水平井多封隔器管柱力学分析及安全评价

针对水平井多封隔器管柱在井下多种载荷的共同作用下易引起管柱失效的安全问题,基于力学研究中的多杆件的多次超静定结构,引入力法对多封隔器之间管柱进行受力分析,同时考虑温度效应、活塞效应、鼓胀效应和螺旋屈曲效应的影响,建立考虑多封隔器影响的轴向力数学模型;在此基础上建立多封隔器管柱力学安全强度评价准则和封隔器控制信封失效判断方法,对现场水平井多封隔器管柱进行力学分析和安全评价。研究结果表明,建立的考虑多封隔器影响的轴向力数学模型计算结果大于常规不考虑多封隔器影响时轴向力,若不考虑多封隔器的影响将低估多封隔器管柱的轴向力,而造成管柱受力危险;同时对管柱危险位置和封隔器进行安全评价,得到了酸化作业时油压和套压的综合控制参数,以期为水平井多封隔器管柱安全工作参数的优化设计提供理论依据。     

力法在多封隔器管柱轴向力分析中的应用

坐封后,多封隔器管柱为超静定结构,常规单封隔器管柱轴向力的求解方法不适用于该结构。鉴于此,以直井多封隔器管柱为研究对象,基于力法和杆件变形理论,建立了多封隔器管柱超静定结构轴向力的计算模型,推导出轴向力的表达式。以四封隔器管柱为例,考虑压裂工况,分析了温度效应和鼓胀效应下四封隔器间3段管柱的轴向力,对比了文中方法与传统计算方法的结果。研究表明:两种算法计算的差值与温度和压力及其变化量无关,而与封隔器间管柱段的长度有关;两者差值随井深的增加而增加;某段管柱长度的变化对上部管柱段的差值没有影响,而使下部管柱段的差值变化。与传统计算公式逐段计算管柱受力不同,该方法可同时计算封隔器间每段管柱的轴向力,结果更加精确。     

多级多段细分注水管柱动态力学分析及蠕动规律

为准确分析多级多段注水管柱在不同工况下的动态力学性能及蠕动现象,在考虑井筒三维轨迹及多级多段注水管柱空间受力的基础上建立注水管柱三维力学模型,分析封隔器处受力连续性条件和注水管柱动态力学性能,研究封隔器的蠕动机制,提出多级多段注水管柱力学蠕动计算方法。针对河43-12井注水管柱,开展不同作业工况下的蠕动分析。结果表明:所提出蠕动算法的计算结果误差范围为8%～15%,具有较高的准确性;不同工况转换过程中,由于温度、压力变化剧烈,管柱蠕动明显,各级封隔器蠕动变化规律随时间变化基本一致;注水管柱施加刚性锚定后,各级封隔器蠕动量均大幅减小。     

带封隔器的注泡沫管柱受力分析及强度校核

采用聚合物强化泡沫驱油时,井口压力的大小会影响管内流体压力分布,进而影响管柱受力情况。分析不同井口压力下管柱三轴受力情况,对管柱进行强度校核,可以避免压力过大而破坏管柱和引发事故。当前还没有一套比较完整的带封隔器注泡沫管柱受力分析和强度校核的数学模型。在质量、能量和动量守恒定律的基础上,考虑泡沫流体压力、温度和密度的相互关系和封隔器上下不同受力规律,建立了管柱受力模型,对管柱进行了三轴应力强度校核。实例井检验结果表明:随井深增加,管柱所受泡沫流体的内压力增大;且井深越大,趋势越明显;随井口压力的增大,管柱内压力、封隔器以下外挤力相应增大,管柱三轴抗外挤强度减小,其他受力和强度值变化较小。此模型还可以对不同泡沫质量、泡沫种类及钢级等情况下的管柱进行受力分析和校核,为油田管柱的优选提供理论指导。     

油管柱的受力与变形

随着深井技术和压裂工艺的日益发展,对油管柱的要求便越来越高。本文结合矿场实际,系统地阐述管柱的抗拉强度及组合,管柱在井内的自由伸长及封隔器管柱的受力与变形等管柱在几种常见情况下,受力与变形分析及计算方法,并列举应用实例,以供参考。最后还简要地介绍了管柱不致产生永久性螺旋弯曲的条件。     

