確定偏斜井下井組件的制造參數(shù)和操作參數(shù)的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】確定偏斜井下井組件的制造參數(shù)和操作參數(shù)的方法和系統(tǒng)
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求標題為"MethodsandSystemsforModelingaDeviatedDownhole WellComponent"且由RobelloSamuel和Zhen}dngWang在 2013 年 6 月 21 日提交的臨時 美國申請序號61/837, 986的優(yōu)先權，所述申請W引用的方式并入本文。
【背景技術】
[0003] 隨著世界對石油化工產(chǎn)品的需求持續(xù)增長，石油和天然氣公司不得不把他們的勘 探和開采努力擴展到開發(fā)越來越深的井。因此，被構造成形成井的運些結構必須能夠在與 先前相比更大的負荷和應力下進行操作。因為失敗可能會造成代價高的后果，因此重要的 是將所有井設計成具有適當?shù)陌踩６取?br>[0004] 運種結構的一個實例為井套管。井套管為一般由鋼管制成的管狀結構，所述鋼管 被混凝±層環(huán)繞，所述混凝±層使鋼管固定到周圍地層上，因而界定井的外壁?；炷罏殇?管W及地層與在套管內流動的流體之間的附加隔離層提供支撐。為了確定各種套管組件的 恰當材料和尺寸，工程師通常執(zhí)行計算機模擬W便在所模擬的井下條件下對各種套管構造 建模。所述模擬為工程師提供關于套管可能遭受的各種負荷和應力的信息，并且使得能夠 評估潛在的設計。 陽〇化]但套管設計僅僅和基礎的模擬模型不相上下。雖然垂直井中的單節(jié)套管的模擬一 般很好理解并且產(chǎn)生精確的結果，但錐形套管、偏斜套管和具有流體流動限制的套管表示 不確定的復雜機械系統(tǒng)，所述系統(tǒng)對于使用現(xiàn)有技術建模來說可能是非常困難或不切實際 的。雖然確實存在多種方法，其中將運些更為復雜的系統(tǒng)建模為更加簡單的單節(jié)垂直井，其 中將運些結果調整為包含附加的安全裕度，但考慮到缺乏用W支撐所選擇裕度的可量化數(shù) 據(jù)，此類方法可能引發(fā)顯著的風險。
【附圖說明】
[0006] 當結合附圖來考慮W下【具體實施方式】時，可更好地理解各種所公開的實施方案， 在附圖中：
[0007] 圖1示出具有使用所公開系統(tǒng)和方法所建模的井套管的說明性井下井。
[0008] 圖2示出描述作用于說明性井套管柱段的力的各種參數(shù)。
[0009] 圖3示出適于執(zhí)行所公開方法的說明性計算機系統(tǒng)。
[0010] 圖4示出所公開方法的說明性實例。
[0011] 應當理解，附圖和對應【具體實施方式】并不限制本公開，相反，它們?yōu)槔斫怆S附權利 要求范圍內的所有修改、等同物和替代提供了基礎。
【具體實施方式】
[0012] W下段落描述用于確定偏斜井下井組件的制造參數(shù)或操作參數(shù)的說明性系統(tǒng)和 方法。提供了在錐形偏斜井套管范圍內的實例，所述井套管在相對端機械受限。闡述并說 明了運種套管的機械學，并且呈現(xiàn)了在數(shù)學上描述沿套管在各個點作用的已知力和未知力 的矩陣。最后，描述將各種矩陣組合起來W計算沿套管所呈現(xiàn)的力的方法和系統(tǒng)。
[0013] 當在說明性使用情況下描述時，可最好地理解所公開的系統(tǒng)和方法。因此，圖1示 出了說明性鉆井環(huán)境。鉆井平臺2支撐井架4,所述井架具有游車6,用于升高和降低鉆柱 8進入井眼30中。當鉆柱8降低通過井口 12時，頂部驅動器10支撐并旋轉鉆柱8。累20 使鉆井流體循環(huán)通過進料管22到達頂部驅動器10,井下通過鉆柱8的內部，通過井下工具 (未示出）中的孔口，通過鉆柱8周圍的環(huán)形物返回到地面，并且進入保存坑24。鉆井流體 幫助維持井眼的完整性。
