骤2：井下工具分析单元在多点接触状态时，会与井眼产生多个接触点，其挠度曲线示意图如图9所示，设挠度曲线上共个接触点，接触点在/>轴上的坐标为/>，按接触点数量可将挠度曲线分为/>段悬挂段，根据式（1）得到悬挂段挠度的通解为：

（7）

式（7）中的未知系数共有/>个，根据示意图9可得接触点的连续条件与挠度曲线的边界条件，根据连续条件可得到/>个方程：

（8）

（9）

根据边界条件可得到2个方程：

/>（10）

根据挠度曲线上各接触点在轴坐标可得到/>个方程：

（11）

通过式（8）~式（11）可得到个方程求解出未知系数/>，求解未知系数后代入式（7）可得到井下工具分析单元在多点接触状态下的挠度。由于井下工具分析单元是受井眼约束的，因此求解后还需要利用判断悬挂段的挠度是否与井眼接触。如果式（12）成立，那么井下工具分析单元会与井眼产生新的接触点：

（12）

式（12）中Max[]函数是指在各悬挂段计算出来的挠度最大值。将新接触点添加到已有接触点中，重新计算各接触点之间悬管段的挠度，直到无新接触点产生。

步骤3：将F _c 设置一个变化范围，0 ~F _crlim ，F _crlim 为该范围内的最大值。将F _c 在设置的范围内按照一定步长取值，按照步骤1与步骤2介绍的方法将每个F _c 代入计算，当轴向压缩载荷取值使井下工具分析单元进入多点接触状态时，采用式（13）判断每次计算后的结果，如果式（13）满足，那么井下工具分析单元进入不稳定变形状态，则保存对应的F _c 值，该值就是F _cr 。

（13）

采用井下工具分析单元、目标井段井身结构以及井眼轨迹的数据针对第一个约束条件进行分析，即井下工具分析单元与目标井段井眼间隙的差值要小于等于计算出的约束值，如果满足就进入第二个约束条件的分析，否则井下工具不满足可下入性。

采用井下工具分析单元、目标井段井身结构以及井眼轨迹针对第二个约束条件进行分析，即井下工具分析单元的长度要小于等于约束图版中对应目标井段井眼内半径与曲率半径条件下对井下工具长度的约束值。如果满足就进入第三个约束条件的分析，否则井下工具不满足可下入性条件。其中，井眼两个测点之间的曲率半径可采用如下公式计算：

采用井下工具分析单元、目标井段井身结构以及井眼轨迹的数据针对第三个约束条件进行分析，即井下工具分析单元受到的阻力要小于等于约束图版中对应目标井段井眼曲率条件下对井下工具遇阻力的约束值。如果满足，则井下工具满足可下入性要求，否则井下工具不满足可下入性条件

实施例提供了一种井下工具在井眼中下入可行性分析方法，具体步骤如下：

步骤1：记录管柱与井下工具形成的管柱组合结构（包括每种管柱与井下工具的外半径，内半径以及长度）、目标井段井身结构（不同规格井眼的内半径以及长度）、目标井段井眼轨迹。对于需要下入管柱组合的井，目标井段是指该井从其地面井口到井下工具预计下入井深之间的井段。

步骤2：在管柱组合上分析井下工具的几何特征，若有多个井下工具通过管柱串联在一起，以及彼此间距较小（小于等于15m，或由作业人员自定义），那么可以视为一个井下工具分析单元，若某个井下工具的外径、内径以及长度明显区别于其余井下工具或与其余井下工具间隔较大（大于15m，或由作业人员自定义），那么这个单独的井下工具可视为一个井下分析单元。井下工具分析单元用一根偏心圆管来表征。将井下工具分析单元的外半径等同于井下工具最大外半径，若有多个井下工具组成的分析单元，那么井下工具分析单元的最大外半径等同于多个井下工具中的最大外半径；将井下工具分析单元的内半径等同于的井下工具最小内半径，若有多个井下工具组成的分析单元，那么该分析单元的内径等同于多个井下工具中的最小内半径；若井下工具中具有偏心特征，那么井下工具分析单元的偏心距就等同于井下工具中的最大偏心距。分析完成后，得到偏心圆管的几何特征参数为：长度L，偏心距d _e ，外半径r _t ，内半径r _s ，若偏心距d _e 等于0，那么井下工具分析单元为一根同心圆管。

