酸化壓裂管柱力學分析與參數(shù)優(yōu)化研究

酸化壓裂管柱力學分析與參數(shù)優(yōu)化研究第一頁，共78頁。二○○九年十一月第二頁，共78頁。主要內容緒論國內外管柱力學研究現(xiàn)狀及存在問題酸壓管柱系統(tǒng)軸向載荷分析模型建立酸壓管柱強度計算酸壓管柱的變形分析井筒溫度場數(shù)值計算井筒壓力場數(shù)值計算酸壓管柱失效機理分析與對策酸壓管柱及酸壓工藝參數(shù)優(yōu)化理論研究酸壓管柱力學分析軟件研制研究工作總結第三頁，共78頁。

酸化壓裂是油層改造挖潛的一項重要技術措施，為油田高產穩(wěn)產做出了突出貢獻。酸壓管柱是酸化壓裂賴以實現(xiàn)的工具，酸化壓裂設計中很重要的一步就是對整個管柱結構和井下工具組合的設計與優(yōu)化，保證施工的順利與有效。1緒論1.1

引言第四頁，共78頁。

某油田壓裂工藝是在1986年開始應用。以下是最近四年的壓裂井井次情況圖：井次年份1.1

引言第五頁，共78頁。(1)

缺乏科學的管柱設計和優(yōu)化由于管柱受多方面因素影響，力學分析計算異常復雜，因此，對管柱結構設計憑借經驗，人為的優(yōu)化管柱結構。(2)

缺乏對封隔器的蠕動狀況的了解由于不能掌握管柱在不同井況工況下的受力狀況，封隔器的蠕動情況不能很好的把握，反過來影響了管柱中封隔器位置的優(yōu)化設計，封隔器易蠕動失效。1.2

酸壓管柱在應用中存在以下問題第六頁，共78頁。

(3)

缺乏對管柱最易破壞狀況的了解在施工中，不能找到油管在最惡劣工況條件下可能發(fā)生破壞的原因及部位。1.2

酸壓管柱在應用中存在以下問題第七頁，共78頁。

(1)

收集國內外相關研究成果技術資料，調研分析酸化壓裂技術國內外發(fā)展現(xiàn)狀及存在的主要問題。

(2)

常規(guī)直井、斜井、水平井等酸化壓裂管柱結構、井下工具及工作機理的理論分析。

(3)

綜合考慮管柱中的封隔器、油管錨及其他工具和控制機構的作用，建立整個酸化壓裂管柱力學分析模型，分析整個管柱在各種工況下的受力與變形。

(4)

計算單一、組合油管的強度，找到油管在最惡劣工況條件下可能發(fā)生破壞的原因及部位，優(yōu)選油管，提出增加錨定、扶正或補償?shù)拇胧?.3

研究內容第八頁，共78頁。(5)

通過計算管柱在封隔器坐封、解封及其壓裂施工、停壓狀態(tài)時的伸縮變形量和軸向應力，分析在不同工藝參數(shù)下造成管柱及封隔器失效的原因，提出解決方案。

(6)

管柱中各工具之間相互作用，力與運動的傳遞關系研究，提高工具動作及管柱可靠性研究。

(7)

在管柱力學分析的基礎上，進行管柱優(yōu)選和結構優(yōu)化理論研究。

(8)

建立酸化壓裂管柱配套工具數(shù)據(jù)庫。

(9)

編制酸化壓裂管柱力學性能綜合評價系統(tǒng)軟件。1.3

研究內容第九頁，共78頁。

目前，斜井、水平井、側鉆井的大量鉆探，井深向深井、超深井發(fā)展，油田越來越多地要求管柱入井前需進行強度校核，從設計上確保入井管串及工具在高溫、高壓復雜工況條件下的安全、可靠性。但是酸化壓裂管柱的力學分析越來越復雜，人為計算困難。隨著計算機三維圖像學和各種力學的發(fā)展，建立科學合理的管柱力學模型，應用計算機對酸化壓裂管柱進行三維力學仿真以及參數(shù)優(yōu)化已成為以后管柱力學分析發(fā)展的必然趨勢。1.4

研究的目標和意義第十頁，共78頁。本項目主要有以下幾個方面的研究意義：

(1)

通過對酸壓管柱在不同井況工況下的力學分析，對管柱的設計起到理論指導作用。

(2)優(yōu)化整個管柱結構和井下工具組合，能夠指導酸壓管柱的現(xiàn)場施工，提高施工成功率。

(3)

