用于多个偏心工具的方法和负载分析的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明大体上涉及与数据的测量和分析相关的设备和方法。
[0002] 发明背景
[0003] 近年来，多层完井已经取得相当快速的进步，但是多层完井提出了许多操作挑战， 这些挑战对完井过程的效率产生不利的影响。完井通常指提供来自油或气井的安全且有效 的生产的井下管状件和设备的组。随着日益复杂的井眼的几何形状，先进的完井工具一起 运行以便使储层生产率最大化。由于其设计要求，完井管柱中的一些部件并不与井眼同心， 而是偏心或偏心的。这些偏心工具的运行对完井管柱产生需要加以考虑的另外的负载。在 运行这些完井管柱时所经历的问题包括增加的扭矩和拖曳、屈曲或两者的组合。当完井管 柱运行时，现有的方法未被正确地模型化，并且严重地低估了应力值和拾取负载。另外，孔 尺寸在钻井时频繁地发生改变，从而要求各种尺寸的套管或衬套到达目标深度，这进而导 致完井管柱上的更高的负载。
[0004] 附图简述
[0005] 图1根据各种实施方案示出部件管柱平衡的实例。
[0006] 图2A根据各种实施方案示出完井管柱的实例，其中完井管柱经历弯曲。
[0007] 图2B根据各种实施方案示出图2A关于在两个套管之间的接口处的部件的弯曲，以 及相关联的力矩和侧力。
[0008] 图3根据各种实施方案关于四个对称部件和一个离心部件示出完井管柱在各种条 件下的实例。
[0009] 图4根据各种实施方案示出对经历侧力的三个部件的位移的表示。
[0010] 图5根据各种实施方案示出五部件模型，在所述模型中离心部件定位为部件次序 中的中心部件，其中在离心部件的每个侧上具有两个对称部件。
[0011] 图6根据各种实施方案关于完井管柱在每个部件处的弯曲角示出图5的模型的表 不。
[0012] 图7根据各种实施方案示出五部件模型的在单个方向上的摩擦力。
[0013] 图8根据各种实施方案描绘了可操作来执行关于多个偏心部件的负载分析的示例 性系统的特征的方框图。
[0014] 图9根据各种实施方案示出分析部件管柱以便确定部件的最小位移的示例性概述 方法的特征。
[0015] 图10根据各种实施方案描绘了在钻探现场的系统的实施方案，其中所述系统可操 作来执行关于多个偏心部件的负载分析。
【具体实施方式】
[0016] 以下【具体实施方式】涉及附图，所述附图借助于说明且非限制的方式来示出其中可 以实践本发明的各种实施方案。充分详细地描述这些实施方案以使本领域技术人员能够实 践这些和其他实施方案。可利用其他实施方案，并且可对这些实施方案进行结构、逻辑和电 性的改变。各种实施方案并非必须互相排斥，因为一些实施方案可与一个或多个其他实施 方案组合而形成新的实施方案。因此，以下【具体实施方式】并不具有限制性意义。
[0017] 用以开发盐下储层的深水钻探需要非常复杂的钻探和完井程序。可与井眼同心或 偏心多个昂贵的工具和部件在钻探和完井管柱中运行以便成功地进入并开发这些复杂储 层。偏心部件由于与套管和衬套壁的接触而经历另外的井下侧力和拖曳力，这些力可导致 过多的负载和应力从而导致故障。由于并未精确地加以考虑的所观察到的井下力，完井管 柱中的这些偏心工具和部件中的一些的运行已经导致管柱本身的故障和损失用以防止故 障的对侧力和拖曳力以及偏心管柱中的部件之间的最小距离的模型化和精确估算肯定会 防止部件的未来损失。
[0018] 在各种实施方案中，负载、侧力、拖曳力和多个偏心工具之间的放置距离被估算。 如本文所教导的方法可提供对沿偏心和同心部件的侧力以及运行而无故障发生所需要的 部件之间的最小距离的估算。对地层的分布式测量可相对于以下变量来进行:轴向应变、径 向应变、弯曲力矩以及位移。
[0019] 图1示出部件管柱平衡的实例。在这种情况下，离心部件下入到尺寸减小的套管 中。如本文所使用的，Ri等于完井管柱的外半径，Rea等于第一套管101的内半径，并且R〇2等于 第二套管102的内半径，其中第一套管101大于第二套管102。图1示出关于具有外半径心的 完井管柱105的两个同心部件107-1、107-2和离心部件109。本文所论述的技术可用于任意 数量的同心部件和离心部件。
[0020] 图2A示出完井管柱205的实例，其中完井管柱205经历弯曲。具有外半径Ri的完井 管柱205在具有内半径Rea的第一套管201中延伸，所述第一套管201联接至具有内半径心 2的 第二套管202,其中1^>1?。2。轴向力对乍用于完井管柱205，并且侧力匕作用于同心部件207-1、 207-2中的每个以及离心部件209。为了便于说明，侧力F s由每个位置处的相同变量示出。然 而，不同部件处的侧力可能是不同的，其通过总体平衡条件而彼此相关。完井管柱205的弯 曲产生作用于部件207-2的力矩M，所述弯曲也伴随有作用于完井管柱205的摩擦力F r。本文 所论述的技术可用于任意数量的同心部件和离心部件。图2B利用相关联的力矩Μ和侧力Fs 示出关于在第一套管201与第二套管202之间的接口处的部件207-2的弯曲，因为轴向力与 完井管柱205的轴线远离平行于井眼中心的轴线的移动相关联。
