压裂管柱力学分析及优化设计软件

压裂管柱力学分析及优化设计软件汇报交流北京雅丹石油技术开发公司汇报目录一、技术背景简介二、软件功能简介三、软件理论简介四、现场应用实例一技术背景简介压裂管柱受多方面因素影响，力学分析计算异常复杂，因此，对压裂管柱结构设计通常凭借经验优化管柱结构，而缺乏必要的科学根据。但是随着采油技术的不断发展，强烈要求发展一系列适合高温、高压、超深井的管柱力学分析软件，从而指导作业和生产。一技术背景简介目前为止，国内外管柱力学分析软件的理论基础仍是上世纪80年代之前由鲁宾斯基，汉姆威灵德等人建立的管柱螺旋弯曲理论，不足以解决高温，高压，超深斜井和水平井的管柱力学问题。一技术背景简介国内一些著名管柱力学专家，如中国石油大学的高德利，高宝奎，西南石油大学的刘清友等都以科研项目的形式做过一些管柱力学方面的研究，取得了不少针对性较强的成果，但是通用性有限。此外，国外一些科研机构利用流体力学中的相似原理进行相似管柱模拟实验，如美国的塔尔萨大学石油工程系，也取得一定的成果。一技术背景简介利用一般的管柱力学理论无法得到高温、高压，超深井中压裂管柱力学计算令人满意的结果，其中的主要问题有：（1）封隔器的蠕动状况不明（2）高压施工时动态载荷的抽象不合理（3）屈曲变形临界载荷判断和计算的理论存在缺陷；（4）没有针对具体的工况分析清楚管柱的载荷和约束情况，无力学影响因素的主次之分。尤其是第四点对管柱的力学分析影响最大。一技术背景简介针对该问题，分析了压裂管柱施工过程中的各种工况，对其逐个进行载荷和约束的抽象，进一步分析了:(1)每一个载荷的三要素：大小，方向和作用点(2)每个约束的位置和约束类型(3)在此基础上，完善了管柱力学模型(4)采用精确的单元平衡计算原理进行压裂管柱的力学分析。汇报目录一、技术背景简介二、软件功能简介三、软件理论简介四、现场应用实例二软件功能简介1：油气井基本数据输入模块2：压裂管串设计模块3：压裂管柱力学分析模块4：压裂管柱强度校核模块5：压裂管柱稳定性分析模块6：压裂管柱变形分析模块软件主要功能模块该模块只需输入井眼各测点的基本参数：测深、井斜角、方位角；采用八种不同的数学方法：正切法、平均角法、平衡正切法、曲率半径法、最小曲率法、弦步法、自然参数法、空间圆弧法对井眼进行描述，能分别求出井眼曲率、北向位移、东向位移、垂深和水平位移，绘制井身三维轨迹图等，并为后面的力学、变形计算提供基础数据。油气井基本数据输入模块输入井眼轨迹数据井眼轨迹数据的输入可以直接由excel表格粘贴测深（斜深）、井斜角、方位角等参数，也可直接由文件导入。油气井基本数据输入模块由测点数据，可以采用不同的描模型对井眼进行数学描述油气井基本数据输入模块三维井眼描述油气井基本数据输入模块二软件功能简介软件主要功能模块1：油气井基本数据输入模块2：压裂管串设计模块3：压裂管柱力学分析模块4：压裂管柱强度校核模块5：压裂管柱稳定性分析模块6：压裂管柱变形分析模块压裂管柱的管串设计模块图库中有丰富压裂管串各组成部分的图形；数据库中有相应管串的几何和材料数据，可以方便快捷的进行复杂的压裂管串的设计。压裂管串设计模块模块界面压裂管串设计模块输出整体图形压裂管串设计模块二软件功能简介软件主要功能模块1：油气井基本数据输入模块2：压裂管串设计模块3：压裂管柱力学分析模块4：压裂管柱强度校核模块5：压裂管柱稳定性分析模块6：压裂管柱变形分析模块逐一分析如下工况的载荷和约束情况：（1）下放（2）上提（3）座封（4）解封（5）压裂（6）停压，从而把实际工况与力学模型准确对应起来；在此基础上完善了管柱力学分析模型并采用精确的单元平衡计算原理进行压裂管柱的力学计算分析。