套管钻井技术中涂抹效应的研究及应用.pdf

2 0 l 4年 第 4 2卷 第 3期 石 油机械 CHI NA PE TROL EUM MACI t l NERY l 5 一 ． ． 钻 井技术与装备 套管钻 井技术 中涂抹效 应 的研究及应 用 杨 波 廖锐全 张 俊 1 ．长江大学石油工程学院2 ．长江大学工程技术学院 摘要 在套管钻井过程 中，为了获得最优 化的套管直径和井眼压力 ，建立 了套管一 泥饼接触的 数学模型和有限元模型。对数学模型进行 了受力分析 ，运用数值模 拟方法分析 了不 同套管直径及 套管转速下泥饼的应力分布规律。研究结果表明，增大套管旋转速度或套管直径有利于获得较好 的涂抹效应，降低泥饼失效风险；当转速超过 1 O 0 r ／ m i n时，会使泥饼失效 ，增大套管直径可以降 低泥饼失效风险；当转速超过 8 0 r ／ ra i n或套管／ 井眼尺 寸比率 大于 0 ． 7 7时，可以获得 l 0 0 ％成功 的涂抹效应；当套管／ 井眼尺寸比率大于 0 ． 8 5时，井底压力和泵压急剧增大，可以通过优化流量 进行控制。该项研究结果可为现场试验提供理论指导。 关键词 套管钻井；涂抹效应；泥饼 ；尺寸比率；有限元模型；数值模拟 中图分类号 T E 9 2 5文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 4 ． 0 3 ． 0 0 4 Re s e a r c h a nd App l i c a t i o n o f S m e a r Ef f e c t i n Ca s i n g Dr i l l i ng Te c h no l o g y Ya n g B o L i a o Ru i q u a n Z h a n g J u n 1 ． C o l l e g e o fP e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ，Y a n g t z e U n i v e r s i t y 2 ． C o l l e g e o fE n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y ， Y a n g t z e U n i v e r s i t y Abs t r a c t T o o b t a i n t h e o p t i ma l c a s i n g d i a me t e r a n d b o r e h o l e p r e s s u r e i n t h e p r o c e s s o f c a s i n g d r i l l i n g，t h e n l a t h e ma t i c mo d e l a n d fi ni t e e l e me n t mo d e 1 o f c a s i n g ． mu d c a ke c o n t a c t we r e e s t a b l i s he d． T he f o r c e a n a l y s i s o f t he ma t h e ma t i c mo de 1 wa s c o n du c t e d ． Th e n u me r i e a l s i mu l a t i o n me t ho d wa s u s e d t o a na l y z e t h e s t r e s s di s t r i b ut i o n l a w o f mu d c a k e i n d i f f e r e n t c a s i n g d i a me t e r s a n d c a s i n g v e l o c i t i e s ． Th e r e s e a r c h fin d i n g s s h o w t h a t i n c r e a s e o f c a s i n g r o t a t i n g v e l o c i t y o r i n c r e a s e o f c a s i n g d i a me t e r i s f a v o r a bl e t o o b t a i n i n g b e t t e r s me a r e f f e c t a n d r e d uc i n g mud c a ke f a i l u r e r i s k ．W h e n t he r o t a t i n g v e l o c i t y g o e s b e y o n d 1 0 0 r ／ mi n，mu d c a k e wi l l f a i l ． I n c r e a s e o f c a s i n g d i a me t e r c a n r e d uc e mu d c a k e f a i l u r e r i s k ．W h e n t h e r o t a t i n g v e l o c i t y g o e s b e y o n d 8 0 r ／ mi n o r t h e c a s i n g b o r e h o l e d i a me t e r r a t i o i s g r e a t e r t h a n 0 ． 7 7，1 0 0％s u c c e s s r a t e o f s me a r e f f e c t c a n b e o b t a i n e d ． W he n c a s i ng b o r e ho l e s i z e r a t i o i s g r e a t e r t h a n 0 ． 8 5，b o t t o mh o l e p r e s s u r e a n d p u mp p r e s s u r e wi l l i n c r e a s e d r a ma t i c a l l y a n d t h e y c a n b e c o n t r o l l e d b y fl o wr a t e o pt i mi z a t i o n． Th e r e s e a r c h a c h i e v e me n t c a n pr o v i d e a t h e o r e t i c a l g u i d e t o c a s i ng d r i l l i n g t e s t ． Ke y wo r d s c a s i n g d r i l l i n g； s me a r e f f e c t ； mu d c a k e； s i z e r a t i o； fin i t e mo d e l ； n ume r i c a l s i mul a t i o n 0 引 言 套管钻井过程中，在井壁表面会 覆盖一层约 4 h i m厚的泥饼 ，这种现象称为覆 盖效应 ，也被称为 涂抹效应。涂抹效应增加了井壁的稳定性 ，缩短 了 钻井作业 中非生产时间，还可以防止井下问题 ，如 塌页岩 、紧孔 、桥梁 、井涌及循环损失等。 1 9 4 0年 ，拜克研究 了涂抹效应对 钻井液 的影 响。然而 ，涂抹效应在套管钻井 中对增加井壁稳定 性 的研 究是 一 种新 的实践 。2 0 1 0年 ，瓦特 、 博蒙特和卡里米等【 卜 通过现场应用证实了在套管 钻井作业中涂抹效应能有效地治疗钻井液漏失和加 强井壁稳定性。他们认为 ，套管转动过程 中连续不 断与井壁之 间接触挤 压是产生涂抹效应 的关键 因 素 。2 0 1 1 年瓦特等 卜 对涂抹效应机 理进行 了更 基金项 目国家科技重大专项之子课题 “ 酸压． 生产一体化管柱受力分析与强度校核” 2 0 0 8 Z X 0 5 0 1 7 0 0 3 0 3 0 2 H Z 。