压裂管柱力学分析

压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity1目录1.前言2.数学模型3.软件4.应用5.结论压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity21.前言在全球范围内，深井、水平井和大位移井越钻越多。绝大多数井需要压裂作业。由于缺少有效的力学分析，油管失效问题经常发生。本文先简单介绍压裂作业，然后建立下入、起出、坐封、解封和注入过程中，管柱力学分析的数学模型。接着，编写了压裂管柱力学分析软件。最后，对几口井的压裂管柱进行了力学分析。压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity32.数学模型2.1压裂作业2.2力学分析的目的2.3压裂过程中管柱的温度变化2.4流体压力计算2.5封隔器的活塞效应2.6油管柱的稳定性2.7拉力-扭矩模型2.8强度分析2.9所有作业过程的数学模型2.10油管柱优化设计2.11打捞、震击器起震、倒扣作业压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity42.1压裂作业封隔器类型卡瓦式水力膨胀式支撑式压裂类型单封隔器双封隔器水力射流套管注入压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity52.2力学分析的目的压裂管柱力学分析就是根据压裂过程，考虑井眼轨道、压裂管柱的组成、井内流体的性能、管柱内外压强、管柱与井壁的摩擦系数、地温梯度、空气温度、油管温度等参数，具体就是压力、粘滞力、重力、摩擦力、扭矩和热应力等参数，计入封隔器的活塞效应、温度变化引起的膨胀效应、井眼导致的管柱弯曲效应、管柱螺旋失稳效应等，建立压裂管柱在不同作业阶段的力学分析的数学模型，并用适当的方法求解。给出沿整个管柱的拉力、扭矩、压力、温度、应力、安全系数、稳定性、伸长等参数。压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity62.3压裂过程中管柱的温度变化过程管柱温度地面测量地面温度下入过程地层温度注入过程取管柱温度为压裂液井口温度和压裂液井底温度的线性函数起出过程地层温度压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity72.4流体压力计算假设：（1）流体为牛顿流体；（2）管柱与套管同心；（3）忽略管柱接头的影响；（4）忽略流体的粘度变化；（5）如果流体处于紊流状态，则默认为水力光滑区。如果没有给出了经验的摩阻系数，就用水力学方法计算。给出了管内流和环空流的压力降的计算公式。计算了管内变径节流阀的压降。压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity82.5封隔器的活塞效应假设：(1)井内液体为牛顿液体；(2)液体不可压缩；(3)井筒液体与地层液体不联通；(4)封隔器轴线与井筒轴线重合。推导出了活塞效应的阻力公式。LpRpRwRo1Ro2P1P2Vxoy压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity92.6油管柱的稳定性分析了油管柱的正弦屈曲和螺旋屈曲。分析了屈曲后的状态。A.Lubinski定义的虚构拉力是错误的。压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity10“内压降低稳定性，外压增加稳定性”是错误的。poRopiRippoRopiRiApo1Ropi1RiBpo2Ropi2RiCFz1Fz1FziioosApApF])())[(21(oo2o1ii2i1z1z2AppAppFF对悬挂管柱，内外压强对稳定性没有影响。对于两端固定的管柱，内压增加降低管柱的稳定性，外压增加提高管柱的稳定性。压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity112.7拉力-扭矩模型假设：(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)略去剪力对作业管柱弯曲变形的影响；(4)井壁呈刚性；(5)管柱与井壁连续接触；(6)油管的中心线可以用井筒中心线代替；(7)井内流体密度为常数，宾汉流体；(8)摩擦系数在某一口井或某一井段为常数；(9)管柱中动载不大，略去。建立了油气井杆管柱拉力—扭矩模型，并给出了应用方法。见SPE26295.压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity122.8强度分析利用(1)拉力产生的轴向应力;(2)扭矩产生的剪应力;(3)井眼弯曲产生的弯曲应力;(4)屈曲产生的弯曲应力;(5)内外压强产生的产生的径向和切向应力;(6)温度变化产生的温度应力。得到(1)应力强度;(2)安全系数;(3)伸长量。压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity132.9所有作业过程的数学模型(1)下入/起出/旋转,预测/监测;(2)通过能力;(3)通过大钩负荷或转盘扭矩计算摩擦系数;(4)油管柱封隔器坐封;(5)注入(无封隔器,单封隔器,双封隔器);(6)油管柱封隔器解封。压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity142.10油管柱优化设计油管柱的优化是一个很困难的工作。