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50西部探矿工程2010年第7期

石油与钻掘工程
连续管在水平井中的力学行为研究

陈耀华*,覃成锦
(中国石油大学<北京>石油工程教育部重点实验室,北京102249)

摘要:在连续管钻井过程中,由于井眼对连续管的约束,井壁对管柱的摩擦阻力,使得管柱在钻进过
程中失去原来的稳定状态而发生严重的屈曲问题,利用Wu.J的连续管力学计算模型,细致分析了
连续管各段的屈曲受力,建立了轴向力、屈曲临界载荷与连续管外径及井深之间的函数关系。同时为
了现场施工使用方便,还用VB6.0语言编写了连续管钻井管柱力学计算软件,并对软件的计算功能
做了详细的介绍。应用连续管的实际尺寸和理论公式对软件计算结果进行验证,并绘制出了连续管
外径与临界屈曲载荷和轴向力的关系曲线,与实际结果吻合,表明该软件可用于现场施工使用。最后
提出了预防屈曲的有效措施。
关键词:连续管;正弦屈曲;螺旋屈曲;临界载荷
中图分类号:TE242.9文献标识码:A文章编号:10045716(2010)07005004

连续管钻井是近些年来全世界广泛应用的一种新会发生弯曲,与井壁接触产生摩擦力,又因为是在垂直
型钻井技术,它有着不同于常规钻杆、油管的材质和作井段,我们可以忽略这个摩擦,认为在垂直井段连续管
业工艺与装备,有着不可替代的优势。在许多油田的钻和井壁不产生摩擦,也就没有了摩阻,因此轴向载荷
井和采油等领域都得到了迅速发展,与此同时,与连续F(x)我们可以用以下公式计算:
管钻井力学相关方面的研究也在不断深入地进行着。
F(x)=F0-fGx(1)
连续管(CoiledTubing)起源于第二次世界大战期
We=fG(2)
间,20世纪60年代开始用于石油工业。经过40多年
式中:F0计算开始位置(x=0)的轴向载荷;
的发展,现在已经在全世界好多国家广泛应用在油田钻
浮力系数
井领域,美国和加拿大是连续管钻井最活跃的两个国f;
家,占全世界用连续管所钻井的80%左右[1],连续管具G管柱在空气中单位长度的重量;
有管径小、挠性好、成本低、效率高等很多常规管柱不具We在泥浆中单位长度管柱重量。
备的特有优点[2]。但与此同时,由于连续管刚度低,在从(1)式可以看出,轴向力呈线性变化,当x=0

井下受得轴向力较大,连续管在不断增加的轴向力条件时,F(x)=F0也就是表明在垂直井眼底部轴向力只是

下会发生屈曲(正弦屈曲、螺旋屈曲),管柱与井壁的接F0(F0随着地面释放重量的变化而变化),当地面释放
触力就增大,摩擦力也随着增大,严重影响继续钻进。
重量为0时,F0就为0,这时中性点在井底。当地面释
连续管钻井中的屈曲是影响钻井的一个很关键的
放重量逐渐增加时,也逐渐增大,中性点逐渐上移,当
因素,下面对水平井的三种不同井段(垂直井段、造斜井
释放重量大到一定程度时,连续管由原来的受拉转变为
段、水平井段)受力进行如下分析。
受压,破坏了原来的直线状态,当这个压缩载荷增大到
1水平井垂直井段屈曲受力分析
垂直井眼中正弦屈曲临界载荷值时Fcr,v时,连续管就发
起初连续管是缠绕在庞大的滚筒上面,钻井时连续
[3]
管的一个自由端需要接上底部钻具组合、钻头等工具,生了正弦屈曲。
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连续管本身不能旋转,钻头的旋转动力只能来自井下马Fcr,v=2.55(EIWe)(3)
达和地面释放的连续管的重力。随着不断钻进,连续管式中:E管柱材料的弹性模量;

*收稿日期:20090509修回日期:20090519
第一作者简介:陈耀华(1982),男,山西省昔阳县人,中国石油大学(北京)石油天然气工程学院油气井工程专业硕士研究生,主要从事连续管钻
井力学方面的研究。
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I管柱截面积对中性轴的惯性矩。12EIrRWesin
Fhel,z=1+1+(6)
当压缩载荷继续增大到垂直井眼中螺旋屈曲临界rR8EI
[3]我们用的连续管在泥浆密度为
载荷值Fhel,v时,连续管就发生了螺旋屈曲,50.8mm,
3
21/31030.5kg/m,直径为98.43mm的弯曲井段内利用(5)
Fhel,v=5.55(EIWe)(4)
从(3)式和(4)式可以看出,无论是正弦屈曲状态,式和(6)式计算正弦屈曲临界载荷和螺旋屈曲临界载
还是螺旋屈曲状态,临界屈曲载荷值都和连续管本身的荷,结果显示如图2、图3所示。
性质有关,直径越大,临界载荷值就越大,是非线性关
系。
有四种不同外径的连续管38.1mm、
44.45mm、50.8mm、60.3mm,我们利用(2)式和
(4