压裂管柱力学行为仿真研究开题报告

本科毕业设计（论文）开题报告题目：压裂管柱力学行为仿真研究学生姓名廖培成学号1203020241教学院系机电工程学院专业年级过程装备与控制工程2011级3班指导教师黄云职称单位西南石油大学2目录1、研究背景........................................................32、压裂管柱国内外研究及使用现状...................................43、压裂管柱使用过程中存在的问题....................................54、预期解决问题的方案..............................................65、进度安排........................................................66、参考文献........................................................73压裂管柱力学行为仿真研究1研究背景1.压裂管柱基本介绍1.1压裂管柱作用随着各新老油田的不断开采，油气层的渗透率不断降低，采收率也随之降低，而压裂作业是改进油气层渗透率、提高油气井产量的有效途径之一，压裂管柱是实现压裂作业的关键工艺管柱，不合理的压裂管柱设计和施工参数引起压裂管柱结构失效在油田时有发生，造成大量的物力和财力损失。因此压裂管柱不同工况下的力学行为分析是多数油田亟待解决的关键问题之一。1.2压裂管柱组配方式的分类1.2.1单卡压裂单卡压裂一般为笼统压裂，可用于井深3000～4000m、工作压力70MPa、工作温度150℃的井，该压裂方式不仅承压高，施工过程方便、可靠，而且还能适应高砂比，大砂量的压裂。[1]1.2.2双卡压裂双卡压裂一般为分层压裂，可对不同压力、不同渗透率地层分别进行压裂改造，这种管柱需组配多个封隔器和水力锚，可采用上提法使一趟管柱选压2～3个地层，同时压裂过程中出现砂堵，可利用导压喷砂器立即反洗冲砂，冲砂后可继续压裂作业，卡距内采用高强度油管连接，抗拉强度高，避免压力过高而拉断。[23]41.2.3分次压裂分次压裂工艺可以实现不移动管柱[45]进行分层分次压裂作业，不仅可处理多层压裂地层，而且可使渗透率不好的层段得到改造，克服了多次压裂，施工复杂，周期长，难度大的缺点。2压裂管柱国内外研究现状2.1国内情况概述我国从上世纪八十年代开始压裂管柱力学方面的工作。1993年，冯建华[6]依据A.Lubinski等人的管柱受力分析理论，建立了双封隔器管柱受力分析模型，结合油田实际，给出了封隔器受力及其承受内外压差的计算方法；1998年，张学鸿、刘巨保[7~10]等人采用“多向接触摩擦间隙元法”对水平井压裂管柱的受力变形状态进行了分析，压裂管柱在水平井眼中的大位移问题用管柱的初始弯曲来考虑，弯曲后的压裂管柱在自重、内外压力、温度和局部集中力的综合作用下再次发生变形，变形后的压裂管柱必将与套管内壁产生接触，应用间隙元来模拟随井深和井眼圆周方向随机分布的管柱接触摩擦状态，并对水平井分流压裂管柱进行5了受力变形计算，得出了在不同工作状况下管柱压裂整体变形量、井口载荷、管柱与套管内壁的接触状态以及管柱任一截面处的内力和应力。2003年，孙爱军、窦益华等[11~14]对压裂管柱的受力、应力以及变形状态作了的介绍与分析；2007年，王祖文等[1516]人中运用微元体法和静力平衡方程、小挠度梁弯曲理论建立了井下管柱屈曲变形微分方程，求解管柱螺旋弯曲变形量，能够分别计算管柱在温度效应、活塞效应以及鼓胀效应的单一作用下的变形量，将各种效应产生变形量的累加后即得到压裂管柱整体的变形量。生丽敏选取压力、温度变化显著的酸化压裂管柱作为研究对象进行了力学分析和计算，计算分析了管柱载荷的变化规律、管柱的变形及强度，从而确定出各工况下的工艺参数。