专利名称：一种钻井座挂衬管承受最大扭矩的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种设计方法，特别是关于一种应用于分支井座挂系统的钻井座 挂衬管最大扭矩的设计方法。
背景技术：
采用径向变形管的分支井座挂技术，是一种新兴的石油工程技术，现已被世界 不同地区接受，并显示出良好应用前景。径向变形管分为实体径向变形管和割缝 径向变形管，实体径向变形管主要用于老井的套管修补、侧钻以及多种类型的油 井建井；割缝径向变形管主要用于封隔复杂层段、代替常规割缝衬管和防沙。采 用径向变形管的分支井座挂技术的原理为，先利用座放装置将可径向变形的衬管 下入井内；再根据金属的弹、塑性变形原理，在井下环境中通过扩径锥对衬管使 用冷拔工艺，使其直径扩展到所需要的尺寸。径向尺寸精确、长度足够的衬管在 径向变形后紧贴井壁，这样分支井座挂系统就足以抵抗已产生的底层坍塌和应力。
在开设分支井的实际钻井过程中(如图1所示)，衬管2紧贴套管1的内壁， 斜向器放置于衬管的上端。钻头受自身重力的作用，定位在斜向器3斜面的底部 造斜点A实施侧钻作业。因此衬管2起到相当于斜向器3座封的作用，但是在侧 钻作业时，它必须能抵抗通过斜向器3传递的来自钻头的扭矩的作用。为了使衬 管2在套管1内的指定位置保持相对静止，确定衬管承受最大扭矩的能力、合理 地确定衬管的长度是必须要解决的一个问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种通过对斜向器和衬管所受扭矩的分
析，建立起相应的数学公式，从而得到一种应用方便，高效的钻井座挂衬管承受
最大扭矩的设计方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案 一种钻井座挂衬管承受最大扭
矩的设计方法，其特征在于它包括对设置在套管内的衬管材料的选择和衬管长
度的选择；
所述衬管材料的选择满足以下公式所述衬管长度的选择满足以下公式:
其中P-为分支井座挂系统的塑性极限应力P"为b为套管内半径，C为套管 外半径；a为衬管内半径，b为衬管外半径，051为套管的屈服强度，Os2为衬管材 料的屈服强度；/为衬管长度，钻机对钻头的顶驱扭矩M—，,为衬管与套管之间
的摩擦系数。
其中公式/^J^是基于力平衡原理推导而来，即钻机对钻头的顶驱扭矩
M,。p和衬管受到来自斜向器的扭矩为M,大小相同方向相反，衬管外壁面积 S = 2;rW，正压力A^^.S，则摩擦力/ :
由于71^=_/&，则可得出衬管的临界长度，衬管的设计长度应》临界长度，即 所述内压P'的取值区间是& SP'<os2。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明通过对衬管和钻 头所受的扭矩进行分析，根据力矩平衡原理来对衬管的长度进行选择，把复杂的 直观概念抽象成相对简单的公式，使衬管的设计有了理论的指导，在实际应用中 具有重大的实践意义。2、本发明通过对圆管塑性极限应力的分析，得出了衬管、 套管，两者材料的屈服极限与其所受塑性极限压力之间的关系，为两者恰当的选 材提供了重要参考。本发明的应用于分支井座挂系统的钻井衬管座挂最大扭矩的 设计方法，公式简练，意义明确。
图1是本发明进行分支井造斜作业示意图 图2是本发明进行分支井造斜简图 图3是本发明的分支井座挂系统示意图 图4是本发明套管和衬管的受力示意图
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。本发明对衬管的设计方法包括对衬管材料的选择和对衬管长度的选择。