[0014] 因為井眼通常被鉆到一萬英尺或更深的深度并且可W在水平方向上控制成可能 是所述距離的兩倍，因此將套管柱插入井眼中并且粘合到井眼壁W便為井眼提供支撐W及 在地層與在井套管柱內流動的流體之間提供隔離。在圖1的實例中，井套管柱14的上端被 附接到套管懸掛器15并且由套管懸掛器15機械地限制，所述套管懸掛器位于套管接頭11 的端部。當井套管柱14井下延伸時，所述井套管柱可為錐形W便在套管柱與井眼壁之間提 供附加支撐并且減少所述柱的總體重量。例如，圖1的井套管柱14包括錐形減少部13和 15。井套管柱14還彎曲W符合所示偏斜井的形狀。使承板16定位在井套管柱14的端部， 其中承板16和穩(wěn)定器18使井套管柱14的下端固定并機械地限制在井眼30內。
[001引如在圖1的說明性實例中可W看出，在粘合到井眼壁之前，使井套管柱14由井套 管柱的任一端處的僅兩個點支撐和機械地限制。井套管柱的偏斜W及井套管柱在減少部的 橫截面積的減小產(chǎn)生作用于井的復雜Ξ維力。所得使用負荷在井套管柱上的分布導致所述 柱成為靜態(tài)復雜的不確定機械系統(tǒng)。作用于套管內的柱塞（例如，固井柱塞）的活塞力還 產(chǎn)生與減少部處的力類似的力，從而使得所述系統(tǒng)進一步復雜化。
[0016] 在至少一些說明性實施方案中，通過將所述系統(tǒng)分成N個子系統(tǒng)系列來對作用于 上述井套管柱的力建模，所述子系統(tǒng)各自僅與相鄰子系統(tǒng)相互作用，然后依次確定作用于 每個子系統(tǒng)的力。圖2示出說明性井套管柱子系統(tǒng)，所述子系統(tǒng)識別為由兩個節(jié)點204和 206界定的段202。通過狀態(tài)向量來描述每個節(jié)點，所述狀態(tài)向量包括關于節(jié)點相對于參考 節(jié)點的位置的信息，并且還包括描述了節(jié)點處所呈現(xiàn)的力的信息。將每個說明性狀態(tài)向量 定義為，
[0017]
(1) 陽01引其中，
[0019] Ui為節(jié)點i相對于參考節(jié)點的真實垂直深度燈VD);
[0020] Vi為節(jié)點i離參考節(jié)點的水平距離；
[0021] 曰1為節(jié)點i處的套管段的傾角；
[0022] Fxi為節(jié)點i處所呈現(xiàn)的垂直力；
[0023] Fhi為節(jié)點i處所呈現(xiàn)的水平力；W及
[0024] Ml為節(jié)點i處所呈現(xiàn)的彎曲力矩。
[00巧]使說明性實例的參考節(jié)點定位在套管懸掛器處并且命名為節(jié)點0,并且將位于井 套管柱的相對端并且離節(jié)點0最遠的節(jié)點命名為節(jié)點N。
[00%] 在將說明性井套管柱分成多個段后，通過在位于第一段的一端的參考節(jié)點處開始 (其中狀態(tài)向量的所有元素均已知）并且確定位于所述段的相對端的下一個節(jié)點的狀態(tài)向 量來確定作用于每一段的井下節(jié)點的未知力。通過計算轉移距陣與參考節(jié)點的狀態(tài)向量的 交叉乘積來確定第一段的井下節(jié)點的狀態(tài)向量。基于井下節(jié)點的狀態(tài)向量、前一個節(jié)點的 狀態(tài)向量和/或參考節(jié)點的狀態(tài)向量的已知元素來定義運個轉移矩陣。對于第一段來說， 前一個節(jié)點也為參考節(jié)點（即，i-1 = 0)。在至少一些說明性實施方案中，使用已知的狀態(tài) 向量元素將在節(jié)點i與i-1之間所界定的井套管柱段的轉移矩陣Ti描述為，
[0027]
陽02引其中，
[0029] 皆為水平距離，定義為（Vi-Vi1);
[0030] f為垂直距離，定義為相-Ui1); 陽03U 么媒；為ith- 1節(jié)點處的傾角變化，定義為（α1 1 -曰。）； 陽0巧 益皆為i*節(jié)點處的傾角變化，定義為（α1-α。）；
[0033] (ΕΙ) 1為ith節(jié)點處的組件的楊氏模量與慣性力矩的乘積；W及
[0034] (EA) 1為ith節(jié)點處的組件的楊氏模量與橫截面積的乘積。
[0035] 對于第一節(jié)點來說，將i= 1和狀態(tài)向量Vi表述為，
[0036] Vi=TiXVo 做。
[0037] 方程式（3)將狀態(tài)向量Vi表述為井套管段的約束線性方程組，可求解所述約束線 性方程組W確定節(jié)點1處所呈現(xiàn)的未知力。對于隨后每一個節(jié)點i來說，將節(jié)點的轉移矩 陣與參考節(jié)點的狀態(tài)向量的交叉乘積與