技术领域
[0001] 本
发明属于油田作业技术领域，具体涉及一种用于带压作业接箍探测装置探头侧向力的确定方法及装置。
背景技术
[0002] 带压作业是指利用特殊修井设备，在油、气、
水井井口带压的情况下，实施起
下管柱、井筒修理及增产措施的井下作业技术。通过防喷器组控制油套环空压力，堵塞器控制油管内部压力，然后通过对管柱施加外力克服井内上顶力，从而完成带压起下管柱。
[0003] 几乎所有井的油、气、水层从勘探、开发到后期的维护过程中都受到不同程度的伤害。如何避免或减小油气层伤害，提高油水井寿命和产能一直是开发技术人员努力的方向。带压作业技术的出现为实现真正意义上的油气层保护提供了可能。
[0004] 相对于油井来说，带压作业较传统井下作业，没有外来
流体入侵，油气层就没有外来固相，液相的伤害，不会产生新的层间矛盾，地
层压力系统不会受到破坏，不需要重新建立平衡，有利于油井修复后稳产、高产。相对于传统水井作业，在不放喷，不放溢流的情况下带压作业，对单井而言不需要卸压，同时解决了污水排放问题，降低注水成本；对整个注采网来说，对周边受益井，注水站注入工作不影响，保持整个注采网络
地层压力系统不受破坏，不需要再建压力平衡，有利于提高注水实效。
[0005] 目前带压技术和装备在国外已非常成熟，辅助式和独立式设备及其配套工具序列齐全，设备实现了全液压举升。随着各油田对油层保护的高度重视及带压作业技术的逐步完善，2000年以后该项技术在国内得到了快速发展。
[0006] 油管接箍探测设备，在油管起下过程中判断油管接箍
位置，防止防喷器的密封
橡胶件被磕碰，引起带压作业存在安全隐患。油管接箍探测设备的精确探测，不仅可以避免起下油管接箍的过程中防喷器胶芯与油管接箍的磕碰，提高防喷器
密封胶芯的使用寿命，提高带压作业效率。然而，接箍探测设备中探头
接触到油管柱，接触力过大易引起探头及油管柱的磨损；接触力过小，油管起下作业中的振动可能是探头偏离油管柱，导致探测的准确性降低。
发明内容
[0007] 发明目的:本发明通过对带压作业接箍探测装置探头侧向力计算分析，确定探头和油管的最佳接触力，有效控制探头和油管的磨损，提高使用寿命，同时利于接箍探测装置的探测准确度提高。
[0008] 发明内容:本发明提供一种用于带压作业接箍探测装置探头侧向力的确定方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤100：明确带压作业油气井管柱结构参数及作业油气井地层压力参数；所述油气井管柱结构参数包括：油管长度、井口处距离、油管外径、油管内径、泊松比、油管线
密度、
弹性模量、
热膨胀系数、
地温梯度、油管内液体密度；通过查阅地层资料获取油气井地层压力参数，即井内压力；
[0010] 步骤200：探头侧向力分析
[0011] 当管柱偏离井口中心，侧向力R＝tgφQ；
[0012] 其中，tgΦ＝δ/L，δ为起升装置与井口中心偏移距离既大钩偏差，L为起升装置与油管端部距离；Q油管轴向负荷，Q＝pg+pf+pd+p'g-psd，Pg为管柱在井内液体中的重量，Pf为管柱起下时与井壁的摩擦阻力，Pd为动
载荷，p'g为打捞作业时落物的重量及某些井下工具的解封和释放拉力，Psd为上顶力；
[0013] 当管柱受压
变形，侧向力R通过以下公式求得
[0014]
[0015] 其中，p为油管轴向负荷，P＝p'g-pg-pf-pd+psd；k通过 得到,其中,E为弹性模量；h为接触点到平衡位置距离。
[0016] 优选的，还包括油管柱受力分析的步骤：
[0017] 管柱所承受的轴向载荷最大为：p＝afqsL+p'g-psd；
[0018] 其中，a为考虑
摩擦力和动载荷式的阻力系数，a＝1.2至1.6,起下不深时取a＝1；
[0019] f＝1-r1/r2；
[0021] γ1为井内液体的密度，单位kg/m3；
[0022] γs为管柱材料的密度，单位kg/m3；
[0023] qs为单位长度管柱在空气中的重量，单位N/m；
[0024] L为油管柱在地面的长度，单位m。
[0025] 本发明进一步提供了一种用于带压作业接箍探测装置探头侧向力的确定装置，包括以下模
块：
[0026] 参数输入模块：用于输入带压作业油气井管柱结构参数及作业油气井地层压力参数；
[0027] 所述油气井管柱结构参数包括：油管长度、井口处距离、油管外径、油管内径、泊松比、油管
线密度、弹性模量、
热膨胀系数、地温梯度、油管内液体密度；通过查阅地层资料获取油气井地层压力参数，即井内压力；
[0028] 探头侧向力分析模块：
[0029] 当管柱偏离井口中心，侧向力R＝tgφQ；
