套管柱在水平井弯曲段的可下入性
套管柱在水平井弯曲段的可下入性
水平井是指最大井斜角≥90°、在产层内有水平或近水平井段的特殊形式的油气井。水平井可有效增大油气层的裸露面积,提高单井产量,实现少井高产
,增加可采储量,提高油藏最终采收率和油田开发经济效益,是近年来的热点技术之一。水平井的出现与兴起给油气勘探和开发带来新的生机。但水平井
中的钻柱及套管柱受力分析比较复杂。在水平井弯曲段（主要是大斜度井段），钻柱、套管柱要随井眼一起弯曲，除受到重力、浮力作用外，还有摩擦
阻力、弯曲应力等附加力作用。井眼曲率半径越小，附加力越大。在短曲率半径水平井中可使用柔性钻杆钻进。但在没有柔性套管的情况下，普通套管
柱能否顺利通过水平井弯曲段，关系到水平井的完成方式，应根据套管柱的受力分析加以判断。
图1 水平井三维地质模型
一、主要问题
套管柱在通过水平井弯曲段时受力较复杂，会出现直井段中不可能遇到的一些问题：
1.套管柱通过弯曲段时随井眼弯曲承受弯曲应力作用。弯曲应力随井眼曲率半径的减小而增加。弯曲应力有可能超过其钢材强度的极限，引起套管的破坏。
2.套管基本上属于薄壁管或中厚壁管。套管柱随井眼弯曲变形时，即使弯曲应力未超过钢材的屈服极限，但由于套管丧失稳定性而形成椭圆状套管截面。
因椭圆的短轴小于套管公称尺寸，故某些工具无法下入，这是后续生产所不允许的。套管柱弯曲严重时也有可能产生屈曲变形破坏。
3.套管接箍处的螺纹在随井眼弯曲时产生弯曲变形，有可能引起套管柱的密封失效。
4.井眼弯曲时套管柱紧贴下井壁。进入水平段后套管柱会完全贴在下井壁上，此时，套管柱与地层的接触段很长，地层对套管柱的摩擦阻力相当大，可能
使下套管受阻；也可能因套管刚性很大使套管柱卡在井眼的弯曲段而无法下入。
二、受力分析
套管柱在水平井中除受重力、浮力之外，在弯曲段还要受到地层摩擦阻力、套管弯曲应力。水平井中重力和浮力的计算与直井中基本上相同。
摩擦阻力在水平井水平段和弯曲段，套管柱贴向井壁的下侧。地层和套管柱接触产生摩擦阻力。摩擦阻力的合力方向是沿套管柱的（在直井段，摩擦
阻力方向是垂直的）。摩擦阻力的大小与地层岩石的摩擦系数有关，与地层和套管柱的接触长度有关，也与井眼的倾斜角度有关。套管柱受到的摩擦阻力
的计算模式较多，在实际应用中可根据具体情况选用。在水平井的水平段和弯曲段，地层对套管柱的摩擦阻力将比直井中大许多。要想继续下套管，按近
似计算方法，水平段以上套管柱的浮重必须大于总摩阻。摩擦阻力对套管本体的受力也有影响。当上提套管柱时，除了要将套管柱的全重提起外，尚要克
服摩阻，使套管柱所受的拉应力增加，有可能超过套管柱的极限应力。
弯曲应力套管柱随井眼弯曲时，产生弯曲应力。在套管的一侧是拉应力，另一侧是压应力。弯曲应力的大小与套管直径、弯曲半径有关。在变形量较小
时，可用弯曲梁的公式计算；在变形量大时，应当用弹塑性力学分析方法。套管柱弯曲应力应小于套管钢材的许用应力。往往在弯曲应力未达到许用应力时
，套管柱就产生稳定性破坏。在上提或下放套管柱时，套管柱所受的拉（压）应力与弯曲应力叠加。叠加后总的应力应小于钢材的许用应力。套管柱弯曲后
，其本体有可能产生较大的变形，丧失圆形而呈椭圆状。
三、计算方法