一、 对衬管材料的选择
如图1、图2所示，本发明的分支井座挂系统主要包括套管1、衬管2和斜向 器3。其实施方式是，先利用坐放装置将可径向变形的衬管2下入套管1内的指定
位置，其作用是为钻头4确定造斜点；再根据金属的弹、塑性变形原理，在井下
环境中通过扩径锥4对衬管2进行径向膨胀，使衬管2直径扩展到所需要的尺寸，
衬管2在径向变形后紧贴套管1内壁。斜向器3架固在衬管2上端，钻头由于自
身重力的作用，沿斜向器3的斜面运动到斜面下端的造斜点A，进行造斜作业。
如图3所示，当衬管2被扩径锥径向拉伸紧贴在套管1内壁上时，套管1和
衬管2构成了一同心圆管。套管l内半径为b，外半径为c;衬管2内半径为a，
外半径为b。在扩径锥4形成的内压P,的作用下，若外层套管材料的屈服强度为
osl，内层衬管材料的屈服强度为Os2，当内外圆管都达到塑性极限状态时，可以
求解得到同心圆管整体的塑性极限应力Pp。设两圆管之间的压强为Pq，当两圆管
均达到塑性极限状态时，内层衬管在内压Pi和管间压强P,的作用下；外层套管在
Pq的作用下，则此时整个分支井座挂系统的塑性极限应力P-为
P,oslln^ + os2lnA (1) 〃 6 a
由此可见不同材料，不同屈服强度的套管和衬管，在内压作用下其所组成 的分支井座挂系统的塑性极限应力的值，为两层管在内压作用下分别所受的塑性 极限应力之合。
我们依据以上结论来选择衬管的材料。为了尽量减少和避免对老井筒的套管1
造成损伤，通常在选择衬管2的材料时，其材料的强度要低于套管1的材料强度，
即套管的屈服强度o sl要大于衬管的屈服强度o s2。这样在衬管达到塑性极限后，
套管1仍在弹性极限范围之内，有利于保护好老井套管，同时也有利于衬管2的
塑性膨胀产生塑性变形。则在(1)式中，为保证衬管2不被胀破，内压g的大小
不超过衬管的屈服强度Os2，满足套管1的弹性变形要求。同时又能使内压P,大于
塑性极限应力Pp，使衬管2顺利产生塑性变形。则有以下关系
P- SP'〈Os2。 (2)
二、 基于扭矩分析的衬管长度的选择
在通过斜向器造斜过程中，按照极限情况，钻头作用在斜向器3上的力矩取 为钻机对钻头的顶驱扭矩M,。p。而此时钻头对于斜向器3产生的力为，r为钻头的半径。这样斜向器3在钻头的旋钻作用下会产生扭矩必
M/=JP,2r = f如M啤 (3)
按照极限情况，斜向器扭矩必的最大值取为钻机对钻头的顶驱扭矩M,。p有 M, =Mtop 。同时，斜向器3将扭矩必传递给衬管2 ，因此衬管2所受的扭矩为M,， 由上可知，有以下关系M/=:M,=M,。p。而对于衬管2而言，其自身必须能够抵 抗这种扭矩才能不发生相对转动。
下面对衬管2进行分析，根据力矩平衡原理，只有当衬管2扭矩与摩擦力扭 矩抵消时，即M,-y&，它才不会发生相对转动。其中，/为衬管2与套管1之间 的摩擦力，b为衬管2的外半径，两者相乘即为摩擦力/在衬管2上的力矩。
/ =/W =/iP, = 2;rf^ (4) 其中，/为衬管2的长度，/i为衬管与套管间的摩擦系数。综上，则有
/》 2 (5)
三、具体实施例
如4所示，己知渤海某油田采用直径为7" (0177.8mm)作为分支井座挂系统 的套管l，现在需在其中设置一衬管2，以在该油田实施分支井钻井，图中显示了 衬管1、套管2和斜向器3的位置关系。已知套管材料的钢级是N80，即 = 5624kg/cm2，套管外半径c = 88. 9mm，内半径b=78. 55mm;衬管内半径a二69mm，衬 管与套管间的摩擦系数//=0.2;钻机正常作业时对钻头4的最大连续工作顶驱扭矩 按230kN.ra计算。试选择不同材质的衬管2，并且求其塑性极限压力。