通過項目研究，指導管柱和井下工具新產品的設計，降低生產成本。有利于甲方進一步開拓油田技術服務市場、獲得更大的經濟和社會效益。1.4

研究的目標和意義第十一頁，共78頁。1.5

技術思路第十二頁，共78頁。

1962年，Lubinsiki、Althouse等人開始封隔器管柱螺旋彎曲理論的研究。

1980年，Hammwelindle等人擴大了Lubinsiki基本理論的適用條件和應用范圍,研究了帶封隔器多級組合管柱的受力、應力、位移以及作用于管柱上的液壓力的作用效應和“中性點”的計算問題。自80年代起,貝克、斯倫貝謝和Total等公司相繼開發(fā)管柱受力分析軟件，一方面將軟件應用2.1國內外管柱力學研究現(xiàn)狀

2國內外管柱力學研究現(xiàn)狀及存在問題

第十三頁，共78頁。于本公司油田生產，另一方面，憑此技術服務國外油田市場。國內學者在吸收國外理論的基礎上,采用了不同的方法(解析法、能量法、數(shù)值方法和實驗方法)，考慮了不同的因素(摩擦影響、井斜影響、內外流體壓力影響)對垂直井、定向井、水平井及大位移井中管柱力學行為進行分析，取得了一些成果，開發(fā)了一些管柱載荷分析與優(yōu)化設計軟件。2.1國內外管柱力學研究現(xiàn)狀

第十四頁，共78頁。2.2國內外管柱力學研究主要存在的問題

理論研究方面

(1)

考慮因素不夠全面，沒有綜合考慮摩擦、內外壓、粘滯摩阻、溫度、井斜角、井眼彎曲各種因素的影響；

(2)

在分析臨界螺旋屈曲載荷時，是根據(jù)其螺旋屈曲狀態(tài)下的最小勢能與穩(wěn)定狀態(tài)下的勢能（在直井中為零）相等求得的，理論上不夠嚴謹；

(3)

在分析螺旋彎曲井段管柱的軸力傳遞時，只是借用垂直井或斜直井中的結果。第十五頁，共78頁。

實驗及應用研究方面

國內很少進行實驗研究工作，國外主要集中在臨界載荷的測定上；在作業(yè)的過程中管柱下部受力狀態(tài)的實測數(shù)據(jù)較少，對實測數(shù)據(jù)與理論結果的對比分析也開展得不夠深入。目前，對于酸壓管柱受力分析、變形計算以及管柱的優(yōu)化設計，現(xiàn)場大多采用經驗的方法，沒有形成一套完整的理論計算方法作指導。2.2國內外管柱力學研究主要存在的問題

第十六頁，共78頁。2.3某油田酸壓管柱結構及主要配套工具

高溫高壓酸化壓裂管柱

用于深井超深井高溫高壓下的任意層酸化壓裂施工。主要由Y241型酸壓封隔器等工具組成，液壓坐封，上提管柱解封，工藝簡單、排液快速、安全可靠。第十七頁，共78頁。

壓裂下層管柱

酸化壓裂下層是目前江漢油田應用最廣泛的措施管柱,主要用于酸化壓裂下層。該管柱油管加壓座封，卸壓解封，耐溫耐壓高，施工簡便，安全可靠。第十八頁，共78頁。

任意層酸化壓裂管柱

該管柱可以針對性地酸化壓裂某一油層，對任意需要壓裂改造的油層進行壓裂施工，而其他層位不受影響。該管柱不僅工作壓力高，而且該管柱具有反洗井通道，可以很方便地進行反洗井沖砂或排酸。第十九頁，共78頁。

分層酸化壓裂管柱

該管柱可以不動管柱進行兩層或三層分層酸化壓裂施工，在施工前可以大排量正反替液；而且該管柱可以很方便地進行反洗井沖砂或排酸。因此該管柱施工簡單方便，施工成本低。第二十頁，共78頁。3酸壓管柱系統(tǒng)軸向載荷分析模型建立

(1)

井壁（套管內壁）是剛性的，井徑隨井深是任意變化的。

(2)變形前的壓裂管柱軸線與井眼軸線重合，管柱與井壁之間有初始間隙存在。

(3)管柱單元所受重力、正壓力、摩阻力均勻分布。

(4)不考慮起下管柱時的動載荷影響。3.1基本假設第二十一頁，共78頁。3.2模型建立第二十二頁，共78頁。3.3幾何方程重力在各矢量方向的分量第二十三頁，共78頁。(1)曲線坐標S處(A點)的集中力F(s)為:(2)

