专利名称：一种分支井座挂系统衬管的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种设计方法，特别是关于一种石油开采过程中分支井座挂系统 衬管的设计方法。
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。
在实际应用中，对座衬管长度和材料的选择是一个关键性的问题。首先，为了 使衬管在指定位置保持相对静止，需要合理地确定衬管的长度。其次，分支井座 挂系统的套管和衬管通常为不同的材料，对于应力承受的大小也不同；为了确保 座挂衬管达到塑性极限之后，套管的形变仍能在弹性范围之内，那么就要对它们 的选材方法进行一些设计。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种通过对衬管和套管进行受力分析得
一种应用方便、快捷、科学可信的分支井座挂系统衬管的设计方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案 一种分支井座挂系统衬管的设
计方法，它包括设置在套管内的衬管材料的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，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，os,为套管材料的屈服强度，Os2为衬管材料的 屈服强度；/为衬管长度，G为座挂工作负荷，p为衬管2与套管l之间的摩擦系数。
其中公式/》，G 是基于力平衡原理推导而来，即座挂负荷和衬管与套管
之间的摩擦力大小相同方向相反，衬管外壁面积S^2;rW，正压力iV:iVS，则摩 擦力/:
由于( = /，则可得出衬管的临界长度，
所述内压P'的取值区间是&《P'<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套 管的受力分析，把复杂的直观概念抽象成相对简单的公式，使对衬管材料的选择 和长度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，得出了衬管和套管，两者材料的屈服强度与其所 受塑性极限压力之间的关系，使衬管的材料选择和尺寸确定非常方便、高效率。 同时本发明也可以用于检验已设计的相关参数是否科学有效。本发明可以广泛用 于分支井座挂系统的设计过程中。
图1是本发明分支井座挂系统的示意图 图2是本发明套管和衬管的受力示意图 图3是本发明衬管的受力示意图
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l、 2所示，本发明的分支井座挂系统主要包括套管l和衬管2。其实施 方式是，先利用座放装置将可径向变形的衬管2下入套管1，再根据金属的弹、塑性变形原理，在井下环境中通过扩径锥3对衬管2进行扩径拉伸，使衬管2直径
扩展到所需要的尺寸，并使衬管2在径向变形后紧贴套管1内壁。当衬管2被扩
径锥径向拉伸紧贴在套管1内壁上时，套管和衬管构成了一同心圆管，套管内半
径为b，外半径为c;衬管内半径为a，外半径为b。在扩径锥形成的内压Pi的作
用下，若外层套管的屈服强度为os,,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P-。设两
圆管之间的压力为Pq，当两圆管均达到塑性极限状态时，内层衬管在Pi和Pq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, o slln^ +o s2lnA (1) 〃 6 a
由此可见不同材料，不同屈服强度的套管1和衬管2，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P"它为两层管在内压PJ乍用下分别所受 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P,的大小不 超过衬管的屈服强度^2，满足套管l的弹性变形要求。同时又能使内压P,大于塑 性极限应力P^，使衬管2顺利产生塑性变形。则有以下关系
二、衬管长度的选择方法
如图2、图3所示，在分支井座挂系统中，设衬管2的长度为/，其受到四个 力的作用，分别为座挂工作负荷G (衬管2本身的重量可忽略不计)；沿衬管向 上的摩擦力/，套管的正压力N，在极限情况下内压力P二P^S。对于衬管2而言， 如要使其能在套管2中固定在一个位置上，则根据力平衡原理，有<^ = /。其中， 衬管2外壁面积5 = 2^/，正压力iV-iVS，则有摩擦力/:
/ =/W =//^S = 2W/^/ (2)
其中由于( = /，根据式(2)可得出衬管的临界长度，三、具体实施例
已知渤海某油田采用7"(①177.8mm)作为分支井座挂系统的套管1，现需在 其中设置一衬管2，用以在该油田实施分支井钻井。衬管2与套管1的位置关系如 图3所示。已知该套管l的钢级是N80，即套管的1的屈服强度Os,二5624kg/cm2， 套管1外半径c二88. 9ram，内半径b=78. 55mm，每米重量为43. 15kg。衬管2内半 径a二69mm，座挂重量G为80t，衬管2与套管1间的摩擦系数//=0.2。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2的选择进行设计
1) 衬管的材料选择
通常情况下，为保护套管1起见，所选择衬管2材料的屈服强度o 82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
Pp ="s2ln7+0^lln—
:細n亚+謂n翌 78.55 69
=987.7855&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(3)，可以计算得到衬管2的长度为
"丄
_80xl03x9.8_
—0.2x0.9877855x 107 x2x;rx0.07855
=0.804m=804mm。
权利要求
1、一种分支井座挂系统衬管的设计方法，它包括设置在套管内的衬管材料的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，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为套管材料的屈服强度，σS2为衬管材料的屈服强度；l为衬管长度，G为座挂工作负荷，μ为衬管2与套管1之间的摩擦系数。
2、 如权利要求1所述的一种分支井座挂衬管的设计方法，其特征在于其中 ~~^—是基于力平衡原理推导而来，即座挂负荷和衬管与套管之间的摩擦力大小相同方向相反，衬管外壁面积S-2;rW，正压力7V二P(S，则摩擦力/:由于^ = /，则可得出衬管的临界长度，。
3、 如权利要求1或2所述的一种分支井座挂衬管的设计方法，其特征在于 内压P'的取值区间是& ^P《Os2。
全文摘要
本发明涉及一种分支井座挂系统衬管的设计方法，它包括设置在套管内的衬管材料和衬管长度的选择；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≥G/(2πb·μP<sub>β</sub>)。本发明把复杂的直观概念抽象成简单的公式，使衬管的设计有了理论的指导，在应用中具有重大的实践意义。本发明可以广泛用于石油开采过程中分支井座挂系统的设计中。
文档编号G06F17/50GK101430729SQ20081011507
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, 蒋世全, 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