压裂管柱力学分析模块软件针对管串模块中的设计方案，计算上述工况下的轴力、侧向接触力等主要力学量，并能直观显示轴向拉力、侧向接触力沿井深的分布。压裂管柱力学分析模块压裂管柱轴向力分析压裂管柱力学分析模块二软件功能简介软件主要功能模块1：油气井基本数据输入模块2：压裂管串设计模块3：压裂管柱力学分析模块4：压裂管柱强度校核模块5：压裂管柱稳定性分析模块6：压裂管柱变形分析模块对已设计好的压裂管串方案进行强度校核。软件利用力学计算模块的计算结果结合压裂管柱各部分的安全性要求，可以对（1）下放、（2）上提、（3）座封、（4）解封、（5）压裂、（6）停压等工况下的测试管柱进行强度校核。压裂管柱强度校核模块二软件功能简介软件主要功能模块1：油气井基本数据输入模块2：压裂管串设计模块3：压裂管柱力学分析模块4：压裂管柱强度校核模块5：压裂管柱稳定性分析模块6：压裂管柱变形分析模块前述工况中只有（1）座封、（2）压裂等工况需要进行稳定性分析。软件利用力学分析的轴向压力计算结果对压裂管柱座封、压裂工况进行螺旋屈曲等稳定性分析。压裂管柱稳定性分析模块二软件功能简介软件主要功能模块1：油气井基本数据输入模块2：压裂管串设计模块3：压裂管柱力学分析模块4：压裂管柱强度校核模块5：压裂管柱稳定性分析模块6：压裂管柱变形分析模块压裂管柱变形分析模块采用力学轴力分析结果和稳定性分析结果，考虑压裂管柱材料的本构关系和几何参数等，对（1）下放（2）上提（3）座封（4）解封（5）压裂（6）停压工况下管柱的轴向变形量进行计算。软件针对管串模块中的设计方案，计算上述工况下的主要形变量——轴向伸缩量，并能直观显示管柱轴向变形沿井深的分布。汇报目录一、技术背景简介二、软件功能简介三、软件理论简介四、现场应用实例1)圆柱螺线圆柱螺线指测段内井斜变化率（1/R）为常数，轨迹在水平平面（方位平面）内投影曲线为常数曲率（1/r）的圆弧。αααkRrατRαrRαkαφαφαcossin)(1211)(sin1)(22422该测段圆柱螺线的曲率该测段圆柱螺线的挠率1井身轨迹参数的计算软件采用了八种算法，在此以计算精度相对较高的圆柱螺线和空间圆弧曲线的曲线法为例进行说明。三软件理论12122121cossinsincoscosarccosLLφφααααk这里空间圆弧是指某一直角坐标系中空间斜平面上的圆弧，其实质仍是平面圆弧。根据微分几何原理，任何平面曲线的挠率都是0，圆弧曲线的曲率为常数（圆弧曲线的特征）。因此对于空间圆弧，只需求出其全角，然后除以弧长即可得到曲率。由关于最小曲率插值计算的讨论可导出空间圆弧的曲率计算公式如下：三软件理论2）空间圆弧法计算公式2管柱力学分析1）基本假设为了叙述方便，采用了如下基本假设:(1)管柱处于线弹性变形状态;(2)管柱横截面为圆形或圆环形;(3)略去剪力对管柱弯曲变形的影响(4)井壁（套管内壁）是刚性的；(5)变形前的压裂管柱轴线与井眼轴线重合；(6)管柱单元所受重力、正压力、摩阻力均匀分布；(7)不考虑起下管柱时的动载荷影响。三软件理论2）力学平衡方程三软件理论2/2sin2sin2cos2cos2cos21332121122212qdlmmqdlFqdlnTTqdlnTTFDFMMFFFFdlqTTnpndpnnpndpnnyxzOTNB)dss(Mt)dss(T)dss(Mb)dss(Qn)dss(QbqCq)s(Mt)s(T)s(Mb)s(Qn)s(QbAB3）几何方程设管柱变形线任意一点的矢径为,其中ｌ和ｔ分别为管柱变形前的弧长和时间变量。自然曲线坐标系为(et,en,eb),其中et,en和eb分别为管柱变形线的切线方向、主法线方向和副法线方向的单位向量,参见图2-1。