微元段s+ds處(B點)的集中力F(s+ds)為:3.4平衡方程第二十四頁，共78頁。(4)單位長度管柱浮重(3)微元段上ds的均布接觸力為:受力平衡條件

3.4平衡方程第二十五頁，共78頁。力矩平衡力平衡3.4平衡方程第二十六頁，共78頁。3.5物理方程

對于圓截面彈性管柱，假設管柱抗彎矩剛度EI，則物理關系為

第二十七頁，共78頁。

采用解非線性方程組的擬牛頓迭代法進行求解，可得到管柱任意深處的軸向力、摩擦阻力及扭矩等。

3.5物理方程第二十八頁，共78頁。4酸壓管柱強度計算4.1酸壓過程中的應力分析

酸壓過程中管柱的應力是由其內、外部液體壓力與軸向拉伸或壓縮載荷產生的，外力所產生的應力可用3個主應力來描述。

第二十九頁，共78頁。軸向應力周向應力徑向應力4.1酸壓過程中的應力分析第三十頁，共78頁。4.2管柱強度校核

單軸強度校核：

三軸應力校核：管柱綜合安全系數(shù)：

第三十一頁，共78頁。PiP0APA0Ai5酸壓管柱的變形分析5.1酸壓管柱坐封前初始變形

第三十二頁，共78頁?；钊?、螺旋彎曲效應、鼓脹效應、溫度效應、軸向動應變。

5.2酸壓過程中的變形軸向動應變第三十三頁，共78頁。5.3封隔器等工具對酸壓管柱力學行為的影響

第三十四頁，共78頁?；⒖松扉L△Ｌ1：PiP0APA0Ai活塞效應

由于油管的內、外壓力發(fā)生變化、，酸壓管柱的活塞力和管柱的長度也將發(fā)生變化?；钊ψ兓癁椋夯钊Φ淖兓鸬挠凸艿拈L度變化為：5.3封隔器等工具對酸壓管柱力學行為的影響

第三十五頁，共78頁。螺旋彎曲伸長△L2管柱的螺旋彎曲從油管底部與中和點的距離為：酸壓管柱螺距：其中：虛構力：5.3封隔器等工具對酸壓管柱力學行為的影響

第三十六頁，共78頁。

螺旋彎曲引起酸壓管柱長度變化量（中和點未超過管柱的上端）為：

螺旋彎曲引起酸壓管柱長度的變化量（中和點超過管柱的上端）為：5.3封隔器等工具對酸壓管柱力學行為的影響

第三十七頁，共78頁。內外流體壓力變化引起的鼓脹力為：由鼓脹效應引起管柱的長度變化為：鼓脹伸長△L35.3封隔器等工具對酸壓管柱力學行為的影響

第三十八頁，共78頁。

由于溫度效應發(fā)生在整個管柱上，因此考慮用管柱的平均溫度：

酸壓管柱因平均溫度的變化而引起管柱的力和長度的變化為：式中：——井口溫度；——井底溫度。

熱膨脹系數(shù)溫度伸長△L45.3封隔器等工具對酸壓管柱力學行為的影響

第三十九頁，共78頁?？偵扉L△L油管柱在封隔器內可自由移動時，整個管柱的長度變化為：

5.3封隔器等工具對酸壓管柱力學行為的影響

第四十頁，共78頁。

溫度場計算模型的用途：確定豎直井筒在注液過程中管柱及近井地帶的溫度分布。精確求解傳質過程中管柱溫度變化值,以便將其作為溫度效應計算的已知數(shù)據(jù)，輸入程序求解溫度變形。6井筒溫度場數(shù)值計算

6.1溫度場計算模型的必要性

第四十一頁，共78頁。(1)

注液前，溫度分布服從穩(wěn)定的地溫梯度變化。

(2)考慮井筒半徑方向、井深縱向的熱傳導，進行三維空間軸對稱問題求解。

(3)油管、套管和井徑尺寸在一定長度上不隨井深變化(分段常數(shù))。

(4)地層原始溫度分別滿足線性關系：基本假設6.2溫度場計算模型的基本假設第四十二頁，共78頁。徑向熱流密度：

縱向熱流密度：

傳質引起的熱傳導

根據(jù)熱傳導原理，采用空間真三維模型分析入井液體攜帶熱量隨溫度的變化規(guī)律，得到熱傳導基本方程。6.3溫度場控制方程第四十三頁，共78頁。溫度場單元劃分

