專利名稱：一種分支井座掛系統(tǒng)擴徑錐的設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種設計方法，特別是關于一種分支井座掛系統(tǒng)擴徑錐的設計方法。
背景技術：
在油田的實際開發(fā)過程中， 一些老油田后期需要在老井中重新鉆入調整井，以 達到穩(wěn)產(chǎn)和增油控水的目的。老井重鉆主要包括老井加深和老井側鉆，目的是最 大限度地利用已有的老井眼，以較少的鉆井進尺來實現(xiàn)或維持老油田的低成本開 發(fā)。與新鉆井相比，在老井中充分利用已有的井段進行重鉆作業(yè)，能更加節(jié)約成 本。老井側鉆技術可以有效地開發(fā)剩余油，增大泄油面積，提高生產(chǎn)指數(shù)，因此 在經(jīng)濟上更為合算。通常情況下，利用斜向器開窗側鉆是最主要的老井側鉆方法 之一。但是由于其錨定座封機構中的卡瓦牙會對襯管造成損壞，并且下入斜向器 后難以溝通老井眼。因此往往在側鉆以后，就只能得到新井眼而難以再利用原來 的老井眼，這樣的結果就會失去了老井眼的產(chǎn)量。
最新使用的分支井座掛技術(如圖l所示)，是在老井中準備開設分支井的套
管1作業(yè)面上，下入一個可徑向變形的襯管2。然后通過一個擴徑錐3底部的活塞 施加壓力，使擴徑錐3在襯管2內自下而上移動。通過擴徑錐3頭部的斜面4擠 壓襯管2，使襯管2產(chǎn)生塑性變形后緊貼在套管1的內壁上，從而形成一圈水平的 或傾斜的臺階面，以便進行下一步的作業(yè)。這種分支井座掛技術既可以很好地滿 足套管開窗作業(yè)側鉆水平井的傳統(tǒng)工藝要求，又可以充分利用襯管來替代傳統(tǒng)的 斜向器；不但很好地改善了集中應力，保護了老井套管，而且在側鉆以后還可以 保障老井有較大的通徑，繼續(xù)進行生產(chǎn)作業(yè)。
但是，在應用徑向擴管技術進行作業(yè)時，為了實現(xiàn)徑向變形的最佳效果，通 常是根據(jù)經(jīng)驗，對擴徑錐3的結構尺寸，特別是對擴徑錐3的環(huán)型斜面4的傾斜 角度"和與襯管2的接觸面積S進行設計。這種根據(jù)經(jīng)驗的設計不但缺少科學的 理論依據(jù)，而且不能進行精確的驗算，因此在材料選擇上會出現(xiàn)屈服強度過大而 造成的材料和相關設施成本的浪費，或者出現(xiàn)屈服強度不夠而造成的安全隱患。

發(fā)明內容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種通過定性的力學關系分析，對擴徑 錐的結構尺寸和徑向變形的數(shù)據(jù)進行科學認定，進而實現(xiàn)優(yōu)化襯管徑向變形效果的分支井座掛系統(tǒng)擴徑錐的設計方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案 一種分支井座掛系統(tǒng)擴徑錐的 設計方法，其特征在于在由套管、襯管和擴頸錐組成的分支井座掛系統(tǒng)中，所 述擴徑錐的錐角和與所述襯管接觸的斜面面積由以下公式確定
P 「o slln +o s2ln —
_Fi7', cos or
其中P^為有套管和襯管支撐的同心圓管整體的塑性極限應力；。S1為套管的 屈服強度，Os2為襯管材料的屈服強度，b為套管內半徑，c為套管外半徑，a為 襯管內半徑，b為襯管外半徑；Pi與斜面接觸的襯管內壁受到的內壓，F(xiàn)y為擴徑錐 向上運動受到豎直向上的推力，《是垂直于擴徑錐上斜面的法向壓力，St為擴徑 錐與所述襯管接觸的斜面面積，a是擴徑錐的錐角，U為襯管內壁與擴徑錐之間 的摩擦系數(shù)。