表示管柱发生位移和变形后的曲线坐标，由微分几何可知:),(tlrr三软件理论nnbtbbnnnbttkskk=sksseeeeeeereksssksskbnb2332222222,,rrrrr式中,kb和kn分别为点的曲率和挠率；r三软件理论4）本构方程设管柱的抗弯刚度为（N.m2）,抗扭刚度为（N.m2）,忽略剪力的影响,则本构方程为:式中,E为弹性模量（Pa）,I为截面惯矩（m4）,G为剪切弹性模量（Pa）,J为截面极惯矩（m4）,γ为管柱的扭转角（rad）,Ft为管柱的轴向拉力（N）,T为温度的增量（℃）,ε为线膨胀系数(1/℃),Mt为管柱的扭矩（N.m）。sγGJMTεlsEAFsγGJsEIttttt)1()(eeeM三软件理论1.3不同工况下管柱载荷分析上述微分方程的边界条件与具体的作业工况有关，对于不同的作业工况，边界条件是不同的1。上提、下放过程2。旋转式中，为井口拉力，为油管柱总长。其中大钩负荷与指重表读数之间的关系为∶上提：下放：式中,为指重表读数,为起升系统有效绳数,为单个滑轮的传递效率。0(0)MW(0)F0(L)M0(L)Ftohtttη)n(1)ηη(1WWnogohnnogohη)nη(1)η(1WWortohtttT(0)MW(0)F0(L)M0(L)F三软件理论弯曲产生的附加力BDCAydlB’A’CDa弯曲前b弯曲后dlEDdlyE2max三软件理论流体摩阻力计算)D(dlT摩阻LpDLpr42三软件理论1.4带封隔器管柱动载分析压力和温度的变化会引起封隔器管柱的四种基本效应。（1）、活塞效应：活塞效应因油管内外压力作用在管柱直径变化处和密封管的端面上引起。L：封隔器到井口的距离；E：杨氏模量，钢E＝3×10磅/英寸2As：油管壁的横截面积。sllEAFL三软件理论（2）、螺旋弯曲效应：由于压力作用在密封管端面和管柱内壁面上引起。r：油管套管之间的径向间隙；I：油管横截面积对其直径的惯性距Ff=Ap(ΔPi-ΔPo)ΔPi：油管内压力的变化；ΔP0：油套环空压力的变化；EIWFrf8222三软件理论（3）、鼓胀效应：由于压力作用在管柱的内外壁面上引起。μ：材料泊松化，钢μ＝0.3；Δρi：油管中流体密度的变化；Δρo：环形空间流体密度的变化；R：油管外径与内径的比值；δ：流动引起的单位长度上的压力降，假定δ＝C，当向下流动时为正，当没有流动时，δ＝0；ΔPis：井口处油压的变化；ΔPos：井口处套压的变化；LRRELREisisoi1222122223三软件理论（4）、温度效应：由于管柱的平均变化温度引起的效应。β材料的热膨胀系数。上述四种基本效应即可以单独地，也可以复合地发生在同一管柱上面，当四种基本效应同时发生时，管柱总的长度变化为各单独效应所引起的长度变化的总和。TLT三软件理论三软件理论3管柱强度分析3.13.1单轴应力强度校核：单轴应力强度校核：由于管柱通常受到拉、压、弯、扭的综合作，所以需要考虑管柱在综合应力作用下的强度分析问题：（1）对于受拉段，其综合应力为（2）对于受压但没有失稳段，其综合应力为（3）对于受压处于失稳段，其综合应力为22223)]()[()(τσσσσσσσσσσσσσbtθθrrbtθrbti22223)]()[()(τσσσσσσσσσσσσσbtθθrrbtθrbti22223)]()[()(τσσσσσσσσσσσσσσσσbcbtθθrrbcbtθrbcbti三软件理论3.23.2三轴应力强度校核三轴应力强度校核三软件理论4管柱变形分析4.1管柱坐封前初始变形siioobaEALPAPAdDEKqLLLL)_)(280665.9222（前PiP0APA0Ai三软件理论4.2虎克伸长△Ｌ10011PAAPAAALALFLPiiPss