6.4溫度場控制方程求解第四十四頁，共78頁?？v向節(jié)點編號

注入流體原有流體混合單元1243Zabab井筒流體混合單元6.4溫度場控制方程求解第四十五頁，共78頁。時間差分格式

=0.5，Crank-Nicolon格式，把時間推進作線性化處理；=0.6，Galerkin格式作，把時間推進拋物線變化處理；改進加權平均計算溫度的方法，模擬實際工況，提高精度。6.4溫度場控制方程求解第四十六頁，共78頁。

在完成井下管柱四種基本效應計算方法研究,井筒溫度精確求解之后,作為引起管柱鼓脹、螺彎、活塞變形的壓力參數(shù)，在其精確求解后，作為已知數(shù)據(jù)解算管柱變形量也是至關重要的。7井筒壓力場數(shù)值計算

第四十七頁，共78頁。井筒內流體的一維流動壓力的動量方程摩阻引起的壓力變化：-τ動能變化引起的壓力變化重力和井斜角

7.1井筒流體動量方程

第四十八頁，共78頁。

許多文獻給出了一些流動的摩阻系數(shù)τ的計算公式，但需要很多流體的物理性質參數(shù)才能計算，一般都難以可靠精確求得，所以大多數(shù)是根據(jù)具體問題采用經驗公式確定。在管柱注液過程時，流體產生三種摩阻損失：內管內的水力摩阻、環(huán)空內沿程水力摩阻、環(huán)空內局部阻力。7.2摩阻系數(shù)計算

第四十九頁，共78頁。LP2V1ττP1d0d1d2

流體運動分析V1R1斷面面積A1斷面面積AC斷面面積A2R′OR2OVcV2環(huán)空局部摩阻7.2摩阻系數(shù)計算

第五十頁，共78頁。內管水力摩阻

環(huán)空水力摩阻

局部水力摩阻

7.2摩阻系數(shù)計算

第五十一頁，共78頁。8酸壓管柱失效機理分析與對策隨著油井的長期開采，井筒狀況日益惡化，管柱失效問題也越來越突出，優(yōu)化封層管柱結構、提高坐封質量成為一項非常重要的工作。通過對酸化管柱的受力、強度和失效原因分析,提出并初步實施了切合實際的工藝改進方案和行之有效的技術改進措施,使分層酸化作業(yè)的成功率得到有效提高。第五十二頁，共78頁。

(1)

封隔器短期失效；

(2)

封隔器中途釋放；

(3)

管柱漏失；

(4)

封隔器未釋放；

(5)

管柱活動困難。8.1管柱失效類型第五十三頁，共78頁。

(1)

封隔器本身質量的影響

(2)

封隔器膠筒承載能力受限

(3)

使用與管理不當?shù)挠绊?/p>

(4)

管柱的蠕動

(5)

其它8.2管柱失效的原因分析第五十四頁，共78頁。9.1管柱下放作業(yè)時管液耦合模型的建立

在酸壓管柱下放井下作業(yè)過程中，由于管液的水擊作用，如果管柱下放最大速度過大，剎車時間太短，常常引起較大的瞬時壓差，造成封隔元件、錨定元件的中途坐封，因此很必要對酸壓管柱入井的水擊作用進行分析。管內液體與管柱耦合力學模型9酸壓管柱及酸壓工藝參數(shù)優(yōu)化理論研究第五十五頁，共78頁。

由振動理論得注水管柱在靜平衡位置作阻尼振動的速度方程為：式中：——振幅（）；

——管柱阻尼振動的圓頻率（）。

由阻尼振動的速度方程可知，在初始位置：時管柱速度取得最大值。9.1管柱下放作業(yè)時管液耦合模型的建立

第五十六頁，共78頁。管柱內井液相對管柱的最大流速為：式中為管內井液上行的速度。

由流體力學理論可知，管柱內井液對封隔器產生的瞬時最大水擊壓差為：式中：為井內液體的密度；為壓力傳播速度，。9.1管柱下放作業(yè)時管液耦合模型的建立

第五十七頁，共78頁。

油套環(huán)空中井液向上流動經封隔器等井下工具截面發(fā)生突變處，在封隔器等井下工具上下端產生節(jié)流壓差，節(jié)流壓差過大易造成壓縮封隔器膠筒使其徑向膨脹與套管接觸，從而在酸壓管柱下放過程中損壞密封膠筒。管柱入井井液流動示意圖（a）底部為絲堵（b）底部為單向閥

