文献综述-水力深穿透工具的三维设计与仿真

文献综述报告本人研究的课题内容为深穿透水力射孔技术，因此在调研工作阶段，我主要阅读和收集了有关水射流技术、油气井的深穿透水力射孔技术、有限元分析、流体力学方面的文献资料和专利文献，同时还参考了一些关于系统建模、机械最优化设计方面的资料。下面就对我所阅读过的文献资料做一下综述。一、国外油气井的深穿透水力射孔技术现状以及我国发展状况水射流技术应用研究始于1945年。而高压水射流技术则是这一领域近三十年来发展起来的一门新技术,目前正广泛应用于煤炭、化工、船舶、交通、建筑、石油等行业切割破岩、清洗除锈等。该技术的应用对提高工效、降低成本、减轻劳动强度及改善工作环境起到了积极作用。随着高压水射流技术的发展,近半个世纪以来,它在石油勘探开发工程中的应用也取得了长足发展。国外80年代.、国内90年代正在开展的深穿透水力射孔技术.,是油田完井工程中增产、增注,提高原油采收率的一项新工艺,是高压水射流技术顺应当今世界”深穿透高孔密”采油技术发展方向而开展的先进技术。1984年美国Penetrators公司首先开展了深穿透水力射孔装置的研制,历时6a,至1989年研制出可以进入地层10ft的”喷管”时液力穿孔系统,并分别于1987、1990、1991年申报了三项美国专利,且已在美国与加拿大的陆上油田应用304口井。美国硅谷系统装备公司1992年开始设计制造深穿透水力射孔机,于1993年完成了全套地面设备及井下工具的加工制造和地面部分室内试验。大庆油田以每套100万美元签约引进三套,当年有一套运抵大庆进行试验。经过大量试验与改进,于1995年开始进行正式井下试验,至1996年底完成5口井的井下试验,孔深最长2m。石油大学(华东)1992年立项,承担总公司科研项目,开展了与美国方案相同的水力射孔装置研制,1997年已完成单元试验、整体加工与组装,并进行地面试验。与此项技术相近,但方式略有不同的还有石油大学(北京)沈忠厚教授与中原油田联合进行的短半径径向水平井钻孔技术研究,至1996年底已完成整套套管系统研制和地面试验。据悉,辽河、华北、吉林等油田拟全套引进硅谷公司的装备,双方进行商业谈判。中国石油报报道,2002年6月23日,吐哈井下公司工程技术人员精心组织,对温西3-508井实施水力喷射深穿透射孔先导性试验,现场施工取得一次成功。这是吐哈油田首次进行此项工艺现场试验,标志着油田开发薄层改造技术工作迈出了实质性步伐。对于复杂断块油田，目前国内仅局限于开发控油断层倾角50度以上的油田。河南油田对张店油田主控断层倾角20－40度、含油宽度仅300米油藏的成功开发突破了这一禁区。张店油田构造位于南阳凹陷张店鼻状构造带，属“叠瓦状”油田。自1973年发现以来，因地下构造复杂，一直未能投入正式开发。去年7月份，河南油田通过对该油田构造、储层及油气分布规律细致研究，使闲置了27年的张店油田投入了正式开发。今年以来，在该断块先后实施了“机杆泵最佳参数组合研究”、“大斜度井油层封隔堵水技术”、“大斜度井射孔优化设计技术”和“声波防蜡高效阀防气技术”等4项技术项目，见到明显效益，不同程度地解决了张店油田含蜡量高、含气量大、斜井油层段堵水难和大斜度井射孔技术要求高等难题。特别是“大斜度井射孔优化技术研究”项目，采用新研究的“深穿透、高孔密、内定向”射孔工艺技术，解决了常规射孔对大斜度井产能造成的影响，而且使原油产量提高了10％－60％。张2103井首次试用该技术，日增油2.7吨。张店油田自去年实施系统开发以来，日产量已由61吨上升到目前的148吨，实现了翻番目标。在这个复杂断块不到一年时间的开发，生产原油44931吨，同时创出了复杂断块油田开发的路子。从事石油工程研究的第一位院士沈中厚,他从事射流技基础理论研究及其在石油钻井工程中应用的研究，将射流技术与钻井工程相结合，在钻井技术上获得了重大发展和多项发明，并在工业应用上取得了显著经济效益，为石油钻井工程应用新技术和经济效益开辟了一条新的途径，作出了创造性的贡献。他讲到:“我们估计，后一步在石油工业的展望里头，我们把现在已经取得的这样一些科研成果，和将要取得的一些科研成果，配套过来，将来在开发我国的低渗透的有机层会大有作用，低渗透的有机层在我们国家，根据目前拿到的储量看，大体上在40亿吨，占我国已经拿到储量的25％，唯一现在没有开发动用的，就是这部分低层的油气层。因为低层的油气层用现在传统的方法来开采，是采不出来的。我们现在准备，用前边所讲过的这么个技术。第一个就是用高压水射流钻头径向水平井技术，第二个就是用深穿透射孔技术，配合起来，我们估计可以进一步解决我国低渗透油气层的开发。”二、深穿透水力射孔技术机理及其优点钻井完成时，需下套管注水泥将井壁固定住，然后下入射孔器，将套管、水泥环直至油(气)层射开，为油、气流入井筒内打开通道，称做射孔。目前国内外广泛使用的射孔器有枪弹式射孔器和聚能喷流式射孔器两大类。深穿透水力射孔技术机理为:即水在专用喷嘴的约束下,以高流速冲刷地层,以高冲击力撞击岩石并切割穿透岩层造孔。与射孔弹射孔比较有以下优点:a．孔眼长而大。目前可造出最深达3m、孔径为30~35mm的孔,属一种典型的小曲率短半径径向钻孔技术。其作业结果增大泄油面积及通道,使产能增加。b．孔眼无污染。利用水力冲刷原理造孔不会对油层造成损害,地层原始结构不变,有利于原油溢出。而射孔弹射孔是利用破甲穿孔原理,一则高速金属流会对油层造成污染,二则高温、高压冲击波靠挤压作用造孔,在孔壁形成压实带,破坏了地层原始结构,使地层渗透率降低70%~80%,导致原油在渗流过程中受阻,产能下降。