压裂管柱力学行为仿真研究开题报告

压裂管柱力学行为仿真研究开题报告1.工程背景什么是压裂？（压裂技术是改造低渗层使其达到工业性开采的最经济有效的手段之一）压裂是指采油或采气过程中，利用水力作用，使油气层形成裂缝的一种方法，又称水力压裂。油气层压裂工艺过程用压裂车，把高压大排量具有一定粘度的液体挤入油层，当把油层压出许多裂缝后，加入支撑剂(如石英砂等)充填进裂缝，提高油气层的渗透能力，以增加注水量(注水井)或产油量(油井)。常用的压裂液有水基压裂液、油基压裂液、乳状压裂液、泡沫压裂液及酸基压裂液5种基本类型。压裂选井的原则：（1）油气层受污染或者堵塞较大的井；（2）注不进去水或注水未见效的井。压裂技术按照压裂介质可分为水力压裂、高能气体压裂、泡沫压裂、纤维压裂、液化石油气压裂技术等。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。2.国内外研究研究现状2.1国内外压裂技术发展现状简介2.1.1国外研究现状自从1947年7月世界第一口压裂井在美国堪萨斯州大县Hugoton气田Kleppr成功压裂以来至今，压裂技术已由简单的、低液量、低排量压裂增产方法发展成为一项成熟的开采工艺技术，其发展具有以下3个特点：（1）由单井的增产增注进展到整个油藏的总体压裂优化设计最初的压裂改造，仅仅针对单井而言，缺乏对油藏非均质性、水驱采油效率与开采效益的综合考虑，80年代后期，人们把油藏总体作为一个工作单元，将水力割缝与油藏进行匹配研究，使压裂技术与油藏工程结合起来。（2）低渗透油藏“压裂开采”进展到“压裂开发”“压裂开采”是在给定井网条件下进行，由于水力裂缝方位和井距已定，于是匹配的优化缝长就确定下来，这就制约了裂缝的长度和井数的设置。90年代提出的“压裂开发”，是指在部署开发网前就考虑水力割缝方位、长度、导流能力等对油藏生产动态可能造成的影响，通过研究开发井网系统和水力割缝的优化组合，用获得总体优化的经济净效益和最终采收率的井网系统来部署开发井网，最大限度地实现低投入、高产出的目标，使压裂技术与油藏工程结合更加紧密，使低渗透油藏的高效开发成为可能。（3）压裂规模从小型进展到大型压裂作业最初的压裂作业，液量一般只有几立方米，而现代大型压裂作业，液量已达到3000~4000m3。研究致密气藏发展大型压裂技术，现在已应用于各种低渗透油藏中。水力压裂技术从50年代开始以来，就技术而论已成为一项较成熟的石油工程技术。迄今为止，压裂技术是改造低渗层使其达到工业性开采的最经济有效的手段之一。目前国内外关于压裂管柱力学分析的主要技术现状如下：在20世纪60年代，A.Lubinski、W.S.Althouse、J.L.Logan等人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.Hammerlindl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。2.1.2国内研究现状我国在这一方面的研究起步比较晚，八十年代初才开始这方面的工作。1993年，冯建华依据A.Lubinski等人的管柱受力分析理论，建立了双封隔器符合管柱受力分析的数学模型，并结合油田实际，介绍了封隔器受力及其承受压差的计算方法；1998年刘巨保、张学鸿等教授采用“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描述，考虑水平井压裂管柱在井眼曲率作用下产生初始弯曲，弯曲后的压裂管柱在温度、自重、内外压力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，其接触状态随井深和井眼圆周方向随机分布，并结合大庆油田水平井分流压裂管柱工程实例，对压裂管柱进行了受力计算，得出了在不同工作状况下压裂管柱与套管内壁的接触状态、管柱整体变形量、井口载荷以及管柱任一截面处的内力和应力。2003年，孙爱军、窦益华等结合A.Lubinski等人的文献对封隔器压裂管柱的受力、应力以及变形状态作了系统的介绍；2007年，王祖文等人在文献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，得出管柱螺旋弯曲变形量，同时得出管柱在单一效应（活塞效应、温度效应以及鼓胀效应）作用下变形量的简化计算公式，并将4种效应产生变形量的代数和作为压裂管柱整体的变形量。