确定偏斜井下井组件的制造参数和操作参数的方法和系统的制作方法

文档序号:9493362阅读:388来源:国知局
确定偏斜井下井组件的制造参数和操作参数的方法和系统的制作方法
【专利说明】确定偏斜井下井组件的制造参数和操作参数的方法和系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求标题为"MethodsandSystemsforModelingaDeviatedDownhole WellComponent"且由RobelloSamuel和Zhen}dngWang在 2013 年 6 月 21 日提交的临时 美国申请序号61/837, 986的优先权,所述申请W引用的方式并入本文。
【背景技术】
[0003] 随着世界对石油化工产品的需求持续增长,石油和天然气公司不得不把他们的勘 探和开采努力扩展到开发越来越深的井。因此,被构造成形成井的运些结构必须能够在与 先前相比更大的负荷和应力下进行操作。因为失败可能会造成代价高的后果,因此重要的 是将所有井设计成具有适当的安全裕度。
[0004] 运种结构的一个实例为井套管。井套管为一般由钢管制成的管状结构,所述钢管 被混凝±层环绕,所述混凝±层使钢管固定到周围地层上,因而界定井的外壁。混凝±为钢 管W及地层与在套管内流动的流体之间的附加隔离层提供支撑。为了确定各种套管组件的 恰当材料和尺寸,工程师通常执行计算机模拟W便在所模拟的井下条件下对各种套管构造 建模。所述模拟为工程师提供关于套管可能遭受的各种负荷和应力的信息,并且使得能够 评估潜在的设计。 阳〇化]但套管设计仅仅和基础的模拟模型不相上下。虽然垂直井中的单节套管的模拟一 般很好理解并且产生精确的结果,但锥形套管、偏斜套管和具有流体流动限制的套管表示 不确定的复杂机械系统,所述系统对于使用现有技术建模来说可能是非常困难或不切实际 的。虽然确实存在多种方法,其中将运些更为复杂的系统建模为更加简单的单节垂直井,其 中将运些结果调整为包含附加的安全裕度,但考虑到缺乏用W支撑所选择裕度的可量化数 据,此类方法可能引发显著的风险。
【附图说明】
[0006] 当结合附图来考虑W下【具体实施方式】时,可更好地理解各种所公开的实施方案, 在附图中:
[0007] 图1示出具有使用所公开系统和方法所建模的井套管的说明性井下井。
[0008] 图2示出描述作用于说明性井套管柱段的力的各种参数。
[0009] 图3示出适于执行所公开方法的说明性计算机系统。
[0010] 图4示出所公开方法的说明性实例。
[0011] 应当理解,附图和对应【具体实施方式】并不限制本公开,相反,它们为理解随附权利 要求范围内的所有修改、等同物和替代提供了基础。
【具体实施方式】
[0012] W下段落描述用于确定偏斜井下井组件的制造参数或操作参数的说明性系统和 方法。提供了在锥形偏斜井套管范围内的实例,所述井套管在相对端机械受限。阐述并说 明了运种套管的机械学,并且呈现了在数学上描述沿套管在各个点作用的已知力和未知力 的矩阵。最后,描述将各种矩阵组合起来W计算沿套管所呈现的力的方法和系统。
[0013] 当在说明性使用情况下描述时,可最好地理解所公开的系统和方法。因此,图1示 出了说明性钻井环境。钻井平台2支撑井架4,所述井架具有游车6,用于升高和降低钻柱 8进入井眼30中。当钻柱8降低通过井口 12时,顶部驱动器10支撑并旋转钻柱8。累20 使钻井流体循环通过进料管22到达顶部驱动器10,井下通过钻柱8的内部,通过井下工具 (未示出)中的孔口,通过钻柱8周围的环形物返回到地面,并且进入保存坑24。钻井流体 帮助维持井眼的完整性。