c．消除污染。深穿透1~3m后,超过了钻井污染带,能形成近井带高导流区;而射孔弹射孔最大射深为0.8m,一般为0.4m,仍然为避开泥井浆对地层的污染。d．套管强度受损小。射孔弹射孔,一次数十发或百发,使井内套管千疮百孔,强度受损,腐蚀加快;而水力射孔孔数少,一般不会造成套管强度受损,腐蚀相对缓慢,油井寿命相对较长。三、深穿透水力射孔的结构及工作原理通过查阅大量的深穿透水力射孔器专利,和目前油气田应用深穿透水力射孔器效果来看,中国专利ZL专利号9723623.3和专利号98203879.8的深穿透水力射孔器的结构比较合理,本课题将在其基础上进一步完善冲头部分的结构.,这正是深穿透水力射孔器的关键部件,直接关系到射孔的效果。本课题所研究的深穿透水力射孔器，它是通过高压液体来驱动装置下部的射孔设备，以达到在井下套管壁上射孔的目的。它主要是由液压导向管、高压管、差压柱塞、挤压器及射孔冲头等部件构成。它既减化了国外复杂的液压射孔装置，又避免了由于爆炸射孔而引起的对油层的污染，并可径向穿过油层污染带射入油层２～３米，非常适用于中国的中、小套管的液压射孔操作。如图1,本课题所研究的深穿透水力射孔器的冲头斜置冲孔,尤其适于小尺寸套管中的冲孔。射孔器主要是在盖板上开设与水平向上倾斜的斜通孔,冲头是由头部与底座相互倾斜构成、且其头部倾斜与盖板的斜通孔倾斜一致,冲头内还开设一水平通道、且该水平通道的出口端穿通冲头刀刃下方的刀面。从而,既能使软管穿过冲头容易,又能避免软管穿过冲头受阻。本课题所研究的深穿透水力射孔器的冲头,是由具有几个横向的薄弱截面组成。其目的是保证井下工作的安全性。射孔冲头的强度太小达不到冲破套管的目的，强度过大冲头滞留在套管与岩石中时，难以破坏冲头,撤出射孔装置。冲头的下侧面开设排水道,排水道的结构设计，要有利于岩石残渣的排除。本课题重点通过对冲头的有限元分析,合理地确定冲头的结构参数,进行优化设计。四、有限元分析有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下：1）物体离散化将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后单元于单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。2）单元特性分析A、选择位移模式在有限单元法中，选择节点位移作为节能位置粮食成为唯一法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元总的一些物理量如位移，应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数，如y=a其中a是待定系数，y是与坐标有关的某种函数。B、分析单元的力学性质根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。C、计算等效节点力物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上得力。3）单元组集利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程（1-1）式中，K是整体结构的刚度矩阵；q是节点位移列阵；f是载荷列阵。4）求解未知节点位移解有限元方程式（1-1）得出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是一分一合，分是为了就进行单元分析，合则为了对整体结构进行综合分析。数值分析的任务，就是从无限维空间转化到有限维空间，把连续统转变为离散型的结构。有限元方法是利用场函数分片多项式逼近模式来实现离散化过程的，也就是说，有限元方法依赖于这样的有限维子空间，它的基函数系是具有微小支集的函数系，这样的函数系与大范围分析相结合，反映了场内任何两个局部地点场变量的相互依赖关系。任何一个局部地点，它的影响函数和影响区域，正是基函数本身和它的支集。在线性力学范畴里，场内处于不同位置的力相互作用产生的能量，可用双线性泛函B(φi,φj)来表示，其中φi,φj正是相应地点的基函数B(φi,φj)的大小与φi,φj支集的交集大小有关，如果两个支集的测度为零，则B(φi,φj)=0，因此，离散化所得到的方程其系数矩阵是稀疏的。若区域分割细小化，则支集不相交的基函数对愈多，矩阵也就愈稀疏。这给数值解法带来了极大的方便。五、优化设计优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出（如重量，面积，体积，应力，费用等）最小。也就是说，最优设计方案就是一个最有效率的方案。设计方案的任何方面都是可以优化的，比如说：尺寸（如厚度），形状（如过渡圆角的大小），支撑位置，制造费用，自然频率，材料特性等。实际上，所有可以参数化的ANSYS选项都可以作优化设计。ANSYS程序提供了两种优化的方法，这两种方法可以处理绝大多数的优化问题。零阶方法是一个很完善的处理方法，可以很有效地处理大多数的工程问题。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。对于这两种方法，ANSYS程序提供了一系列的分析——评估——修正的循环过程。就是对于初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估，然后修正设计