[发明专利]一种测定三维井眼中套管轴向力和侧向力的方法及设备

说明书

技术领域

本发明关于石油开采和钻完井技术领域，特别是关于三维井眼中套管强度的设计技术，具体的讲是一种测定三维井眼中套管轴向力和侧向力的方法及设备。

背景技术

在我国的石油产量中，稠油占有的比例逐年增加。稠油开采主要采用热力采油工艺，包括井筒加热、热水驱、热汽驱、蒸汽吞吐和火烧油层等，其中真正实现大规模应用的是注蒸汽法。然而，注蒸汽法在提高开采经济效益的同时，也伤害了套管周围的岩层结构，从而降低了油井的使用寿命，甚至导致油井报废。套管作为生产层与地面的通道，状态好坏关系着安全生产和油气井的寿命，同时也影响钻井成本。

目前，现有技术中普遍认为热采井套管损坏是轴向热胀应力过高引起的，因此以轴向热胀应力不得超过管材屈服极限作为设计准则，因而磨损套管的轴向力和侧向力的预测或评估，对钻井、完井、采油及修井作业的方案设计和调整都具有非常重要的参考价值。而且，准确计算出磨损套管的轴向力和侧向力是评估套管抗挤毁能力的基础。

定向井、水平井中套管的变形、受力和运动是套管在狭长弯曲井眼中的复杂力学难题。现有技术中，该难题的精确求解一般采用初弯曲纵横弯曲梁理论，依据三弯矩方程写出多元线性方程组，然后用计算机联立求解得到，但是这种方法涉及的公式、数据颇多，且公式和方法都很复杂，计算过程繁琐冗长，极大降低了磨损套管的轴向力和侧向力的测定效率，进而影响了根据磨损套管的轴向力和侧向力对钻井、完井、采油及修井作业的方案设计和调整的效率。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种测定三维井眼中套管轴向力和侧向力的方法及设备，利用有限差分方法提出一种近似、简便的方案，基于井眼轨迹数据将套管分成单位长度的微单元段，由套管最底端开始由下往上逐段进行计算，满足采油工程要求，不仅可用于套管强度设计，对钻井、完井、采油及修井作业的方案设计和调整都具有非常重要的参考价值，还是评估套管抗挤毁能力的基础。

本发明的目的之一是，提供一种测定三维井眼中套管轴向力和侧向力的方法，包括：获取三维井眼的轨迹测点数据；从所述轨迹测点数据中选取任意两个数据点之间的套管柱作为一个微单元；采集所述微单元的曲率、长度、有效重力、所述微单元的横截面的惯性矩、所述微单元的弹性模量；采集所述微单元对应的轨迹测点的第一井斜角、第二井斜角、第一方位角以及第二方位角、井眼的摩阻系数；根据所述微单元的曲率、长度、有效重力、横截面的惯性矩、弹性模量以及第一井斜角、第二井斜角、第一方位角以及第二方位角、井眼的摩阻系数确定所述微单元的第二端的轴向力、第一端的轴向力、所述微单元单位长度的侧向力；根据所述微单元的第二端的轴向力、第一端的轴向力、所述微单元单位长度的侧向力确定三维井眼中套管的轴向力和侧向力。

本发明的目的之一是，提供了一种测定三维井眼中套管轴向力和侧向力的设备，包括：轨迹测点数据获取装置，用于获取三维井眼的轨迹测点数据；微单元选取装置，用于从所述轨迹测点数据中选取任意两个数据点之间的套管柱作为一个微单元；第一采集装置，用于采集所述微单元的曲率、长度、有效重力、所述微单元的横截面的惯性矩、所述微单元的弹性模量；第二采集装置，用于采集所述微单元对应的轨迹测点的第一井斜角、第二井斜角、第一方位角以及第二方位角、井眼的摩阻系数；微单元向力测定装置，用于根据所述微单元的曲率、长度、有效重力、横截面的惯性矩、弹性模量以及第一井斜角、第二井斜角、第一方位角以及第二方位角、井眼的摩阻系数确定所述微单元的第二端的轴向力、第一端的轴向力、所述微单元单位长度的侧向力；套管向力测定装置，用于根据所述微单元的第二端的轴向力、第一端的轴向力、所述微单元单位长度的侧向力确定三维井眼中套管的轴向力和侧向力。

本发明的有益效果在于，提供了一种测定三维井眼中套管轴向力和侧向力的方法及设备，利用有限差分法的基本假设，利用空间坐标变换和数学分析的方法，以任意两个数据点之间的套管柱为一个单元，推导出了套管柱下单元轴向力、管柱上单元轴向力，管柱加速运动和液体阻力等因素在管柱单元上产生的轴向力、管柱变形引起的侧向力、全角平面上的总侧向力、副法线方向上的总侧向力，管柱单元总侧向力的一系列参数方程，利用有限差分方法提出一种近似、简便的方案，基于井眼轨迹数据将套管分成单位长度的微单元段，由套管最底端开始由下往上逐段进行计算，满足采油工程要求，不仅可用于套管强度设计，对钻井、完井、采油及修井作业的方案设计和调整都具有非常重要的参考价值，还是评估套管抗挤毁能力的基础。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明