酸化压裂管柱力学分析及参数优化研究.

油气装备现代设计与仿真实验室酸化压裂管柱力学分析及参数优化研究二○○九年十一月主讲：刘清友ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments主要内容1.绪论2.国内外管柱力学研究现状及存在问题3.酸压管柱系统轴向载荷分析模型建立4.酸压管柱强度计算5.酸压管柱的变形分析6.井筒温度场数值计算7.井筒压力场数值计算8.酸压管柱失效机理分析与对策9.酸压管柱及酸压工艺参数优化理论研究10.酸压管柱力学分析软件研制11.研究工作总结ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments酸化压裂是油层改造挖潜的一项重要技术措施，为油田高产稳产做出了突出贡献。酸压管柱是酸化压裂赖以实现的工具，酸化压裂设计中很重要的一步就是对整个管柱结构和井下工具组合的设计与优化，保证施工的顺利与有效。1绪论1.1引言ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments某油田压裂工艺是在1986年开始应用。以下是最近四年的压裂井井次情况图：5856708501020304050607080902003200420052006井次年份1.1引言ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments(1)缺乏科学的管柱设计和优化由于管柱受多方面因素影响，力学分析计算异常复杂，因此，对管柱结构设计凭借经验，人为的优化管柱结构。(2)缺乏对封隔器的蠕动状况的了解由于不能掌握管柱在不同井况工况下的受力状况，封隔器的蠕动情况不能很好的把握，反过来影响了管柱中封隔器位置的优化设计，封隔器易蠕动失效。1.2酸压管柱在应用中存在以下问题ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments(3)缺乏对管柱最易破坏状况的了解在施工中，不能找到油管在最恶劣工况条件下可能发生破坏的原因及部位。1.2酸压管柱在应用中存在以下问题ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments(1)收集国内外相关研究成果技术资料，调研分析酸化压裂技术国内外发展现状及存在的主要问题。(2)常规直井、斜井、水平井等酸化压裂管柱结构、井下工具及工作机理的理论分析。(3)综合考虑管柱中的封隔器、油管锚及其他工具和控制机构的作用，建立整个酸化压裂管柱力学分析模型，分析整个管柱在各种工况下的受力与变形。(4)计算单一、组合油管的强度，找到油管在最恶劣工况条件下可能发生破坏的原因及部位，优选油管，提出增加锚定、扶正或补偿的措施。1.3研究内容ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments(5)通过计算管柱在封隔器坐封、解封及其压裂施工、停压状态时的伸缩变形量和轴向应力，分析在不同工艺参数下造成管柱及封隔器失效的原因，提出解决方案。(6)管柱中各工具之间相互作用，力与运动的传递关系研究，提高工具动作及管柱可靠性研究。(7)在管柱力学分析的基础上，进行管柱优选和结构优化理论研究。(8)建立酸化压裂管柱配套工具数据库。(9)编制酸化压裂管柱力学性能综合评价系统软件。1.3研究内容ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments目前，斜井、水平井、侧钻井的大量钻探，井深向深井、超深井发展，油田越来越多地要求管柱入井前需进行强度校核，从设计上确保入井管串及工具在高温、高压复杂工况条件下的安全、可靠性。但是酸化压裂管柱的力学分析越来越复杂，人为计算困难。随着计算机三维图像学和各种力学的发展，建立科学合理的管柱力学模型，应用计算机对酸化压裂管柱进行三维力学仿真以及参数优化已成为以后管柱力学分析发展的必然趋势。1.4研究的目标和意义ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments本项目主要有以下几个方面的研究意义：(1)通过对酸压管柱在不同井况工况下的力学分析，对管柱的设计起到理论指导作用。(2)优化整个管柱结构和井下工具组合，能够指导酸压管柱的现场施工，提高施工成功率。(3)通过项目研究，指导管柱和井下工具新产品的设计，降低生产成本。有利于甲方进一步开拓油田技术服务市场、获得更大的经济和社会效益。1.4研究的目标和意义ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments项目调研，资料收集管柱结构、工作机理分析管柱接箍受力研究管柱力学分析模型建立4in、5in、5½in、7in井直井、斜井、水平井自重、浮力、内外压差、温度场、流体摩阻等不同工况（下井、坐封、工作等）管柱入井时管、液耦合力学模型建立管柱优选和结构优化理论研究酸压管柱力学性能分析和参数优化软件开发注入工具数据库建立现有管柱受力校核生成优化管柱方案及工作参数模型和软件验证试验方案设计与实现模型修改与完善项目资料整理、验收项目调研，资料收集管柱结构、工作机理分析管柱接箍受力研究管柱力学分析模型建立4in、5in、5½in、7in井直井、斜井、水平井自重、浮力、内外压差、温度场、流体摩阻等不同工况（下井、坐封、工作等）管柱入井时管、液耦合力学模型建立管柱优选和结构优化理论研究酸压管柱力学性能分析和参数优化软件开发注入工具数据库建立现有管柱受力校核生成优化管柱方案及工作参数模型和软件验证试验方案设计与实现模型修改与完善项目资料整理、验收项目调研，资料收集管柱结构、工作机理分析管柱接箍受力研究管柱力学分析模型建立4in、5in、5½in、7in井直井、斜井、水平井自重、浮力、内外压差、温度场、流体摩阻等不同工况（下井、坐封、工作等）管柱入井时管、液耦合力学模型建立管柱优选和结构优化理论研究酸压管柱力学性能分析和参数优化软件开发注入工具数据库建立现有管柱受力校核生成优化管柱方案及工作参数模型和软件验证试验方案设计与实现模型修改与完善项目资料整理、验收1.5技术思路ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments1962年，Lubinsiki、Althouse等人开始封隔器管柱螺旋弯曲理论的研究。