【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钻井工程，具体涉及一种考虑屈曲效应的水平井三维井眼套管下放摩阻计算方法。
技术介绍
1、井下管柱摩阻是水平井工程设计与作业中备受重视的关健因素。钻前的管柱摩阻分析，是钻机设备优选或升级改造的科学依据，是优化井身剖面设计的重要基础，钻后的管柱摩阻分析，是优选下套管作业方案的科学依据。对比管柱摩阻的预测值与实测值，可以有效监测井眼清洗程度，以及诊断井下复杂情况和事故等。
2、传统的套管柱摩阻计算方法，采用经典管柱力学进行理论分析，建立起套管柱的整体受力模型，计算出的摩阻与工程实际偏离较大，难以达到现场施工预期，不能很好地指导现场钻井作业施工。并且由于三维井眼轨迹的复杂性、钻井作业条件的不稳定性程度高，导致传统套管下放摩阻计算方法在原理的应用和条件的简化上过于理想化，计算得到的摩阻大小和分布无法反映套管柱的真实受力状态。
3、现有技术中，专利文献cn109869132a公开了一种下套管摩阻系数计算方法，该方法包括：s1、在套管下至预定井深时，获取套管串中每根套管长度、井斜角、套管线重、钢材密度及钻井液密度；s2、实时监测记录套管下至预定井深过程的大钩载荷数据；s3、根据套管串中扶正器类型及所处位置，确定摩阻系数类型及个数，并选取与摩阻系数个数相同的时刻数，采集每个时刻的大钩载荷数据及对应的套管串数据；s4、基于每个时刻的大钩载荷数据及对应的套管串数据，列举大钩载荷计算公式得到方程组；s5、解方程组，得到摩阻系数值。该技术方案可以准确计算不同类型扶正器的摩阻系数，简单易行，能为下套管施工提供可靠的技
4、专利文献cn105545260a公开了一种套管柱下入方法及装置，该方法包括：对套管柱进行受力分析，得到套管柱摩阻计算方程；基于套管柱摩阻计算方程，计算不同的漂浮长度所对应的大钩载荷；在满足预设载荷条件的基础上，取数值最大的大钩载荷所对应的漂浮长度为最佳漂浮长度；在套管柱的最佳漂浮长度对应位置设置漂浮接箍，执行套管柱下入操作。本专利技术应用漂浮下套管原理，对套管柱进行力学分析，建立漂浮下套管力学模型，形成一种计算套管漂浮长度的优化方案，从而确定最佳漂浮段长度，使漂浮接箍安放在最优化的井深处，使剩余下入载荷达到最佳，保证套管柱顺利下到位，为漂浮下套管提供技术支持，从而顺利完成完井施工作业，但是该技术方案依然没有考虑螺旋屈曲效应对磨阻的影响。
5、论文《考虑扶正器影响的套管摩阻计算方法研究》(游尧.长江大学学报，2014年1月)中公开了：在水平井与大位移井固井施工过程中，为了保证固井质量，往往需要在大斜度井段和水平段安放一定数量的套管扶正器；多扶正器套管串结构在弯曲井眼下人过程中，一方面由于井眼的空间弯曲效应，另-方面由于扶正器的存在增加了套管串的刚度，使得套管串在弯曲井段内所受的井壁支撑力和摩阻增加，容易发生硬卡和自锁口，增加了下套管难度；针对这一问题，该论文从力学理论出发，研究了多扶正器套管串在弯曲井段下入过程中的摩阻问题，但是该论文只考虑了扶正器对摩阻的影响，没有考虑屈曲效应对套管摩阻的影响。
6、论文《水平井套管摩阻计算与可下入性分析》(张杨.西南石油大学，2015年6月)公开了：基于管柱自重和井眼弯曲等因素的影响，套管柱在下入过程中会与井壁接触，所以套管柱在下入过程中受力比较复杂，必须对套管柱在下入过程中的摩阻和载荷进行分析和计算，为下套管安全施工提供理论依据；此外，摩阻力学模型的求解过程需要使用井斜角、方位角等井眼轨迹测斜数据，而现场的测斜数据是一一个个离散的点，为了尽量减小测量数据带来的误差，有必要先对其进行数据平滑及三次样条插值处理，使用经过插值处理后的测斜数据参与摩阻力学模型求解；该论文主要是在国内外学者对水平井下套管摩阻力学模型研究的基础上,综合考虑泥浆黏滞阻力、压差阻力、动载荷以及套管与井眼尺寸、井眼轨迹参数等影响摩阻的因素，对套管在水平井中的下入摩擦阻力和轴向力进行分析计算，但是，其同样没有考虑屈曲效应对套管摩阻的影响。
7、水平井套管下入过程中发生屈曲变形的现象时有发生，套管受压发生屈曲后，改变了套管与井壁的接触状态，同时改变了接触载荷的大小，由于屈曲作用，增大了套管与井壁的接触力和下放摩阻。因此，如何基于套管屈曲产生的附加接触力和附加摩阻，形成一种考虑屈曲效应的水平井三维井眼套管下放摩阻计算方法，为套管柱下放及配套工艺优化设计提供理论依据，是目前需要解决的一个难题。
技术实现思路
1、本专利技术旨在针对现有技术中存在的问题，提供一种考虑屈曲效应的水平井三维井眼套管下放摩阻计算方法，在传统套管摩阻计算方法的基础上，计入了套管屈曲变形对摩阻的影响，在迭代过程中不断修正计算结果。本专利技术的方法能根据复杂井眼轨迹计算结果较为准确地计算出全井段套管具体位置的摩阻大小和分布，可以对优化井身结构设计和优选套管下放作业方提供理论指导。