杜现飞以深井高温高压条件下的压裂管柱为研究对象，考虑井眼轨迹、管柱结构等因素建立了压裂管柱力学模型，研究了深井压裂管柱在内压、外压、自重、套管支撑反力、流体粘滞摩阻力等多种载荷复合作用下的变形。错误!未找到引用源。2.2国外情况概述在20世纪60年代，A.Lubinski、W.S.Althouse、J.L.Logan等人[17]率先对封隔器压裂管柱进行了研究，他们研究了鼓胀效应、温度效应、活塞效应以及螺旋弯曲效应等4种效应所引起管柱轴向位移和轴向载荷的计算问题，提出了管柱内外流体压力对管柱弯曲的等效作用力——“虚构力”(FictitiousForce)的概念，并利用能量原理对直井中带有封隔器管柱的螺旋弯曲等进行了研究，并推导出直井压裂管柱在4种效应作用下的变形公式，进而计算出压裂管柱的轴向位移的计算公式。20世纪70年代末到80年代初，D.J.Hammerlind[18~20]在A.Lubinski理论的基础上进一步讨论了带封隔器多级组合管柱的受力、应力和位移问题，讨论了作用于管柱上液压力的作用效应和“中和点”计算问题。随着定向井、水平井采油技术的发展，在20世纪80年代，J.B.cheatham[21]等人对定向井、水平井和管柱螺旋弯曲又进行了研究，其研究的基本思想仍同A.Lubinski，从管柱屈曲出发，应用能量原理推导了管柱在单一变形的计算公式；E.E.Maidle等人[22]通过微元体平衡，用矩阵传递法对定向井摩擦阻力进行了分析。到了20世纪90年代J.Wu[23~26]和H.C.Juvkam-wold对管柱在大位移井和水平井中管柱的摩擦阻力的计算进行了研究，针对不同情况下管柱的轴力分布进行了讨论和研究，并给出了管柱在不同情况下的“自锁”条件。3压裂管柱使用过程中存在的问题在压裂管柱施工过程中，管柱在自重、井眼曲率、温度、内外压差、粘滞摩阻力、弯矩以及封隔力、锚定力等多种载荷组合作用，使管柱在一定的应力水平下发生变形。在不同的井下条件和作业工况，管柱的受力、应力和工作状态也不断发生变化，若应力或变形过大，将会导致管柱破坏等作业事故，尤其是在高温高压深井压裂过程中，由于管串长、沿程阻力大，造成施工泵压高，最高泵压可达到80MPa；井底温度高、施工时间长，使得压裂管柱常处于不同的平衡状态或在不同平衡状态之间转换，导致油管受力变形和封隔器密封失效，从而造成严重的井下作业事故。在我国新疆、四川等探区的高温高压深井、定向井进行压裂作业过程中，已发生多起井下作业事故，造成了巨大的经济效益。造成这些作业事故的一个重要原因就是不了解压裂管柱在不同平衡状态下的力学行为，而设计压裂管柱或选择施工作业参数时，没有合理考虑压裂作业中管柱的应力和变形状态变化。压裂过程中管柱受力变形分析准确与否，已经成为影响压裂施工成败的关键因素之一。[27~30]64预期解决问题的方案对具体的压裂管柱在不同工况下进行力学行为仿真分析，找到封隔定位元件准确的定位位置及各井下工具在不同工况下的受力和管柱不同工况下的变形和最大应力。1、建立压裂管柱力学模型；2、建立压裂管柱不同工况下的边界条件；3、模拟仿真压裂管柱不同工况下各井下工具的受力及管柱的位移和最大应力；5进度安排设计（论文）的进程安排序号设计（论文）各阶段内容起止日期1收集和分析有关压裂管柱的相关资料，写出开题（综述）论证报告，准备开题答辩；1月11日～2月28日2学习有限元和ABAQUS软件；3月1日～3月28日3建立压裂管柱仿真模型；3月29日～4月11日4建立不同工况下压裂管柱仿真模型边界条件；4月12日～4月25日5模拟仿真分析并写出仿真分析报告；4月25日～5月15日6翻译英文文献；整理和撰写论文，进行答辩前准备。5月16日～5月31日7设计（论文）的预期结果1、开题论证报告一份。2、“压裂管柱力学行为仿真研究”论文一份。3、翻译与设计题目有关的英文文献20000印刷字符。下达任务日期：2015年1月11日要求完成日期：2016年5月31日指导教师（签名）：教研室主任（签名）：院系负责人审定（签名）：6参考文献[1]马卫荣，裴付林，张波.