迄今，据有关管柱力学研究文献介绍，现有方法由于各种假设和力学简化上存在差异都有局限性，在定向井、水平井中，没有充分考虑管柱与套管内壁的间隙和接触状态，尤其是将管柱在4种效应单独作用下变形的“代数和”作为压裂管柱整体的变形量，使管柱受力变形分析精度不够高、合理性较差，对一些工程问题（分次压裂管柱在施工中的上提距离，封隔器、水力锚在不同工况中的封隔力、锚定力等）还不能够很好解决，有待于近一步研究和探讨。2.2石油钻采管柱力学研究现状2.2.1国外研究现状国内外研究钻柱力学的文献较多，钻柱静力学研究始于20世纪50年代，钻柱动力学分析始于20世纪60年代的钻柱稳态动力分析，主要选择直井中的钻柱作为研究对象，采用微分方程法作为研究方法，对其纵向和扭转振动进行理论分析与实验研究上世纪80年代，国内外学者通过理论和试验方法开启了近代钻柱动力学研究，微分方程法和有限单元法是其常用的理论方法。由于微分方程法受到求解限制，需对井下钻柱结构、力边界与位移边界条件和钻井液阻尼等做出各种假设与简化，因此导致研究方法、工程应用结论各不相同；有限元法不受方程解法限制，已成为钻柱动力学分析的首选方法。在20世纪60年代，A.Lubinski、J.L.Logan、W.S.Althouse等人率先对压裂管柱进行了研究，他们研究了鼓胀效应、活塞效应、螺旋弯曲效应以及温度效应等引起压裂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”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，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和变形。20世纪70年代末到80年代初，D.J.Hammerlindl在60年代理论的基础上进一步讨论了多级封隔器组合管柱的受力变形问题，研究了液压力对压裂管柱的作用效应和管柱的“中和点”问题。在20世纪80年代，随着定向井、水平井的钻井、采油技术的发展，J.B.cheatham等人对定向井、水平井的管柱螺旋弯曲进行了研究，其研究基本思想是从管柱屈曲出发，考虑管柱的单一变形，应用能量原理推导了计算公式；E.E.Maidle等人通过微元体平衡，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等人针对不同情况下管柱的轴力分布进行了讨论和研究，计算了管柱在水平井和大位移井中的摩擦阻力，给出了管柱在不同情况下的“自锁”条件。2.2.2国内研究现状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。3.压裂管柱力学行为研究意义随着开采油气层的不断变化和井下工具的日益完善，分层分次压裂技术被广泛应用于油气井增产作业，而压裂管柱是压裂作业的唯一承载构件和动力传递件，其管柱变形分析和强度评价直接关系到压裂作业的安全性。作为一种特殊的机械构件，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。研究压裂管柱在不同压裂方式中的摩阻、载荷、应力和变形等力学行为，可为分层分次压裂管柱组合的合理配置以及作业参数的合理选择等提供科学依据。这对于提高作业质量、保证井下作业安全、降低生产作业成本、提高劳动生产率等有着非常重要的实际意义。由于管柱在施工过程中，受到不同环空间隙的套管内壁约束，接触点是随机的，发生接触的点又对其它点的位移产生影响，因此属于多向接触非线性问题。同时，封隔器、水力锚以及滑套喷砂器在下井、坐封以及压裂工况中的运动状态和受力状态比较复杂。因此，研究压裂管柱的受力、应力和变形状态不仅对压裂作业具有重要的实际意义和应用价值，而且也具有一定的理论意义和学术价值。这是一个理论研究和实际应用相结合的研究课题。4.压裂管柱4.1压裂管柱按组配方式压裂管柱按组配方式可以划分为3种：单卡压裂、双卡压裂、分次压裂管柱。4.1.1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。在进行单卡压裂施工之前，下入带有安全接头、防磨接头、水力锚、Y344-115封隔器、节流嘴等组成的直井单卡压裂工艺管柱（见图1.1），装好井口，进行试压，小排量替入一定量的压裂液基液，压裂液经节流