確定所述擴徑錐的錐角和與所述襯管接觸的斜面面積的公式采用以下步驟推 導而來
1) 在一由套管、襯管和擴徑錐組成的座掛系統(tǒng)中，將套管和襯管看作是一個 同心圓管，當內外圓管都達到塑性極限狀態(tài)時，即可求得
o slln^" +o s2ln- (1)
2) 對擴徑錐錐頭的受力進行分析，^ 別得到擴徑錐向上運動受到豎直向上的 推力F,擴徑錐向上運動過程中，沿斜面向下的摩擦力/和斜面受到襯管內壁的 擠壓，垂直于斜面向下的法向壓力《，它們有以下關系
F少二尸S尸二尸;ri 2 (2) 尺=F sina +/cosa (3) F"cos = /sinor (4)
X (5) 其中P為擴徑錐底部受到的壓強，Sp為擴徑錐底部的面積，R為擴徑錐底部半
徑;
3)將(5)變形:
(6)
cos a
將(6)代入(3):
COS"將(5)代入(7):
cos or
4)根據(jù)斜面與襯管接觸的斜邊長/，上底半徑R,，下底半徑R2，高H，得到斜面
的面積為
& = , + =丌(《+ A)a/丑+ (A - A)
5)最后得到與斜面接觸的襯管內壁受到的內壓為:
尸F(xiàn)',. cos or
(9)
(10)
所述內壓P'的取值區(qū)間是&《P'<os2。 所述套管的屈服強度o d大于所述襯管的屈服強度o s2。
本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明通過對套管和襯 管進行塑性分析，得出襯管的應力關于擴徑錐的錐角和斜面面積的公式，為擴徑 錐錐頭的設計提供了理論依據(jù)。2、本發(fā)明通過對襯管和套管塑性力學的分析，確 定了構成襯管和套管材料的屈服強度的關系，不但使擴徑錐的錐角和斜面的設計 方便進行，而且襯管的選材及與套管的配合提供了科學可信的依據(jù)。本發(fā)明不但 可以廣泛用于分支井座掛系統(tǒng)中擴徑錐的設計過程中，而且可以廣泛用于各相關 參數(shù)的設計和檢驗過程中。


圖l是本發(fā)明的套管系統(tǒng)示意圖
圖2是本發(fā)明的套管及其內部襯管的受力示意圖
圖3本發(fā)明的擴徑錐的斜面受力示意圖
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。
如圖l所示，通過背景技術中對座掛系統(tǒng)的形成過程可知，在擴徑錐3自下 而上的操作過程中，最理想的擴錐效果是通過擴徑錐3錐頭的斜面4對襯管2 形成擠壓的同時也對套管1形成擠壓，使襯管2發(fā)生塑性變形，使套管1發(fā)生彈 性變形。這樣當擴徑錐3完成擴管操作后，襯管2不會從套管1中脫落；同時由 于套管1僅為彈性變形而產(chǎn)生回彈，緊緊抱住襯管2，進而形成穩(wěn)固的座掛系統(tǒng)。那么上述這種理想狀態(tài)如何實現(xiàn)呢，本發(fā)明采取以下設計方法
1、 首先對分支井座掛系統(tǒng)的塑性極限進行應力分析
如圖2所示，當襯管2被擴徑錐3徑向拉伸緊貼在套管1內壁上時，套管和
襯管構成了一同心圓管，套管內半徑為b，外半徑為c;襯管內半徑為a，外半徑
為b。在擴徑錐形成的內壓Pi的作用下，若外層套管的屈服強度為。w內層襯管
材料的屈服強度為。S2。當內外圓管都達到塑性極限狀態(tài)時，可以求解得到同心圓
管整體的塑性極限應力P-。設兩圓管之間的應力為Pq，當兩圓管均達到塑性極限
狀態(tài)時，內層襯管在Pi和Pq的作用下，外層套管在P,的作用下，則此時整個分支
井座掛系統(tǒng)的塑性極限應力P"為
P^o slln5 + o s2lnA (1) 〃 6 a