1980年，Hammwelindle等人扩大了Lubinsiki基本理论的适用条件和应用范围,研究了带封隔器多级组合管柱的受力、应力、位移以及作用于管柱上的液压力的作用效应和“中性点”的计算问题。自80年代起,贝克、斯伦贝谢和Total等公司相继开发管柱受力分析软件，一方面将软件应用2.1国内外管柱力学研究现状2国内外管柱力学研究现状及存在问题ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments于本公司油田生产，另一方面，凭此技术服务国外油田市场。国内学者在吸收国外理论的基础上,采用了不同的方法(解析法、能量法、数值方法和实验方法)，考虑了不同的因素(摩擦影响、井斜影响、内外流体压力影响)对垂直井、定向井、水平井及大位移井中管柱力学行为进行分析，取得了一些成果，开发了一些管柱载荷分析与优化设计软件。2.1国内外管柱力学研究现状ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments2.2国内外管柱力学研究主要存在的问题理论研究方面(1)考虑因素不够全面，没有综合考虑摩擦、内外压、粘滞摩阻、温度、井斜角、井眼弯曲各种因素的影响；(2)在分析临界螺旋屈曲载荷时，是根据其螺旋屈曲状态下的最小势能与稳定状态下的势能（在直井中为零）相等求得的，理论上不够严谨；(3)在分析螺旋弯曲井段管柱的轴力传递时，只是借用垂直井或斜直井中的结果。ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments实验及应用研究方面国内很少进行实验研究工作，国外主要集中在临界载荷的测定上；在作业的过程中管柱下部受力状态的实测数据较少，对实测数据与理论结果的对比分析也开展得不够深入。目前，对于酸压管柱受力分析、变形计算以及管柱的优化设计，现场大多采用经验的方法，没有形成一套完整的理论计算方法作指导。2.2国内外管柱力学研究主要存在的问题ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments2.3某油田酸压管柱结构及主要配套工具井口投球器井口投球器反循环压井洗井开关反循环压井洗井开关管柱伸缩补偿器管柱伸缩补偿器措施层措施层替酸器替酸器封隔器封隔器坐封滑套坐封滑套人工井底人工井底井口投球器井口投球器反循环压井洗井开关反循环压井洗井开关管柱伸缩补偿器管柱伸缩补偿器措施层措施层措施层措施层替酸器替酸器封隔器封隔器坐封滑套坐封滑套人工井底人工井底高温高压酸化压裂管柱用于深井超深井高温高压下的任意层酸化压裂施工。主要由Y241型酸压封隔器等工具组成，液压坐封，上提管柱解封，工艺简单、排液快速、安全可靠。ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments压裂下层管柱酸化压裂下层是目前江汉油田应用最广泛的措施管柱,主要用于酸化压裂下层。该管柱油管加压座封，卸压解封，耐温耐压高，施工简便，安全可靠。Y344Y344封隔器封隔器油层油层节流球座节流球座人工井底人工井底油层油层油层油层水力锚水力锚Y344Y344封隔器封隔器油层油层节流球座节流球座人工井底人工井底油层油层油层油层水力锚水力锚油层油层油层油层节流球座节流球座人工井底人工井底油层油层油层油层油层油层油层油层水力锚水力锚ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments任意层酸化压裂管柱该管柱可以针对性地酸化压裂某一油层，对任意需要压裂改造的油层进行压裂施工，而其他层位不受影响。该管柱不仅工作压力高，而且该管柱具有反洗井通道，可以很方便地进行反洗井冲砂或排酸。油层油层注水层注水层Y341Y341封隔器封隔器坐封球座坐封球座人工井底人工井底油层油层油层油层水力锚水力锚定压喷砂器定压喷砂器Y341Y341封隔器封隔器水力锚水力锚油层油层油层油层注水层注水层Y341Y341封隔器封隔器坐封球座坐封球座人工井底人工井底油层油层油层油层油层油层油层油层水力锚水力锚定压喷砂器定压喷砂器Y341Y341封隔器封隔器水力锚水力锚ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments水力锚水力锚坐封球座坐封球座措施层措施层封隔器封隔器封隔器封隔器封隔器封隔器喷砂器喷砂器喷砂器喷砂器措施层措施层措施层措施层水力锚水力锚坐封球座坐封球座措施层措施层措施层措施层封隔器封隔器封隔器封隔器封隔器封隔器喷砂器喷砂器喷砂器喷砂器措施层措施层措施层措施层措施层措施层措施层措施层分层酸化压裂管柱该管柱可以不动管柱进行两层或三层分层酸化压裂施工，在施工前可以大排量正反替液；而且该管柱可以很方便地进行反洗井冲砂或排酸。因此该管柱施工简单方便，施工成本低。ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments3酸压管柱系统轴向载荷分析模型建立(1)井壁（套管内壁）是刚性的，井径随井深是任意变化的。(2)变形前的压裂管柱轴线与井眼轴线重合，管柱与井壁之间有初始间隙存在。(3)管柱单元所受重力、正压力、摩阻力均匀分布。(4)不考虑起下管柱时的动载荷影响。3.1基本假设ModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments3.2模型建立(北)(下)(东)yxzOTNB)dss(Mt)dss(T)dss(Mb)dss(Qn)dss(QbqCq)s(Mt)s(T)s(Mb)s(Qn)s(QbABModernDesignandSimulationLabforOil&GasEquipments2bg