[0014] 因为井眼通常被钻到一万英尺或更深的深度并且可W在水平方向上控制成可能 是所述距离的两倍,因此将套管柱插入井眼中并且粘合到井眼壁W便为井眼提供支撑W及 在地层与在井套管柱内流动的流体之间提供隔离。在图1的实例中,井套管柱14的上端被 附接到套管悬挂器15并且由套管悬挂器15机械地限制,所述套管悬挂器位于套管接头11 的端部。当井套管柱14井下延伸时,所述井套管柱可为锥形W便在套管柱与井眼壁之间提 供附加支撑并且减少所述柱的总体重量。例如,图1的井套管柱14包括锥形减少部13和 15。井套管柱14还弯曲W符合所示偏斜井的形状。使承板16定位在井套管柱14的端部, 其中承板16和稳定器18使井套管柱14的下端固定并机械地限制在井眼30内。
[001引如在图1的说明性实例中可W看出,在粘合到井眼壁之前,使井套管柱14由井套 管柱的任一端处的仅两个点支撑和机械地限制。井套管柱的偏斜W及井套管柱在减少部的 横截面积的减小产生作用于井的复杂Ξ维力。所得使用负荷在井套管柱上的分布导致所述 柱成为静态复杂的不确定机械系统。作用于套管内的柱塞(例如,固井柱塞)的活塞力还 产生与减少部处的力类似的力,从而使得所述系统进一步复杂化。
[0016] 在至少一些说明性实施方案中,通过将所述系统分成N个子系统系列来对作用于 上述井套管柱的力建模,所述子系统各自仅与相邻子系统相互作用,然后依次确定作用于 每个子系统的力。图2示出说明性井套管柱子系统,所述子系统识别为由两个节点204和 206界定的段202。通过状态向量来描述每个节点,所述状态向量包括关于节点相对于参考 节点的位置的信息,并且还包括描述了节点处所呈现的力的信息。将每个说明性状态向量 定义为,
[0017]
(1) 阳01引其中,
[0019] Ui为节点i相对于参考节点的真实垂直深度灯VD);
[0020] Vi为节点i离参考节点的水平距离;
[0021] 曰1为节点i处的套管段的倾角;
[0022] Fxi为节点i处所呈现的垂直力;
[0023] Fhi为节点i处所呈现的水平力;W及
[0024] Ml为节点i处所呈现的弯曲力矩。
[00巧]使说明性实例的参考节点定位在套管悬挂器处并且命名为节点0,并且将位于井 套管柱的相对端并且离节点0最远的节点命名为节点N。
[00%] 在将说明性井套管柱分成多个段后,通过在位于第一段的一端的参考节点处开始 (其中状态向量的所有元素均已知)并且确定位于所述段的相对端的下一个节点的状态向 量来确定作用于每一段的井下节点的未知力。通过计算转移距阵与参考节点的状态向量的 交叉乘积来确定第一段的井下节点的状态向量。基于井下节点的状态向量、前一个节点的 状态向量和/或参考节点的状态向量的已知元素来定义运个转移矩阵。对于第一段来说, 前一个节点也为参考节点(即,i-1 = 0)。在至少一些说明性实施方案中,使用已知的状态 向量元素将在节点i与i-1之间所界定的井套管柱段的转移矩阵Ti描述为,
[0027]
阳02引其中,
[0029] 皆为水平距离,定义为(Vi-Vi1);
[0030] f为垂直距离,定义为相-Ui1); 阳03U 么媒;为ith- 1节点处的倾角变化,定义为(α1 1 -曰。); 阳0巧 益皆为i*节点处的倾角变化,定义为(α1-α。);
[0033] (ΕΙ) 1为ith节点处的组件的杨氏模量与惯性力矩的乘积;W及
[0034] (EA) 1为ith节点处的组件的杨氏模量与横截面积的乘积。
[0035] 对于第一节点来说,将i= 1和状态向量Vi表述为,
[0036] Vi=TiXVo 做。
[0037] 方程式(3)将状态向量Vi表述为井套管段的约束线性方程组,可求解所述约束线 性方程组W确定节点1处所呈现的未知力。对于随后每一个节点i来说,将节点的转移矩 阵与参考节点的状态向量的交叉乘积与
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