[0030] 其中，tgΦ＝δ/L，δ为起升装置与井口中心偏移距离既大钩偏差，L为起升装置与油管端部距离；Q油管轴向负荷，Q＝pg+pf+pd+p'g-psd，Pg为管柱在井内液体中的重量，Pf为管柱起下时与井壁的摩擦阻力，Pd为动载荷，p'g为打捞作业时落物的重量及某些井下工具的解封和释放拉力，Psd为上顶力；
[0031] 当管柱受压变形，侧向力R通过以下公式求得
[0032]
[0033] 其中，p为油管轴向负荷，P＝p'g-pg-pf-pd+psd；k通过 得到,其中,E为弹性模量；h为接触点到平衡位置距离。
[0034] 优选的，还包括油管柱受力分析模块：
[0035] 管柱所承受的轴向载荷最大为：p＝afqsL+p'g-psd；
[0036] 其中，a为考虑摩擦力和动载荷式的阻力系数，a＝1.2至1.6,起下不深时取a＝1；
[0037] f＝1-r1/r2；
[0038] f为浮力系数；
[0039] γ1为井内液体的密度，单位kg/m3；
[0040] γs为管柱材料的密度，单位kg/m3；
[0041] qs为单位长度管柱在空气中的重量，单位N/m；
[0042] L为油管柱在地面的长度，单位m。
[0043] 本发明具有以下效果：根据上提偏移及管受压侧向力数学模型，能够快速分析确定接箍探测装置探头侧向力，并据此优选探测装置其他相关设计参数，为装置设计提供
基础依据。此外，本发明利于控制探头和油管的磨损，提高探测装置探头使用寿命，同时利于提高接箍探测装置的探测准确度。
附图说明
[0044] 图1是油管上提偏移情况受力分析说明图。
[0045] 图2是管柱受压情况受力分析说明图。
具体实施方式
[0046] 下面已有选对
实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。
[0047] 本发明方法包括以下步骤：
[0048] 1)明确带压作业油气井管柱结构参数及作业油气井地层压力等参数；
[0049] 2)根据压杆稳定及钟摆力等相关理论，推导建立不同工况下油管侧向力计算数学模型。分析确定探头和油管的接触力，明确力学参数及边界条件。
[0050] 3)依据所建立的上提偏移及管柱受压侧向力数学模型计算分析接箍探测装置探头侧向力，分析确定探头和油管的最佳接触力。
[0051] 实施例：
[0052] 1.油管柱的受力分析
[0053] 油管柱主要承受的是轴向载荷。它主要包括：管柱在井内液体中的重量Pg、管柱起下时与井壁的摩擦阻力Pf和动载荷Pd、打捞作业时落物的重量及某些井下工具的解封和释放拉力p'g、上顶力Psd等。因此管柱的轴向负荷为：
[0054] p＝pg±pf±pd±pg±psd (1)
[0055] 当上提管柱时摩擦阻力Pf和动载荷Pd取“+”、Psd取“-”，下放时取Pf和动载荷Pd取“-”、Psd取“+”。管柱与井壁的摩擦阻力Pf与井斜和方位
角的大小及变化、井温、井内的液体性能、管柱与井壁间的间隙大小有关。一般取：
[0056] pf＝(0.2+0.3)pg，psd＝p井压×A管柱截面 (2)
[0057] 当上提管柱时,由于摩擦阻力Pf和动载荷Pd都取“+”,所以这个时候管柱所承受的轴向载荷最大，为：
[0058] p＝pg+pf+pd+p'g-psd＝(1.2-1.6)pg+p'g-psd＝apg+p'g＝afqsL+p'g-psd (3)[0059] 式中:a—考虑摩擦力和动载荷式的阻力系数，a＝1.2～1.6,起下不太深时可取a＝1；
[0060] f＝1-r1/r2 (4)
[0061] f—浮力系数；
[0062] γ1—井内液体的密度，kg/m3；
[0063] γs—管柱材料的密度，kg/m3；
[0064] qs—单位长度管柱在空气中的重量，N/m；
[0065] L—油管柱在地面的长度，m。
[0066] 式(3)表明，某一规范油管随着下入深度L的增加，管柱的轴向载荷越大，操作状况和负担的任务不同，管柱的轴向载荷也就不同。
[0067] 2.探头侧向力的计算
[0068] 油管在井口部位发生位置偏移有两种情况：
[0069] 1)管柱偏离井口中心
[0070] 带压作业时，起升装置本身与井口中心偏离，其简化受力情况如图1所示。
[0071] a.侧向力的计算
[0072] AB段弯矩为
[0073] M＝Fsinφ(m-x) (5)
[0074] 饶曲线的微分方程为
[0075] EIy”＝M＝Fsinφ(m-x) (6)
[0076] 积分得
[0077]
[0078]
[0079] 在固定端B，转角和挠度均为0，即
[0080] 当x＝0时，
[0081] y'B＝θ＝0 (9)
[0082] yB＝0 (10)
[0083] 把边界条件(9)、(10)式带入(7)、(8)式得
[0084] C＝EIθ＝0
[0085] D＝EIyB＝0
[0086] 再将所得积分常数C和D带回(7)、(8)式，得转角方程和挠曲线方程分别为[0087]