由此可見，不同材料，不同屈服條件的套管和襯管，在內壓PJ勺作用下，其 塑性極限應力P^為套管和襯管在內壓作用下的塑性極限應力之和。式(1)中的特
殊情況，當套管和襯管的材料相同時，則兩者的屈服強度相等，即OsPOf、， 則有
2、 對擴徑錐3的錐頭進行設計
如圖3所示，取擴徑錐3的錐頭上與襯管2接觸的斜面4為研究對象，并在 其上建立坐標；該斜面上受到三個力的作用 一為擴徑錐向上運動受到豎直向上 的推力F一 一為擴徑錐向上運動過程中，沿斜面向下的摩擦力/; 一為斜面受到 襯管內壁的擠壓，垂直于斜面向下的法向壓力K。其中，
F,i^尸-尸;ri 2 (2) P為擴徑錐底部受到的壓強，Sp為擴徑錐底部的面積，R為擴徑錐底部半徑。 擴徑錐向上運動過程中，脹開襯管，因此受到來自襯管內壁的法向壓力《， F， = Frt sin" + / cos" ( 3 )
i^cosor二/sin a (4)
/ = (5) 其中，a為擴徑錐的錐角，//為襯管內壁與擴徑錐之間的摩擦系數(shù)。
將(5)變形
尸"二/iH^ (6) cos a
將(6)代入(3):<formula>formula see original document page 8</formula>
這樣就找到了擴徑錐底部推力Fy與襯管壁壓力F 之間的關系。
由于斜面與襯管接觸的斜邊長為/，上底半徑為R,，下底半徑為R2，高為H。則 斜面的面積為-
<formula>formula see original document page 8</formula> (9)
與斜面接觸的襯管內壁受到的內壓為
<formula>formula see original document page 8</formula> (io)
根據(jù)以上分析，當內壓Pi達到并高于式(i)分支井座掛系統(tǒng)的塑性極限應力
<formula>formula see original document page 8</formula>時，則整個系統(tǒng)達到塑性屈服強度，襯管2徑向變形后緊貼
套管i內壁。
在進行分支井座掛系統(tǒng)作業(yè)時，首先根據(jù)已知的套管i的屈服強度^,來選擇
合適的襯管2的材料，使得o"〉Os2。再由(1)式和(10)式，設計擴徑錐3的 錐角a和受力面積St，使襯管2內壁受到的內壓Pi達到最大，從而實現(xiàn)徑向變形 效果的優(yōu)化。
為了襯管2更有效地進行徑向變形作業(yè)，通常要增加與斜面接觸的襯管2內 壁受到的內壓Pi。由(10)式可知，在擴徑錐3的結構設計上，可以采用減小擴 徑錐錐角a，減小斜面的面積St，增大推力F,的措施來增大內壓h的方案。同時， 減小擴徑錐3錐角a還可以降低徑向變形工具在井下阻卡的風險，保證了擴管系 統(tǒng)作業(yè)的安全順利。為了盡量減少和避免對老井筒的套管1造成損傷，通常在選 擇襯管2的材料時，其材料的強度要低于套管1的材料強度，即套管1的屈服強 度o "要大于襯管2的屈服強度o s2。這樣在襯管2達到塑性極限后，套管1仍在 彈性極限范圍之內，有利于保護好老井套管1，同時也有利于襯管2達到塑性變形。 為保證襯管2不被脹破，內壓P,的大小不超過襯管的屈服強度o s2，滿足套管1的 彈性變形要求。同時又能使內壓P,大于塑性極限應力P"使襯管2順利產(chǎn)生塑性 變形。則有以下關系
權利要求
