The invention relates to an optimal combination method based on horizontal well workover string, belonging to the technical field of oil and gas exploitation and drilling. The optimal combination method determines that the optimal proportion relationship is when the tool string is connected with several smaller weight tubing and then several larger weight tubing, which is composed of workover tubing string. The optimal downhole capability of the existing workover tubing string can be achieved, thus providing a theoretical basis for the combination of workover tubing string and meeting the needs of production and use of enterprises.
【技术实现步骤摘要】
一种基于水平井修井管柱的优化组合方法
本专利技术涉及一种基于水平井修井管柱的优化组合方法；属于油田修井作业管柱组合领域。
技术介绍
随着水平井综合能力和工艺技术的发展，长水平段水平井在油田运用逐渐增加，其水垂比越来越大，水平段长度越来越长；在现场作业过程中，人们常将修井管柱下入到井筒水平段进行修井作业。修井管柱在井筒中下入时一般依靠自重作为动力，当下入造斜段时，随着井斜角的增加，修井管柱逐渐开始紧贴井筒，下至水平段直至完全躺在井筒上。传统的修井管柱由工具串连接多根重量较小油管组成；修井管柱逐步下入过程中，随着下入深度的增加，其与井筒的接触面积也逐步增大，从而导致其摩阻逐步增大；进而导致修井管柱下入至水平段一定深度时，其难以依靠修井管柱自身重量继续下入，从而导致修井管柱下入深度不够的问题时有发生。为了解决这一问题，现有的修井管柱由工具串连接多根重量较小油管后再连接多根重量较大油管组成；其通过增加修井管柱自身重量的方式，增强了其下入能力，在一定程度上解决了传统修井管柱下入困难的问题；但现有修井管柱由于重量较小油管与重量较大油管之间的比例关系，是由施工人员的根据经验得出的，其并无理论基础；因此有必要研发一种优化组合方法，以指导一线工人的施工。
技术实现思路
本专利技术目的在于：提供一种基于水平井修井管柱的优化组合方法，以为修井管柱组合提供理论基础，从而得到重量较小油管与重量较大油管之间的最优比例关系，进而使现有修井管柱达到最佳下入能力。本专利技术的技术方案是：一种基于水平井修井管柱的优化组合方法，其特征在于：所述的该基于水平井修井管柱的优化组合方法包含如下步骤：（1...
【技术保护点】
1.一种基于水平井修井管柱的优化组合方法，其特征在于：所述的该基于水平井修井管柱的优化组合方法包含如下步骤：（1）、水平井修井管柱载荷计算模型的建立；选取水平井从井口到井底整个部分为研究对象，井筒中的修井管柱主要由工具串连接多根重量较小油管后再连接多根重量较大油管组成，现将修井管柱沿井眼轴向方向划分为垂直段、造斜段、水平段和作业前端四段进行研究，设修井管柱相对应的井筒上设置有n个井眼轨迹测点；并把相邻井眼轨迹测点之间的部分看作是一个连续微元段，则修井管柱可以离散成n‑1个微元段；在建模之前首先做如下假设：1）修井管柱处于线弹性变形状态；2）修井管柱在水平井的水平段视为与井筒连续性接触，并忽略工具串在最大直径处产生的弯曲变形；3）修井管柱的轴线与井眼轨迹的轴线一致；4）修井管柱在各井段摩擦系数采用摩擦系数拟合法计算；5）修井管柱中动载不大，可略去；6）修井管柱的温度变化对本研究的修井管柱受力影响不大；在假设条件下水平井修井管柱载荷计算模型的建立包含以下步骤：a、修井液与修井管柱相互作用分析：在实际生产作业中，由于井筒内和修井管柱内均存有修井液，当修井管柱上提或者下入时修井液会对修井管柱产...