下面对衬管的选择进行设计
1)衬管材料的选择
通常情况下，为保护套管l起见，所选择衬管2材料的屈服强度Os2应小于套 管1材料的屈服强度o sl。这样可以让衬管2先行达到塑性极限，而此时套管1仍 在弹性范围之内。本实施例中，选择石油工业用12CrMoV钢管作为衬管2，衬管2 的屈服强度o 2250kg/cm2。
将上述相关数据带入式(1)，同时将套管1及衬管2作为整体同心圆管处理， 其塑性极限应力为〃 & a
=56241ni^_ + 22501n， 78.55 69
=987.7855A:g/c附2 在此，内压P,的取值区间为
2)衬管长度设计
将上述相关数据带入式(5)，可以计算得到衬管2的长度为
鄉
, 60x103 憎
/ =-^-7二7S3 mm
2 x;rx 0.2 x 0.9877855 x107 x 0.07855权利要求
1、一种钻井座挂衬管承受最大扭矩的设计方法，其特征在于它包括对设置在套管内的衬管材料的选择和衬管长度的选择；所述衬管材料的选择满足以下公式所述衬管长度的选择满足以下公式其中Pβ为分支井座挂系统的塑性极限应力Pβ，为b为套管内半径，c为套管外半径；a为衬管内半径，b为衬管外半径，σS1为套管的屈服强度，σS2为衬管材料的屈服强度；l为衬管长度，钻机对钻头的顶驱扭矩Mtop，μ为衬管与套管之间的摩擦系数。
2、 如权利要求1所述的一种钻井座挂衬管承受最大扭矩的设计方法，其特征 在于其中公式&^^是基于力平衡原理推导而来，即钻机对钻头的顶驱扭矩M，和衬管受到来自斜向器的扭矩为M,大小相同方向相反，衬管外壁面积 S二2;rW，正压力A^i^S，则摩擦力/:<formula>formula see original document page 2</formula>由于似，=/&，则可得出衬管的临界长度，衬管的设计长度应》临界长度，即<formula>formula see original document page 2</formula>
3、 如权利要求1或2所述的一种钻井座挂衬管承受最大扭矩的设计方法，其 特征在于所述内压P'的取值区间是^ ^P'〈Os2。
全文摘要
本发明涉及一种钻井座挂衬管承受最大扭矩的设计方法，其特征在于它包括对设置在套管内的衬管材料的选择和衬管长度的选择；所述衬管材料的选择满足以下公式P<sub>β</sub>＝σ<sub>s1</sub>ln(c/b)+σ<sub>s2</sub>ln(b/a)＝P<sub>β1</sub>+P<sub>β2</sub>；所述衬管长度的选择满足以下公式l＝M<sub>top</sub>/(2πμP<sub>β</sub>b<sup>2</sup>)，其中P<sub>β</sub>为分支井座挂系统的塑性极限应力P<sub>β</sub>，为b为套管内半径，c为套管外半径；a为衬管内半径，b为衬管外半径，σ<sub>S1</sub>为套管的屈服强度，σ<sub>S2</sub>为衬管材料的屈服强度；l为衬管长度，钻机对钻头的顶驱扭矩M<sub>top</sub>，μ为衬管与套管之间的摩擦系数。本发明通过对衬管和钻头所受的扭矩进行分析，把复杂的直观概念抽象成相对简单的公式在实际应用中具有重大的实践意义。
文档编号E21B7/04GK101429857SQ20081011507
公开日2009年5月13日 申请日期2008年6月16日 优先权日2008年6月16日
发明者任荣权, 刘良跃, 伟 姜, 许亮斌, 健 陈 申请人:中国海洋石油总公司;中海石油研究中心;中海石油(中国)有限公司天津分公司;中国石油集团科学技术研究院