[0088]
[0089] 以截面A的横坐标x＝m带入以上两式，得截面B的转角和挠度分别为
[0090]
[0091] θA为正，表示截面B的转角时逆
时针的。yA为正表示B点的挠度向上的。
[0092] 根据静力平衡条件∑Fy＝0，∑Fx＝0
[0093] Fsinφ+R＝0 (14)
[0094] Fcosφ-Q＝0 (15)
[0095] 联立：
[0096]
[0097] 式中Q油管轴向负荷，在此种工况下Q＝pg+pf+pd+p'g-psd
[0098] b.应用实例
[0099] 油管基本性能参数为：油管长度l＝1000m,井口处距离m＝2m、油管外径D＝0.073m、井内压力5MPa、油管内径d＝0.062m、泊松比μ＝0.3、油管线密度ρ＝9.67kg/m、弹性模量E＝2.1×105MPa、热膨胀系数α＝1.25×10-51/℃、重力
加速度g＝9.8m/s2、地温梯度T
3 3
＝0.03℃/m，油管内液体密度ρ0＝1×10kg/m。
[0100] 计算油管截面惯性距，I＝π(D4-d4)/64；计算得
[0101] I＝6.683×10-7m4
[0102] 将油管基本性能参数代入式(3)计算油管轴向负荷
[0103] Q＝(0.937×105N～1.316×105N)
[0104] 将油管基本性能参数代入式(15)得
[0105]
[0106] 计算侧向力参数与起升装置初始角度有关，根据现场实际情况tgΦ＝δ/L，δ为起升装置与井口中心偏移距离既大钩偏差，L为起升装置与油管端部距离，tgΦ范围(0-0.01)代入经计算得
支撑力
[0107] R＝(0～1316)N
[0108] 2)管柱受压变形
[0109] 带压作业
下降管柱时，油管本身受压变形，其简化为压杆稳定受力情况如图2所示。
[0110] a.侧向力的计算
[0111] 分段建立受压油管挠曲线方程
[0112] M(x2)＝p(δ-y2) (17)
[0113] 受压杆微弯平衡下的挠曲线方程为
[0114]
[0115] 令 可化为
[0116] y”2+k2y2＝k2δ (19)
[0117] 其通解为
[0118] y2＝Asinkx2+Bcoskx2+δ (20)
[0119] y'2＝Akcoskx2-Bksinkx2 (21)
[0120] BC段弯矩方程为
[0121] M(x1)＝p(δ-y1)-R(h-x1) (22)
[0122]
[0123] 令 可化为
[0124]
[0125] 其通解为
[0126]
[0127]
[0128] 带入边界条件确定常数A、B、C、D，当x1＝0时，有y1＝y1′＝0解得[0129]
[0130]
[0131] 所以有
[0132]
[0133]
[0134] 当x1＝x2＝h时。令kh＝θ，则
[0135]
[0136] 当x2＝h时，y2＝0，则
[0137] Asinθ+Bcosθ+δ＝0 (32)
[0138] 代入边界条件得
[0139]
[0140] 当x1＝x2＝h时，y1′＝y2′
[0141]
[0142] 当x2＝l时，y2＝δ，则A sin kl+Bcoskl+δ＝δ (35)
[0143] 令kl＝φ，则
[0144] A sinφ+Bcosφ＝0 (36)
[0146]
[0147] 化简得
[0148]
[0149] 式中p油管轴向负荷，在此种工况下
[0150] P＝p'g-pg-pf-pd+psd
[0151] 将 kh＝θ代入得
[0152]
[0153] b.应用实例
[0154] 油管基本性能参数为：油管长度l＝1000m，井口处距离m＝2m、h＝1.5m，油管外径D＝0.073m、井内压力5MPa、油管内径d＝0.062m、泊松比μ＝0.3、油管线密度ρ＝9.67kg/m、弹性模量E＝2.1×105MPa、热膨胀系数α＝1.25×10-51/℃、
重力加速度g＝9.8m/s2、地温梯度T＝0.03℃/m、油管内液体密度ρ0＝1×103kg/m3。
[0155] 计算油管截面惯性距,I＝π(D4-d4)/64，计算得I＝6.683×10-7m4
[0156] 计算油管轴向负荷p＝(0-1.055×105N)取最大植p＝1.055×105N将性能参数带入式(39)得
[0157]
[0158] R＝-0.16×105δ
[0159] 负号表示侧向力方向与顶部偏移方向相反，顶部偏移位移范围δ＝(0～0.05)代入，数值经计算得侧向力为
[0160] R＝(0～800)N。
[0161] 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以作出变化和变形，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴。