2、为实现以上技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、一种考虑屈曲效应的水平井三维井眼套管下放摩阻计算方法，所述方法包括如下步骤：
4、步骤s101：根据井眼轨迹参数、管柱组合条件、边界条件，以井眼轨迹测点为节点，将井下管柱划分为n个管柱单元，任意两个相邻测点之间的管柱为一个管柱单元；从管柱最底端的初始管柱单元i＝1开始计算，输入初始条件；
5、步骤s102：计算管柱单元的平均井斜角、平均方位角、单位法向量在垂直方向的分量和单位副法向量在垂直方向的分量；
6、步骤s103：对管柱单元上端的轴向力赋初值，令单位长度管柱单元上端的轴向力t1i等于单位长度管柱单元下端的轴向力即
7、步骤s104：计算单位长度管柱单元的接触力
8、
9、其中，
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11、
12、
13、
14、上式中，为单位长度管柱单元的接触力，n；为单位长度管柱单元全角平面的总接触力，n；为单位长度管柱单元垂直全角平面的总接触力，n；为管柱单元的长度，m；t1i为单位长度管柱单元上端的轴向力，n；为单位长度管柱单元下端的轴向力，n；θi为单位长度管柱单元的全角变化；为管柱单元的法向量在垂直方向的分量；为管柱单元的副法向量在垂直方向上的分量；qi为单位长度管柱单元的重量；为单位长度管柱单元上端的井斜角；为单位长度管柱单元下端的井斜角；为单位长度管柱单元上端的方位角；为单位长度管柱单元下端的方位角；i＝1,2,...,n，代表第i个管柱单元。
15、步骤s105：根据步骤s104计算的单位长度管柱单元的接触力重新计算单位长度管柱单元上端的轴向力t1i，其计算公式如下：
16、
17、上式中，t1i为单位长度管柱单元上端的轴向力，n；为单位长度管柱单元下端的轴向力，n；为管柱单元的长度，m；θi为单位长度管柱单元的全角变化；qi为单位长度管柱单元的重量；αi为单位长度管柱单元的平均井斜角；μ为摩擦系数；
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【技术保护点】
1.一种考虑屈曲效应的水平井三维井眼套管下放摩阻计算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S101之前还包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S100中，用最小曲率法计算井眼轨迹参数，具体包括：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S101中，所述管柱组合条件包括组合的各段套管的尺寸和钢级，所述边界条件为管柱最底端的初始管柱单元上的载荷，所述初始条件包括管柱单元的外径、内径、弹性模量和泊松比。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S108中，根据步骤S107中最终计算的单位长度管柱单元上端的轴向力T1i，判断套管是否发生屈曲，具体为：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S108中，若套管发生螺旋屈曲，则中计入套管螺旋屈曲附加接触力Fnhel，即：
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S110中，依次迭代循环，直至计算出第n个管柱单元的接触力、轴向力和摩阻大小，具体包括：<...
【技术特征摘要】
1.一种考虑屈曲效应的水平井三维井眼套管下放摩阻计算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s101之前还包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤s100中，用最小曲率法计算井眼轨迹参数，具体包括：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s101中，所述管柱组合条件包括组合的各段套管的尺寸和钢级，所述边界条件为管柱最底端的初始管柱单元上的载荷，所述初始条件包括管柱单元...
【专利技术属性】
技术研发人员：王雪刚，关志刚，宋琳，吴继伟，吴彦先，谢士远，张浩，王敬朋，李宜霖，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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