套管下入过程力学原理：套管微元段受力分析如图2,在井眼轴线坐标系上取弧长为ds的单元体AB,以轴线坐标s(A点)为开始点,轴线坐标s+ds(B点)为终点;
假设套管柱单元体所受重力、正压力、摩阻力均匀分布。
图2 套管微元段受力分析
四、判断方法
套管柱在水平井中能否通过弯曲段并继续下至预定井深，或是虽有一定的变形但不影响井的后续生产，要看井眼曲率、井径、地层摩阻、套管直径等因素的
影响。在长半径水平井中，下套管一般不会遇到太大的困难。在中、短半径水平井中，套管柱受弯曲应力和摩擦阻力较大，能否顺利下入或是下入后基本不
影响后续作业，就应加以判断。
总摩阻应小于受阻点以上套管浮重按近似计算方法，套管柱所受的总摩阻（Fs）应比套管柱总长度减去水平井段长度后的那部分浮重（Fm）要小，
套管才能继续下入。否则无法下到预定的深度。判别关系式：
Ts>Fm
在井较浅、水平段较长时，有可能出现套管柱无法下入的情况。在实际生产中有时用游车、大钩在套管柱的顶端施加压力帮助套管柱下入，计算时可将上述重力加在浮重上。
2.套管柱弯曲应力应小于套管许用应力套管柱随井眼弯曲时，产生弯曲应力。因螺纹处管壁薄、应力集中，故该处弯曲应力将比套管本体提前达到许用应力。该处的受力复杂，
应力计算困难。可将套管本体的许用应力乘以一个减低系数做为该处的许用应力。
套管柱弯曲应力应小于螺纹处的许用应力。不仅如此。在下套管时要上提下放套管柱，使弯曲段的套管柱受力增加，而上提套管柱的最上一根套管受力最大。
某弯曲段套管柱受力包括：弯曲段以下套管柱在钻井液中的浮重（Ts'），弯曲段以下摩擦阻力（Fm'），套管柱弯曲时一侧的拉应力（σw）。
这三个力的和应小于套管的最小许用应力（σmin）。
判别关系式：
σmin>Fm'+Ts'+σw
式中，σw＝σsK；其中σs为套管本体钢材屈服强度，K为套管螺纹处应力降低系数。
套管柱处于弯曲段时应不发生屈曲变形套管柱通过弯曲段时产生弯曲变形，可能在弯曲应力达到钢材的许用应力之前就发生较大的变形，使套管的圆形截面
变成椭圆形截面，严重时呈扁状，这种变形称为屈曲变形，也称为失稳破坏。屈曲变形是生产所不允许的，在套管柱通过弯曲段时也不允许。套管柱产生屈
曲变形时的应力可用理论力学方法计算。小直径套管柱比大直径套管柱承受失稳破坏的能力更高。
套管柱处于弯曲段时应不发生密封失效套管柱通过弯曲段时接箍处的螺纹也随之产生弯曲变形，除该处的许用强度低于套管本体之外，该处的变形也可能
使螺纹密封性破坏。套管柱是不允许密封失效的。因套管柱弯曲而导致的螺纹密封失效，尚无理论计算方法。有条件时可对不同的套管柱进行各种曲率下
的弯曲试验。在施加弯曲应力的同时，在套管柱内充入高压气体或液体测试压力变化，以确定套管柱漏失时的弯曲曲率。以此可确定套管柱密封的失效点
。根据以上四个方面准则即可判断套管柱在水平井弯曲段的可下入性。套管柱在下入时，如果应力超过以上四种情况中的任一种，则套管柱在水平井中就
是不安全的。根据以上分析，结合地层特点和套管情况，借助计算机程序计算，可以快速判断套管柱的可下入性。
参考文献
[1]王德新,于润桥.套管柱在水平井弯曲段的可下入性[J].石油钻探技术,1997(01):14-15+42+62.
[2]祝效华,高原,刘少胡,石昌帅,童华.水平井弯曲段套管下入可行性分析[J].石油矿场机械,2011,40(04):6-8.