[0021] 图3关于四个对称部件307-1、307-2、307-3和307-4以及离心部件309示出完井管 柱305在各种条件下的实例。具有外半径Ri的完井管柱305在具有内半径Rea的第一套管301 中延伸，所述第一套管301联接至具有内半径R〇 2的第二套管302,其中Rc^R。％侧力Fs作用于 离心部件309以及对称部件组307-1、307-2、307-3和307-4中的对称部件307-1和307-3的每 个上。为了便于说明，侧力F s由每个位置处的相同变量示出。然而，不同部件处的侧力可能 是不同的，其通过力的总体平衡条件而彼此相关。除了上文所定义的变量之外，针对三个部 件定义了以下术语(此类术语可被延伸用于具有多于三个部件的模型）：
[0022] N=轴向力
[0023] M =作用于部件的力矩 [0024] Fs =作用于部件的侧力 [0025] U、L2、L3 =部件之间的距离
[0026] ei、e2、e3 =部件与井眼中心的位移
[0027] eec =离心部件的偏心距
[0028] HKf部件的刚度
[0029] Θ=弯曲角 [0030] Rp =部件的外半径 [0031] R〇=套管的内半径 [0032] μ =摩擦系数
[0033] Ff =作用于管柱的总摩擦力 [0034] EI =部件的弯曲刚度 [0035] V1、V2=同心部件处的侧变形 [0036] %。=离心部件处的侧变形
[0037]图4示出对经历侧力的三个部件的位移的表示。所述三个部件位于位置A、B和C处， 其中B与C相隔距离1^2，并且B与A相隔距离1^。利用上文给出的定义，根据力的平衡，可由分别 在位置A和位置C处的侧力F sl和侧力Fs3来定义侧力Fs2。在这三个部件的分析中，可将钢制部 件模型化为具有无穷刚度以使得Ki = K2 = K3。本文所述的模型化还可包括按照针对所述部 件的模型化将钻柱模型化为钢制型，部件中没有变形，在轴向方向上没有变形，并且具有小 的接触面积/薄部件。所述侧力可由侧力F sl、Fs2和Fs3定义，其可通过以下公式给出：
[0038]
[0039]
[0040] Fs2 = _Fsl_Fs3
[0041 ]本文所论述的方法提供用以估算这些各种条件下的侧力的一种机制。所述方法还 可提供对部件之间的最小位移的估算。与所述方法相关联的计算可包括复杂的方程式。可 执行对这些方程式的处理来求解方程式以便获得侧力、拖曳力和最小位移。
[0042]图5示出五部件模型，在所述模型中离心部件509定位为部件次序中的中心部件， 其中在离心部件509的一侧上具有对称部件507-1和507-2并且在离心部件509的另一侧上 具有对称部件507-4和507-5。每个部件具有与井眼中心的位移，所述位移用相应部件的R P 和R。表示。离心部件509由于其偏心距而包括另外的项。
[0043]图6关于完井管柱在每个部件处的弯曲角示出图5的模型的表示。通过将轴向变形 u取值为等于零而忽略u。考虑到邻近部件之间的每个长度可对完井管柱进行分段分析。对 于每个长度来说，可关于轴向变形和侧变形考虑所述角或弯曲，并且可对于长度上的轴向 力和长度端部处的剪切力考虑力矩。对于力矩的总和等于零的条件，可获得以下：
[0044]
[0045] 在j = l、2、3、4和5的这个方程式中，Θ」为完井管柱在第j部件处的弯曲角，Vj为第j 部件的侧变形，并且h为第(j+1)部件与第j部件之间的长度，并且4 = ΕΙ/1」。可使用五个或 更少部件的模型来对完井管柱进行适当分析。
[0046] 图7示出五部件模型的在单个方向上的摩擦力。五部件模型包括完井管柱705的五 个部件707-1、707-2、707-3、707-4和707-5,其中所述部件中至少一个为偏心部件。摩擦力 Ff可被计算为相应部件处的摩擦力?时士:2士:3士:4和?￡:5的总和。所述摩擦力中的每个与 相应部件处的侧力Fsl、Fs2、Fs3、Fs4或F s5成正比。摩擦力Ff可由以下公式给出：
[0047] Ff = μ( | Fsi | + | FS21 + | FS31 + | FS4 | + | FS51 )，
[0048] 其中μ为摩擦系数。这个摩擦力Ff计算可为完井管柱705提供拖曳力计算。
[0049]如本文所教导的方法可用于故障分析。完井管柱中的应力可从模型化中进行计 算。在最大应力被确定的情况下，可将其与应力σ搬作比较，所述巧艘表示完井管柱的在其下 预期发生故障的强度。关于轴向应力〇A，最大弯曲应力〇 Bmax、最大剪切应力Tmax，可允许达到 巧艘的最大总应力σ由以下公式给出
[0050] 〇=Max[0A+oBmax，SQRT(0A 2+Tmax2)] < 〇搬0
[0051] 可在贯穿井的寿命的钻探和生产期间使用光纤传感器和应变仪来执行连续监测， 所述监测可与使用与本文所论述的方法类似或相同的方法进行的分析作比较。此类方法也 可用于计算套管破裂、套管挤坏和安全系数。嵌入式应变仪可用于测量三轴应力。可相对于 本文所教导的模型化来进行冯米塞斯应力的连续监测以便检查井的完整性。
[0052]图8示出操作处理器以便执行完井管柱的负载分析的示例性方法的实施方案的特 征。在810,将连续的管柱模型应用到具有包括偏心部件的多个部件的完井管柱。应用连续 的管柱模型可包括应用五部件模型。在820,基于连续的模型在偏心部件处和在多个部件中 的许多