塔河超深水平井分段压裂管柱力学分析方法

塔河油田顺托顺南区块奥陶系油藏储层属于超高温超高压超深的缝洞型油藏,由于直井难以实现高效开发,需要采用水平井分段改造技术,实现一井多缝洞体同时开发以提高效益。针对超深水平井压裂管柱温度高、施工压力大,受力复杂等特点,建立了超深水平井分段压裂管柱力学分析模型,并根据不同压裂阶段受力特征,提出了不同压裂工况下管柱力学分析方法。依据所建立模型,以塔河油田顺南某井为例,对分段完井管柱设计进行了不同压裂工况下受力分析,针对发现问题进行了管柱优化,提高了管柱安全性能。分析结果也表明,该模型为超深水平井分段压裂管柱安全校核和优化设计提供了理论依据和方法。     

塔河超深裸眼分层注水管柱变形计算与对策

塔河油田奥陶系碳酸盐岩油藏的分层注水存在注水层位深、地层温度高、下部为裸眼完井的特殊性,前期试
注井裸眼封隔器K341 失效导致试注失败。为了分析失效原因,建立了超深分层注水管柱的力学模型,分别计算了试
注管柱在不同工况（入井、坐封、注水、关井、洗井等）在各种力学效应综合作用下封隔器K341 相对于带水力锚的套
管封隔器Y241 的蠕变量。计算表明,当封隔器K341 基本坐封后,在封隔器Y241 坐封过程中封隔器K341 将产生
0.3∼0.6 m 的蠕变量,直接导致了封隔器K341 的破坏。针对该问题,制定了超深裸眼分层注水管柱防蠕动技术对策,
优化了相应的注水管柱结构：安装伸缩节、优化封隔器K341 结构使其与封隔器Y241 启封压力一致、封隔器K341 两
端安装扶正器以在入井过程中保护胶筒。     

封隔器对油管螺旋屈曲的影响分析

油管的螺旋屈曲对封隔器有严重的影响。本文将管柱分为在封隔器附近的空间梁柱段和与约束管壁连续接触的屈曲构形段,通过、分析求解管柱屈曲后所满足的四阶强非线性常微分方程,考虑管柱的固支端部边界条件和连续条件,得到了屈曲管柱变形的解析解。进而得到了管柱在封隔器附近的内力等。所得解析结果与Ｓｏｒｅｎｓｏｎ的数值结果一致。     

裂缝性地层中水平井压裂裂缝起裂新模型

对裂缝性地层中的水平井进行水力压裂时,井筒附近的天然裂缝会对压裂产生影响。现有压裂裂缝起裂压力计算模型所考虑的影响因素各有侧重,且尚未考虑井筒附近天然裂缝产生的诱导应力场对起裂压力造成的影响。本文基于弹性力学及岩石力学理论,综合考虑了井筒周围天然裂缝的诱导应力、压裂液渗滤效应、岩石温度变化、封隔器影响等因素,建立了一个适用于裂缝性地层中的水平井压裂裂缝起裂压力计算模型,且计算简便便于推广。本文根据实例计算分析了天然裂缝影响起裂压力的各个因素,并进行了对比。计算结果表明,一定条件下井筒周围天然裂缝对起裂压力影响明显,采用以前的起裂压力计算模型误差较大。     

分层注水工艺管柱变形量计算

针对目前分层注水工艺中所使用2个或2个以上封隔器的相互作用,使得管柱的变形量计算趋于复杂的问题。以水力压缩式封隔器分层注水工艺管柱为例,较详细的分析了管柱受力坐封前、坐封后和注水3个过程中的受力状态和变形情况,并对注水时层间压差引起的受力差异给出了重点分析,推导出了管柱在不同过程中的受力及变形计算公式。为层流注水工艺解决层间矛盾,调整油层平面上注水分布的均匀性提供了理论依据。     

Y441型封隔器的研制及在气井完井射孔联作中的应用探讨

针对气井先射孔后压井完井的工艺存在易伤害气层的问题。在大庆敖南油田的一口水井改气井中,利用了Y441型封隔器完井管柱串和射孔管柱串同时入井,射孔后不动管柱直接完井的联作工艺。该井应用的Y441型封隔器通过计算机辅助工程方法进行了强度校核,现场证明满足了施工要求。该联作工艺的实施有效解决了上述问题,具有显著的经济和社会效益。     

海上高温高压井完井管柱安全性设计

东方1-1气田高温高压储层生产管柱在生产过程中存在变形量大、生产初期井口节流压降与温降大,以及特殊的环空密闭憋压等问题,具有安全生产隐患。因此对该类气井开展完井管柱安全性设计研究具有重要的现实意义。通过油管携液、油管防冲蚀、水合物的预防、油管柱强度校核、密闭环空压力变化分析、射孔管柱振动与减震措施研究,开展了海上高温高压井完井管柱安全性设计。该设计方法成功应用到东方1-1高温高压气田,对其他海上高温高压气田的开发还具有良好的指导作用。     