步骤3：建立井眼间隙约束条件。设定井眼间隙约束目标值R _β 。R _β 是用于约束目标井段的井眼内半径与井下工具分析单元外半径之间的差值，即该差值必须小于等于R _β 。若目标井段的井眼内半径有多个规格，那么每种规格的井眼内半径与井下工具分析单元外半径之间的差值必须同时小于等于R _β 。R _β 可由作业人员根据施工经验设定或由井下工具生产厂家提供。

步骤4：建立弯曲井眼刚性约束条件，用图版表示。设L _λ 是用于约束井下工具分析单元在不同曲率半径的弯曲井眼中可刚性通过的最短长度，因此井下工具分析单元的长度要小于等于L _λ 。根据井下工具分析单元的几何特征参数与弯曲井眼的曲率半径可采取下列公式进行计算：L _λ = 4*( (r _w -r _t ) * (R _w - (r _w -r _t )))，其中r _w 为目标井段井眼内半径，R _w 为目标井段弯曲井眼曲率半径。由于目标井段可能有多种规格的井眼内半径与弯曲井眼曲率半径，因此，采用基于范围的方式来计算生成弯曲井眼刚性约束条件图版，图版采用等高线图的表现形式，图版中不同填充颜色代表不同的L _λ 值。

步骤5：建立弯曲井眼稳定性约束条件，用图版表示。设F _cr 是用于约束井下工具分析单元在不同曲率半径的弯曲井眼中可接受的最大遇阻力，井下工具分析单元受到的遇阻力超过F _cr 就会使其在弯曲井眼内就会产生不稳定变形，因此井下工具在下入过程中受到的阻力要小于等于F _cr 。井下工具在下入过程中受到的阻力值大小可由作业人员根据经验估计，也可以采用成熟的商业软件进行预测，或者由作业人员根据在目标井段中已施工管柱的遇阻情况进行设定。不稳定变形状态是指井下工具分析单位在弯曲井眼内发生了如图6所示的状态变化，当井下工具分析单元中间部分与井眼发生连续接触，而两端上翘时，井下工具分析单元进入不稳定变形状态。由于目标井段可能有多个弯曲井眼曲率k _c ，以及井下工具存在偏心距d _e ，因此采用基于范围的方式来计算生成弯曲井眼稳定性约束条件图版，图版中不同填充颜色代表不同的F _cr 值。

步骤6：将井下工具分析单位视作首先在弯曲井眼为两端接触，井下工具两端之间为悬挂状态，遇阻力视为井下工具分析单位受到的轴向压缩载荷F _c 。在轴向压缩载荷F _c 作用下，悬挂段会产生一定的挠度，当挠度达到一定值后悬挂段中点就会与井眼首先接触，那么悬挂段分为了两段；随着轴向压缩载荷F _c 的增加，悬挂段会变为多段，井下工具分析单元变为多点接触状态，当轴向压缩载荷F _c 达到一定值时，某个接触点对应的接触力会发生反向，井下工具分析单元进入不稳定变形状态，这时的轴向压缩载荷F _c 就是F _cr 。

以下结合具体实例，来对实施例进一步阐述。

第一步：记录目标井段的井眼轨迹，如表1所示，包括井深，井斜角，方位角。表2为目标井段的井身结构表，表3为管柱组合表。在表2与表3中，半径值就等于直径值除以2。

表1 井眼轨迹表

表2 井身结构表

表3 管柱组合表

第二步：根据管柱组合表，生成井下工具分析单元，从两个井下工具间距为10m，因此将两个井下工具合并为一个井下工具分析单元，长度取井下工具1+连接油管+井下工具2，共12m，外直径取最大外径，为147mm，内直径取最小内直径，为73mm，偏心距取最大偏心距，为2mm。