假设油管柱的顶部由2-3级给定规格的油管组成，强度高的在上部，强度低的在下部，仅优化第1至3级油管的长度使得油管柱的最小的安全系数等于额定安全系数。Ll1l2l3压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity152.11打捞、震击器起震、倒扣作业打捞作业数学模型;震击器起震数学模型;倒扣作业数学模型。压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity163.软件压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity17用途1井眼轨道计算与绘图；2起下过程管柱力学分析；3压裂、处理事故过程管柱力学分析；4井下状况分析；5管柱优化设计。输入参数1井筒轨道；2作业管柱组合；3井壁套管组合；4油管-套管之间的滑动摩擦系数；5环空流体和管柱内流体性能；6压裂施工参数；7其它参数。输出参数1井眼轨道数据与三维图；2起下作业过程中任意条件下管柱的拉力、扭矩、与井壁的侧压力、安全系数、稳定性和管体伸长量；3压裂、处理事故过程环空压力、管柱内压力、拉力、稳定性、安全系数和管体伸长量等；4井下实际摩擦系数；5优化的管柱组合。压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity18一、系统要求中文WindowsXP/2003+OfficeXP/2003系统环境；系统环境为中文WindowsXP+OfficeXP最优；系统低于中文WindowsXP或/和OfficeXP/2003，则可能不能安装。二、开发语言VisualBasic2008中文版,TeeChart7。三、物理量全部采用国际单位制。压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity194.应用•S97-1•AA压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity20案例-S97-1这是一口直井,深5777m,最大井斜角1°压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity21案例-S97-1S97-1压裂管柱中国石油化工集团公司西北油田分公司工程技术研究院序号管柱名称OD(m)ID(m)壁厚(m)钢级质量(kg/m)长度(m)上接头下接头深度(m)1油管0.08890.0760.00645P-11015.184997.184997.182接头0.0940.0620.016P-110310.344997.523油管0.0730.0620.0055P-1109.52760.775758.294接头0.0980.0450.0265P-110460.315758.65接头0.0980.0450.0265P-110460.455759.056RTTS封隔器0.1110.0460.0325P-110621.185760.237油管0.0730.0620.0055P-1109.529.635769.86压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity22PassthroughabilityTrippingdepthtotalvaluationTrippingouthookloadTrippinginsafetyfactorTrippingoutsafetyfactorTrippinginhookloadRotatinghookloadRotatingtorque压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity23压裂过程中油管柱力学分析过程最小安全系数位置(m)总伸长(m)下到底1.79井口10.07坐封2.03井口8.45注入-封隔器固定1.29井口8.37注入-封隔器滑动0.51屈曲段-6.47解封1.57井口11.29开始起出1.69井口10.37压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity24压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity25对该管柱的总体评价是，安全系数不高。一旦封隔器锚定失败，可能造成管柱屈曲失效。压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity26案例-AA双封隔器压裂这是一口直井，最大井斜角13.5°，位于6100m.压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity27压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity28过程最小安全系数位置(m)总伸长(m)下到底2.49200010.98坐封2.9920009.7注入1.3920009.7解封1.73200013.85开始起管柱2.15200011.85压裂过程中油管柱力学分析从0到2000m,钢级为S-135。从2000m到4000m，钢级为N-80。压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所PetroleumInstituteofYanshanUniversity29最小安全系数为1.39。压裂管柱力学分析2020/6/27燕山大学石油工程研究所Petr