井壁变形和摩擦阻力对底部钻具组合的影响

将井壁变形与摩阻因素引入力学模型,以滑动摩擦为主建立了摩擦模式,用文氏弹性地基模拟井壁变形(即弹性井壁),应用有限元理论,研究了井壁与钻柱的相互作用对钻头侧向力的影响。计算结果表明,对较软地层井壁变形的影响不可忽视,尤其对三维井眼或造斜钻具,井壁变形对钻头侧向力的影响很大;摩擦与井眼弯曲共同产生了方位侧向力,而摩擦对井斜侧向力影响很小;稳斜钻具的钻头侧向力受井眼弯曲、井眼蚀变因素的影响较为突出。     

深层水平井机械坐封过程力学精细描述

目前现场机械坐封井口悬重释放值的选取主要依赖经验。针对深层水平井,经验参数保守易造成封隔器受损,严重影响坐封效果和测试作业安全的问题。基于机械坐封原理,充分考虑井眼轨迹、管柱屈曲摩阻及管柱变截面的影响,结合三维软杆模型,建立了深层水平井机械坐封过程的管柱力学分析模型;将该模型应用于现场某深层水平井机械坐封悬重释放值的设计,计算结果与现场实测误差为7%,验证了模型的可靠性。参数敏感性分析表明：测试管柱轴向受载主要受管柱的井眼轨迹摩阻与屈曲摩阻影响;增大油套管环空间隙与有效轴向压缩力会使屈曲加剧;严重的屈曲将使管柱锁死,导致释放的悬重不能有效传递;封隔器位置决定了坐封阶段井眼轨迹导致的摩阻力大小,位置越靠近井底,管柱摩阻与屈曲摩阻将进一步增加,最终降低坐封效率。     

复杂力学环境中完井管柱屈曲行为及其防控措施

复杂力学环境中完井管柱由于处于超高温、高压的环境下,容易发生管柱屈曲,大大影响了管柱的服役寿命.基于弹塑性力学理论建立了实际井况下油管柱屈曲行为分析的有限元力学模型,并在此基础上分析了复杂力学工况下管柱的屈曲形态、横向位移等,再针对加扶正器、优化产量以及伸缩管的设计等缓解管柱屈曲措施对管柱屈曲行为的影响程度开展了研究.结果 发现:在苛刻工况下,油管柱底部易发生较为复杂的屈曲,从井深5 500 ～7 300 m井段的油管柱产生了螺旋屈曲的构型,整段屈曲段长达2 400 m;本文工况下,伸缩短节数达到6个后,全井段油管柱的屈曲段长度和管柱弯曲应力的减小速率大幅降低,伸缩短节的个数对管柱屈曲及弯曲应力影响大幅减弱.对于复杂环境下气井工况而言,控制产量对管柱屈曲行为改善最为明显,其次为扶正器设计,为提高油管柱寿命及气井完整性提供了技术支撑.     

大牛地气田双封分层压裂投产管柱研究应用

大牛地气田属低孔、低渗、低压、多层系气藏,部分井单层压裂改造不能满足经济有效开采要求,需要采用双封隔器分压二层,压后不动管柱投产合采。针对液压式封隔器组合分层压裂管柱存在的问题,研究出一套适合大牛地气田分压改造后直接合采投产的井内管柱。该管柱采用机械式封隔器组合,提高了压裂管串的可靠程度,特别是开发出了双滑套喷砂器,在压裂施工结束后不用动管柱而通过双滑套喷砂器实现下部气层与上部气层的连通,满足了压后不动管柱直接投产、二层合采的需要。从2005年至2006年7月,应用该管柱在大牛地气田进行了57口井114层的压裂施工,工具应用成功率达97.0%,取得了显著成效。     

超稠油双管泵下掺蒸汽井筒加热降粘举升工艺

根据传热学和两相流原理,建立了超稠油双管泵下掺蒸汽井筒加热降粘举升过程中蒸汽与产液沿井筒传热与流动的热力学模型。计算了蒸汽与产液沿井筒的温度分布和压力分布,进行了抽油杆柱受力分析与抽油杆柱设计。运用该模型对辽河油田一口井的超稠油双管泵下掺蒸汽井筒加热降粘效果进行了分析计算,结果表明,只要加大掺汽量或提高蒸汽干度,该项工艺可用于超稠油开采。这一结果为避免抽油杆柱的断脱提供了分析依据。