塔河油田酸压工艺管柱研究[J]新疆石油学院学报，2004，16(3)：48-52.[2]生丽敏.井下管柱力学分析及优化设计[D].成都：西南石油学院，2005.[3]姜瑞忠，蒋廷学，汪永利.水力压裂技术的近期发展与展望[J].石油钻采工艺，2004，26(4)：52~56[4]丁鹏，闫相祯.高压注水管柱力学分析[J].石油钻探技术，2005，33(6)：47~50[5]王宏坤.不动管柱两层压裂及排液一体化技术研究[D].大庆石油学院工程硕士学位论文，2007.[6]冯建华、罗铁军、金学锋.双封隔器复合管柱受力分析方法及应用[J].石油钻采工艺，1993，16(2)：65~68.[7]刘巨保，栾绍信，张学鸿.水平井压裂管柱受力变形分析的间隙元法[J].石油学报，1994，15(1)：135~140.[8]李文魁.深井高能气体压裂技术试验研究[J].石油钻采工艺，1995(2)：55~60.[9]虞建业.江苏油田分层压裂工艺技术与研究[J].试采技术，1995，16(2):38~42.[10]刘巨保，张学鸿，朱振锐.水平井分流压裂管柱设计与力学分析[J].8天然气工业，1998，18(3)：46~49.[11]陈明忠.分层压裂技术在多层开采中的应用[J]钻采工艺，2001，24(4)：81~82.[12]岳惠，余梅卿，鲁献春，等.高压分层酸化管柱的研制和应用[J].石油机械，2001，29(2)：44~46.[13]Josef.shaul,EdgarFolmar,KlaaasvanGijtenbeek,Halliburton.HydraulicFracturingimprovesRecoveryinaLayeredReservoirUnderWaterfloodinKazakhstan[R].SPE75146,2002.[14]孙爱军，徐英娜，李洪洌，等.注水管柱的受力分析及理论计算[J].钻采工艺，2003，26(3)：55~57.[15]窦益华，张福祥.高温高压深井试油井下管柱力学分析以其应用[J].钻采工艺，2007，30(5)：[16]王祖文，林玉玺，窦益华.大庆油田高温深井试气井下管柱力学分析及应用[J].大庆石油地质与开发，2007，26(6)：102~106.[17]Lubinski,A.,Althouse,W.S.,Logan,J.L.HelicalBucklingofTubingsealedinPackers[J].JPT,1962,14(3):pp655-670.[18]Hammerlindl,D.L.Movement,ForcesandStressesAssociatedwithCombinationTubingStringssealedinPackers[J].PET,1977,29(1):pp195-208.[19]Hammerlindl,D.J.BasicFluidandPressureForcesonoilwellTubular[J].J.PET.Tech.,1980,32(3):pp153-159.[20]Hammerlindl,D.J.Packer-to-TubingForcesforIntermediatePackers[J].J.PET.Tech.,1980,32(2):pp515-527.[21]Cheatham,J.B.,Pattillo,P.D.HelicalPostbucklingConfigurationofaWeightlessColumnUndertheActionofanAxialLoad[J].SPE,J.1984,(4):pp467-472.[22]E.E.Maidla,A.K.Woitanowicz.Predictingofcasingrunningloadsindirectionalwell.The20thannualOTCinHouston,Tekas,May2-5,19