【技术特征摘要】
1.一种基于水平井修井管柱的优化组合方法，其特征在于：所述的该基于水平井修井管柱的优化组合方法包含如下步骤：（1）、水平井修井管柱载荷计算模型的建立；选取水平井从井口到井底整个部分为研究对象，井筒中的修井管柱主要由工具串连接多根重量较小油管后再连接多根重量较大油管组成，现将修井管柱沿井眼轴向方向划分为垂直段、造斜段、水平段和作业前端四段进行研究，设修井管柱相对应的井筒上设置有n个井眼轨迹测点；并把相邻井眼轨迹测点之间的部分看作是一个连续微元段，则修井管柱可以离散成n-1个微元段；在建模之前首先做如下假设：1）修井管柱处于线弹性变形状态；2）修井管柱在水平井的水平段视为与井筒连续性接触，并忽略工具串在最大直径处产生的弯曲变形；3）修井管柱的轴线与井眼轨迹的轴线一致；4）修井管柱在各井段摩擦系数采用摩擦系数拟合法计算；5）修井管柱中动载不大，可略去；6）修井管柱的温度变化对本研究的修井管柱受力影响不大；在假设条件下水平井修井管柱载荷计算模型的建立包含以下步骤：a、修井液与修井管柱相互作用分析：在实际生产作业中，由于井筒内和修井管柱内均存有修井液，当修井管柱上提或者下入时修井液会对修井管柱产生沿程水力摩阻和黏滞阻力，故考虑到上述各个影响对修井管柱的修井液摩阻进行修正如下：其中：-修井管柱的修井液摩阻，N；-修井管柱所受到的黏滞阻力，N；-修井管柱所受到的沿程水力摩阻，N；-修井管柱外径，mm；-修井管柱内径，mm；-井眼直径，mm；-井深，m；-修井液动切力，Pa；-修井液粘度，mPa﹒s；-修井液表观粘度，mPa﹒s；-修井液速度，m/s；-修井液动力粘度，mPa﹒s；-重力加速度，N/kg；b、垂直段修井管柱受力分析：由于修井管柱在垂直井段与井筒接触较小，因此认定修井管柱在垂直井段无接触摩阻，而只受浮重、沿程水力摩阻和黏滞阻力作用，此时计算垂直段修井管柱接触摩阻为0，轴力为修井管柱浮重，即-修井管柱在修井液中的线重，N/m；-修井管柱微元段长度，m；-修井管柱所受轴力，N；-修井管柱与井筒接触所受摩阻，N；c、造斜段修井管柱受力分析：取造斜段修井管柱微元段，进行受力分析，修井管柱在下入到造斜段后在和井筒接触时因为修井管柱重力而产生摩阻，同时在修井管柱下入修井作业时受钩载拉力及井筒支撑力，再考虑不同修井工况下，不同修井液黏滞阻力、沿程水力摩阻、浮重等参数的影响，此时修井管柱在造斜段的力学平衡方程及弯矩平衡方程式为：求解式，得：式中：，-考虑浮力后的井筒对修井管柱的支撑力，N；时取“+”，时取“-”；-修井管柱微元段下表面所受到的轴向力，N；、-修井管柱微元段截面上的井斜角，°；-修井管柱与井筒的摩擦系数；、-修井管柱两截面的剪切力，N；，-修井管柱微元段截面上的弯矩，N﹒m；-造斜段曲率半径，m；、、、-过渡参数；d、水平井段修井管柱受力分析根据井眼轨迹、修井管柱与井筒接触和受力特点考虑修井管柱浮重以及修井液沿修井管柱内，外流动时的沿程水力摩阻和黏滞阻力，此时修井管柱在水平段的力学平衡方程为：式中：-修井管柱与井筒的综合摩阻，N；e、修井管柱作业前端的工具串力学模型分析；将修井管柱作业前端的工具串分两部分进行计算，一部分为螺杆工具前部工具，一部分为螺杆工具后部工具；螺杆工具前部工具考虑管柱旋转与井筒和磨铣物产生摩阻扭矩和压力的影响，螺杆工具后部工具考虑管柱与井筒连续性接触产生摩阻；此时修井管柱作业前端的工具串力学平衡方程为：，-修井管柱截面上的扭矩，N﹒m；-修井管柱微元段半径，°；至此得到水平井修井管柱根据井眼轨迹、修井管柱与井筒接触和受力特点考虑修井管柱自重、修井液浮力以及修井液沿管柱内，外流动时的修井液沿程水力摩阻和黏滞阻力建立的水平井修井管柱载荷计算模型；（2）、通过“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件进行模拟仿真；基于步骤（1）得出的水平井修井管柱载荷计算模型；利用插值算法和迭代算法编制“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件；“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件的著作权受理号为2019R11S0139560；利用“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件的模拟仿真步骤如下：a、进入“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件；用Excel表导入水平井井眼的轨迹数据，生成对应的“井深”，“井斜角”，“方位角”并绘制出井眼轨迹图，计算得出井眼轨迹的垂深和最大水平位移；b、点击主菜单上的“基本操作”按钮，弹出“基本参数设置”界面，可对“综合参数设置”，“温度参数设置”，“压力参数设置”进行设置，依次将井筒内外径，重量较小油管和重量较大油管的内外径、油管密度，修井液比热、修井液排量、修井液密度、螺杆功率、螺杆额定扭矩、累计工作时间、油管刚级、套管刚级、修井液温度、井口温度、油井温度梯度、井口压力、修井泵压参数载入到“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件中，确认无误后点击“确定”按钮，返回主界面，这样就完成了修井管柱的基本参数设置；c、点击主菜单上的“工具串设计”按钮，进入“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件“工具串设计”界面，在左侧工具栏中根据不同工况进行工具串组合，按照下