1、一種分支井座掛系統(tǒng)擴徑錐的設計方法，其特征在于在由套管、襯管和擴頸椎組成的分支井座掛系統(tǒng)中，所述擴徑錐的錐角和與所述襯管接觸的斜面面積由以下公式確定其中Pβ1為有套管和襯管支撐的同心圓管整體的塑性極限應力；σS1為套管的屈服強度，σS2為襯管材料的屈服強度，b為套管內半徑，c為套管外半徑，a為襯管內半徑，b為襯管外半徑；Pi與斜面接觸的襯管內壁受到的內壓，F(xiàn)y為擴徑錐向上運動受到豎直向上的推力，F(xiàn)n是垂直于擴徑錐上斜面的法向壓力，St為擴徑錐與所述襯管接觸的斜面面積，α是擴徑錐的錐角，μ為襯管內壁與擴徑錐之間的摩擦系數(shù)。
2、 如權利要求1所述的一種分支井座掛系統(tǒng)擴徑錐的設計方法，其特征在于 確定所述擴徑錐的錐角和與所述襯管接觸的斜面面積的公式采用以下步驟推導而 來1) 在一由套管、襯管和擴徑錐組成的座掛系統(tǒng)中，將套管和襯管看作是一個 同心圓管，當內外圓管都達到塑性極限狀態(tài)時，即可求得P,o 0 s2ln— (1)2) 對擴徑錐錐頭的受力進行分析，^^別得到擴徑錐向上運動受到豎直向上的 推力Fy，擴徑錐向上運動過程中，沿斜面向下的摩擦力/和斜面受到襯管內壁的 擠壓，垂直于斜面向下的法向壓力《，它們有以下關系Fy =尸S尸=尸;ri 2 (2) g = F sin"+ /cosor (3) F cosa =/sinor (4) X (5) 其中P為擴徑錐底部受到的壓強，Sp為擴徑錐底部的面積，R為擴徑錐底部半徑；3) 將(5)變形F =/， (6) cos or將(6)代入(3):<formula>formula see original document page 3</formula> (7)將(5)代入(7):<formula>formula see original document page 3</formula> (8)4)根據(jù)斜面與襯管接觸的斜邊長/，上底半徑Ri，下底半徑R2，高H，得到斜面 的面積為<formula>formula see original document page 3</formula> (9)5)最后得到與斜面接觸的襯管內壁受到的內壓為<formula>formula see original document page 3</formula> (10)
3、 如權利要求1或2所述的一種分支井座掛系統(tǒng)擴徑錐的設計方法，其特征在于所述內壓P'的取值區(qū)間是& ^P'〈os2。
4、 如權利要求1或2所述的一種分支井座掛系統(tǒng)擴徑錐的設計方法，其特征 在于所述套管的屈服強度O w大于所述襯管的屈服強度o s2。
5、 如權利要求3所述的一種分支井座掛系統(tǒng)擴徑錐的設計方法，其特征在于: 所述套管的屈服強度O ^大于所述襯管的屈服強度o s2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分支井座掛系統(tǒng)擴徑錐的設計方法。通過對套管和襯管進行塑性分析，得出襯管的應力關于擴徑錐的錐角和斜面面積的公式，為擴徑錐錐頭的設計提供了理論依據(jù)。本發(fā)明還通過對襯管和套管塑性力學的分析，確定了構成襯管和套管材料的屈服強度的關系，不但使徑錐的錐角和斜面可以方便進行，而且襯管的選材及與套管的配合提供了科學可信的依據(jù)。本發(fā)明不但可以廣泛用于在分支井座掛系統(tǒng)中擴徑錐的設計過程中，而且可以廣泛用于各相關參數(shù)的設計和檢驗過程中。
文檔編號E21B23/01GK101429849SQ20081011507
公開日2009年5月13日 申請日期2008年6月16日 優(yōu)先權日2008年6月16日
發(fā)明者付英軍, 任榮權, 劉良躍, 偉 姜, 牛海峰, 蔣世全, 健 陳 申請人:中國海洋石油總公司;中海石油研究中心;中海石油(中國)有限公司天津分公司;中國石油集團科學技術研究院