第三步：设定井眼间隙约束目标值R _β = 6mm。

第四步：建立弯曲井眼刚性约束条件的图版，根据表1可得从井口到井下工具预计下入深度2021m之间最小井眼曲率半径为457m，从表2可得井眼内径有两种规格，分别为175mm与155mm，那么取弯曲井眼曲率半径范围为450m ~ 600m，井眼内直径为155mm ~175mm，计算出的图版如图9所示。

第五步：建立弯曲井眼稳定性约束条件图版，根据表1可得从井口到井下工具预计下入深度2021m之间最高井眼曲率为3.8°/30m，井下工具偏心距为2mm，那么取弯曲井眼曲率范围为1 °/30m ~ 4 °/30m，偏心距范围为1 mm ~ 4 mm。

第六步：基于三个约束条件开展分析，针对第一个约束条件，井下工具分析单元的外直径为147mm，与表2所示的目标井段井眼内直径的间隙分别为28mm与8mm，满足该约束条件要求的6mm。

第七步：针对第二个约束条件，井下工具分析单元长度为12m，小于图9中的最小值15m，满足该约束条件。

第八步：针对第三个约束条件，预计井下工具在下入过程中受到的最大阻力为50kN。根据井下工具分析单位偏心值2mm，对应值最低都高于100kN，那么井下工具在下入过程中受到的最大阻力是小于图版显示出的最低值，因此满足该约束条件。

第九步：三个约束条件都满足，该井下工具在目标井段可以下入至预计井深

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种井下工具在井眼中下入可行性分析方法，其特征在于，包括如下过程：

步骤一，将管柱组合上的单个或多个井下工具进行几何特征分析，根据井下工具的外半径、内半径以及井下工具在管柱组合上的间距形成井下工具分析单元；

步骤二，基于井下工具分析单元结合目标井段的井身结构与井眼形态，分别建立井眼间隙约束条件、弯曲井眼刚性约束条件以及弯曲井眼稳定性约束条件；

步骤三，根据得到的井眼间隙约束条件、弯曲井眼刚性约束条件以及弯曲井眼稳定性约束条件开展分析，若井下工具分析单元同时满足三个约束条件，则井下工具满足下入至预定井深的条件，否则就不具备下入至预定井深的条件；

所述的基于井下工具分析单元结合目标井段的井身结构与井眼形态，分别建立井眼间隙约束条件、弯曲井眼刚性约束条件以及弯曲井眼稳定性约束条件，包括：

建立井眼间隙约束条件，设定井眼间隙约束目标值R _β ，R _β 是用于约束目标井段的井眼内半径与井下工具分析单元外半径之间的差值，若目标井段的井眼内半径有多个规格，若每种规格的井眼内半径与井下工具分析单元外半径之间的差值同时小于等于R _β ；

建立弯曲井眼刚性约束条件，设L _λ 是用于约束井下工具分析单元在不同曲率半径的弯曲井眼中可刚性通过的最短长度，根据井下工具分析单元的几何特征参数与弯曲井眼的曲率半径L _λ 为：

L _λ = 4*( (r _w -r _t ) * (R _w - (r _w - r _t )))，其中r _w 为目标井段井眼内半径，R _w 为目标井段弯曲井眼曲率半径；

建立弯曲井眼稳定性约束条件，设F _cr 是用于约束井下工具分析单元在不同曲率半径的弯曲井眼中可接受的最大遇阻力，井下工具分析单元受到的遇阻力超过F _cr 就会使井下工具分析单元在弯曲井眼内就会产生不稳定变形。

2.根据权利要求1所述的一种井下工具在井眼中下入可行性分析方法，其特征在于，所述的将管柱组合上的单个或多个井下工具进行几何特征分析，根据井下工具的外半径、内半径以及井下工具在管柱组合上的间距形成井下工具分析单元，包括：