入顺序选择工具并设置其下入深度，依次点击“添加”按钮，在上方工具串表格中显示其参数；若需修改相关参数，则可直接点击“删除”按钮，在右侧“油管组合”中可对重量较小油管和重量较大油管的下入深度进行设置；设置完成后，点击“保存”按钮，可保存设置好的参数生成新的文本；下次操作时可直接点击“导入”按钮，导入之前设置好的参数；确认无误后点击“确定”按钮，返回主界面，这样就完成了修井管柱的组合设计；d、点击主菜单上的“通过性分析”按钮，弹出“通过性分析”界面点击“下入能力计算”按钮，在“通过性分析”界面左侧图表中计算出曲率半径参数，得到最小曲率半径，右侧图表数据显示修井管柱组合，计算出单个修井管柱最大通过长度并进行判断修井管柱能否通过；点击“生成报告”按钮，在上方空白处得到分析结果；确认无误后点击“确定”按钮，返回主界面，进行下一阶段的不同工况管柱分析；e、基于钻磨修井工况下，根据前面设计好的工具串在“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件主界面中选择“钻磨管柱分析”按钮，进入“钻磨管柱分析”界面分别进行修井管柱载荷计算，得出整个修井管柱的下入过程中摩阻和钩载；并在“钻磨管柱分析”界面左侧表格中得到其对应摩阻和钩载数值，并在右侧得到摩阻和钩载图线；点击“图像保存”按钮，可保存生成的曲线为jpg格式；完成所需仿真分析和图像保存后关闭分析窗口，返回主界面；（3）、基于钻磨修井工况，在修井参数相同，水平井井眼轨迹不同的多个水平井下，对修井管柱进行摩阻和钩载的模拟仿真计算；首先取井筒内外径，重量较小油管和重量较大油管的内外径、油管密度、修井液比热、修井液排量、修井液密度、螺杆功率、螺杆额定扭矩、累计工作时间、油管刚级、套管刚级、修井液温度、井口温度、油井温度梯度、井口压力、修井泵压参数（统称为修井参数）相同，水平井井眼轨迹不同的多个水平井进行研究，并将上述水平井井眼轨迹和修井参数，根据步骤（2）的方式分别载入到“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件中；对于不同井眼轨迹的多个水平井，针对每种水平井井眼轨迹情况再将修井管柱分成以下三种情况进行研究：修井管柱由工具串连接多根重量较小油管组成；修井管柱由工具串连接多根重量较大油管组成及修井管柱由工具串连接多根重量较小油管后再连接多根重量较大油管组成；随后根据步骤（2）的方式进入“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件“工具串设计”界面，在左侧工具栏中根据不同水平段长度的水平井井眼轨迹按照下入顺序选择工具并设置其下入深度，修井管柱工具串为：平底磨鞋+接头+水平井螺杆钻+变径+短节+油管+变径，在右侧“油管组合”中对重量较小油管下入深度进行设置，不对重量较大油管的下入深度进行设置，这样修井管柱就由工具串连接多根重量较小油管组成；再根据步骤（2）的方式进行“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件中的“通过性分析”，确认修井管柱能安全下入通过造斜段后根据前面设计好的工具串在“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件主界面中选择“钻磨管柱分析”按钮，进入“钻磨管柱分析”界面进行修井管柱载荷计算，得出由工具串连接多根重量较小油管组成的修井管柱在下入过程中的摩阻和钩载大小；重复上述软件模拟仿真步骤载入不同的多个水平井井眼轨迹和相同修井参数，在“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件“工具串设计”界面左侧工具栏中根据不同水平段长度的水平井井眼轨迹按照下入顺序选择工具并设置其下入深度，修井管柱工具串为：平底磨鞋+接头+水平井螺杆钻+变径+短节+油管+变径，在右侧“油管组合”中对重量较大油管下入深度进行设置，不对重量较小油管的下入深度进行设置，这样修井管柱就由工具串连接多根重量较大油管组成；然后在进行“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件中的“通过性分析”，确认修井管柱能安全下入通过造斜段，之后根据前面设计好的工具串在“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件主界面中选择“钻磨管柱分析”按钮，进入“钻磨管柱分析”界面进行修井管柱载荷计算，得出由工具串连接多根重量较大油管组成的修井管柱在下入过程中的摩阻和钩载大小；重复上述软件模拟仿真步骤载入不同的多个水平井井眼轨迹和相同修井参数，在“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件“工具串设计”界面左侧工具栏中根据不同水平段长度的水平井井眼轨迹按照下入顺序选择工具并设置其下入深度，修井管柱工具串为：平底磨鞋+接头+水平井螺杆钻+变径+短节+油管+变径，在右侧“油管组合”中对重量较小油管和重量较大油管的下入深度进行设置，这样修井管柱就由工具串连...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯定，陈文康，孙巧雷，杜宇成，
申请(专利权)人：长江大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42
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