管外液體與管柱耦合力學模型9.1管柱下放作業(yè)時管液耦合模型的建立

第五十八頁，共78頁。

由伯努利方程得封隔器上、下兩端面壓差為：式中：斷面2-2位置水頭；管柱底部為絲堵為：管柱底部為單向閥為：9.1管柱下放作業(yè)時管液耦合模型的建立

第五十九頁，共78頁。

深井超深井(>4000m)要用組合油管,封隔器采用Y241。

壓下層9.2管柱組配原則第六十頁，共78頁。

(1)對于一般酸壓，封隔器采用Y341。

(2)對于深井超深井(>4000m)，高壓壓裂時采用Y241封隔器，上部接伸縮管。

分層酸壓

9.2管柱組配原則第六十一頁，共78頁。10酸壓管柱力學分析軟件研制

主要模塊及功能10.1軟件設計酸壓工具數(shù)據(jù)庫模塊軟件輸入模塊管柱起下過程中的摩阻及軸力計算模塊管柱各工況下的應力計算模塊管柱強度及安全系數(shù)計算模塊管柱溫度場、壓力場計算模塊管串伸縮變形量計算模塊管柱結構設計模塊井眼軌跡三維仿真模塊第六十二頁，共78頁。

軟件總體結構圖10.1軟件設計第六十三頁，共78頁。

軟件數(shù)據(jù)庫設計

10.1軟件設計第六十四頁，共78頁。

軟件流程

開始參數(shù)輸入管柱設計溫度場、壓力場計算管柱校核符合要求？修改管柱結構否是否安全？是否輸出報告結束開始基本參數(shù)輸入管柱結構輸入溫度場、壓力場計算管柱校核修改管柱結構是否安全？否輸出報告結束10.1軟件設計第六十五頁，共78頁。

軟件開發(fā)環(huán)境及運行環(huán)境

10.2軟件實現(xiàn)軟件開發(fā)環(huán)境：開發(fā)工具：MicrosoftVisualBasic6.0MicrosoftAccess2000中文版；開發(fā)平臺：Windows。運行環(huán)境：

Windows2000及以上版本，Word2000或更高版本。

第六十六頁，共78頁。

軟件計算實例

廣7-18井基本資料參數(shù)表10.2軟件實現(xiàn)第六十七頁，共78頁。廣7-18井油層套管數(shù)據(jù)

廣7-18井壓裂工藝參數(shù)表

10.2軟件實現(xiàn)第六十八頁，共78頁。10.2軟件實現(xiàn)廣7-18井壓裂管柱

第六十九頁，共78頁。

經計算得到管柱上提最大軸力263.002kN，下放最大軸力247.479kN，上提最大摩阻6.075kN，下放最大摩阻6.079kN，上提最大扭矩0.222kN.m下放最大扭矩0.221kN.m，最大組合應力425.346Mpa。

管柱由于各種效應影響，坐封前位移前管柱伸長2.1m，酸壓過程中管柱位移8.429m，但由于水力錨的存在，管柱的位移表現(xiàn)為錨定力。10.2軟件實現(xiàn)第七十頁，共78頁。管柱綜合評價表10.2軟件實現(xiàn)第七十一頁，共78頁。通過分析，前面設計的酸壓管柱結構在所有工況下油管不會發(fā)生強度失效(包括油管抗滑扣、抗內壓、抗永久性螺旋彎曲等)，封隔器等井下工具也處于安全狀態(tài)。在施工時要求：管柱最大下放作業(yè)速度3.48m/s，管柱起升載荷范圍在286.755-313.002之間，在套管注入30MP的平衡壓力情況下，油管最大注入壓力為130.75MPa。10.2軟件實現(xiàn)第七十二頁，共78頁。10.3軟件評價

(1)

面向現(xiàn)場工程師的程序界面，界面友好，操作簡單；

(2)

分析出的數(shù)據(jù)有重要參考價值，圖形顯示直觀；

(3)管柱圖形交互式繪圖，方便、直觀；