记录管柱与井下工具形成的管柱组合结构，包括每种管柱与井下工具的外半径、内半径以及长度；目标井段井身结构，包括不同规格井眼的内半径以及长度；目标井段井眼轨迹，包括不同测点下对应的井深、井斜角、方位角；

若有多个井下工具通过管柱串联在一起，且间距小于设定的距离，则视为一个井下工具分析单元；若多个井下工具中某个井下工具的外径、内径以及长度与其余井下工具不同或与其余井下工具间隔大于设定距离，则该井下工具视为一个井下分析单元。

3.根据权利要求2所述的一种井下工具在井眼中下入可行性分析方法，其特征在于，采用如下步骤得到F _cr ：

步骤1：井下工具分析单元在初始状态时，只有两端AB与井眼接触，采用Timoshenko的梁柱模型得AB段挠度的通解方程式：

式中，，/>为刚度系数，F _c 为轴向压缩载荷，/>为未知系数，Ａ为井下工具分析单元的一端，Ｂ为井下工具分析单元的另一端；边界条件为：

其中k _c 为井眼曲率，为：

为：

步骤2：井下工具分析单元在多点接触状态时，与井眼产生多个接触点，设井下工具分析单元的挠度曲线上共个接触点，接触点在/>轴上的坐标为/>，按接触点数量将挠度曲线分为/>段悬挂段，得到悬挂段挠度的通解为：

其中的系数共有/>个，根据接触点的连续条件可得到/>个方程：

根据挠度曲线的边界条件可得到2个方程：

根据挠度曲线上各接触点在轴坐标可得到/>个方程：

若式成立，井下工具分析单元与井眼产生新的接触点，其中Max[]函数是指在各悬挂段计算出来的挠度最大值，将新接触点添加到已有接触点中，重新计算各接触点之间悬管段的挠度，直到无新接触点产生；

步骤3：将F _c 设置一个变化范围，0 ~ F _crlim ，F _crlim 为该范围内的最大值，将F _c 在设置的范围内按照设定步长取值，按照步骤1与步骤2将每个F _c 代入计算，当轴向压缩载荷取值使井下工具分析单元进入多点接触状态时，采用式：

判断每次计算后的结果，如果上式成立满足，则井下工具分析单元进入不稳定变形状态，则保存对应的F _c 值，该值就是F _cr 。

4.根据权利要求3所述的一种井下工具在井眼中下入可行性分析方法，其特征在于，所述的根据得到的井眼间隙约束条件、弯曲井眼刚性约束条件以及弯曲井眼稳定性约束条件开展分析，若井下工具分析单元同时满足三个约束条件，则井下工具满足下入至预定井深的条件，否则就不具备下入至预定井深的条件，包括：

S1，采用井下工具分析单元、目标井段井身结构以及井眼轨迹的数据根据井眼间隙约束条件进行分析，若井下工具分析单元与目标井段井眼间隙的差值小于等于计算出的约束值，则进入S2，否则井下工具不满足可下入性；

S2，采用井下工具分析单元、目标井段井身结构以及井眼轨迹根据弯曲井眼刚性约束条件进行分析，若井下工具分析单元的长度小于等于约束图版中对应目标井段井眼内半径与曲率半径条件下对井下工具长度的约束值，则进入Ｓ３，否则井下工具不满足可下入性条件；

Ｓ３，采用井下工具分析单元、目标井段井身结构以及井眼轨迹的数据根据弯曲井眼稳定性约束条件进行分析，若井下工具分析单元受到的阻力小于等于约束图版中对应目标井段井眼曲率条件下对井下工具遇阻力的约束值，则井下工具满足可下入性要求，否则井下工具不满足可下入性条件。

5.一种井下工具在井眼中下入可行性分析系统，其特征在于，应用权利要求1-4任一所述的一种井下工具在井眼中下入可行性分析方法。