井下管柱受力分析设计软件的研制及应用

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作业工况的管柱摩阻系数反演计算等。

2.3 管柱组合设计

考虑了三维井眼轨迹下的井下管柱与套管的摩擦力、弯曲所产生的附加力、管内流体与管相对运动时产生的摩阻力以及振动载荷等[3]。通过在空间上对管柱进行受力分析,建立了计算任意井眼中管柱轴向载荷的通用模型,可以用来设计任意井眼轨迹井中的生产与作业管柱,分别采用了等安全系数和等应力范围比两种设计方法。

本模块的目的在于事前防止井下故障的发生。充分考虑井下管柱各种受力情况,考虑完井、井下作业或修井可行性,设计安全的管柱组合,保证井下作业的安全,避免管柱发生强度破坏而造成井下复杂事故。

2.4 管柱校核

对油田提出的管柱组合方案进行校核。软件基于三维井眼轨迹,同样考虑了管柱与套管的摩擦力、弯曲所产生的附加力、管内流体与管相对运动时产生的摩阻力以及振动载荷等。分上提、下放、注入、采出四种工况对管柱进行校核,通过求出管柱危险点的安全系数,来判断管柱是否安全。

2.5 封隔器管柱系统计算

封隔器管柱系统在井下工作时,温度和压力的变化,往往会引起系统的受力和管柱长度发生改变[4],导致封隔器过早解封、错封或窜封,乃至无法起出封隔器及其他更为严重的恶性故障。

(1)软件能够准确计算在完井和作业过程中油管和环空内的温度变化和压力变化;

(2)准确计算油管由于压力和温度的变化引起的油管柱长度的变化(包括活塞效应,温度效应,膨胀效应,螺弯效应)以及所产生的附加应力;

(3)封隔器在实际使用中,为了使封隔器避开套管接箍并达到工艺设计要求,准确确定封隔器坐封位置显得尤为重要,软件可以准确确定封隔器坐封位置;

(4)初始油管压缩量计算,是封隔器管柱受力分析计算的重要参数,它不仅能够对封隔器坐封时现场施工提供指导,而且还是后续施工或完井过程中计算管柱的受力和变形的基础;

(5)对于自由移动封隔器管柱受力分析要解决的问题主要有:确定密封段的最小长度,以保证管柱下端的插管密封段在上下移动过程中不能移出密封腔;校核管柱能否出现永久性螺旋弯曲或因张力过大而损坏的情况;(6)对于不可移动封隔器确定封隔器对油管的作用力;校核管柱能否出现永久性螺旋弯曲或因张力过大而损坏的情况;

(7)求出中和点的位置,提示中和点是在管内还是在管外;

设计

由于实钻井眼轨迹都是三维的,为了能更准确地计算井眼中管柱轴向载荷的分布,本软件研究了三维井眼中管柱轴向载荷的计算模型和方法,使任意井眼中的管柱受力计算都更精确。

3.2.4 具有让设计者自定义安全系数的选项当设计者对程序内部提供的安全系数不满意时 ,可以根据现场经验确定安全系数。

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(8)求出在压力和温度变化后封隔器对油管的作用力,进而求出管柱危险点(包括井口)的拉力,计算出管柱危险点的安全系数,校核封隔器管柱的安全性。

3 软件特点

软件界面采用了用户熟悉的Windows风格,功能模块一目了然(如图1)。下面对软件的模型特点和功能特点作简单介绍。

图1 《井下管柱受力分析设计软件》主界面

3.1 模型特点

(1)软件所有的计算模型都来自国内外石油行业公开发表的论文、文献资料、技术报告以及在生产实践中总结出来的经验公式并优先选择了考虑因素较多、先进的、适用性较广的方法。

(2)软件充分结合油田现场实际情况,尽可能的使模型所需参数为实际生产中能获取的数据,使软件的各项功能在油田得到最充分的应用,最大化地体现软件的实用价值。

3.2 功能特点

3.2.1 完善的井眼轨迹计算方法

采用八种不同的数学方法对井眼进行了描述,分别求出井眼曲率、北向位移、东向位移、垂深和水平位移。

3.2.2 可实现三维井眼轨迹的可视化

利用井眼轨迹数据计算井眼曲率、水平位移、垂直位移,描绘三维井眼轨迹图、曲率变化图等。

3.2.3 基于实际井眼轨迹下的对管柱进行受力分析

3.2.5 多级管柱组合设计功能

具有设计组合管柱的功能,组合管柱设计能够充分利用内压、外压和轴向载荷沿井深方向的分布特点,能更好地达到节省管材和降低成本的目的。

3.2.6 管柱设计考虑的载荷效应多

管柱所受的载荷考虑有:管柱自重影响、注入液的浮力作用、注入液体向下流动的粘滞摩阻力、油管起下过程测向力所引起的摩擦力、弯曲引起的附加轴向力和振动载荷等,软件可以精确地反映实际情况。

3.2.7 友好的界面和数据管理

具有完善的油管数据库系统,免去了材料的物理参数的查找和输入,计算结果可视化输出,并可导出到word,生成报告。

4 软件应用实例

该软件在多个油田进行了实际应用,并取得良好的效果。在此仅以某油田XX直井历史数据,利用软件进行封隔器复合管柱在酸化、压裂时的力学分析及校核结果来说明软件应用情况。

4.1 计算选用的基础数据

计算选择的XX直井的基础数据(见表1)和组合油管数据(见表2)如下。

4.2 软件计算结果

XX直井进行封隔器复合管柱在酸化、压裂时的力学分析及校核结果(见表3)如下。

结果分析:从表3可以看出用该封隔器复合管柱在注液排量为7m3/min,泵压为65Mpa时,封隔器管柱不发生永久性弯曲,根据计算油管安全系数大于工程安全值

表1 XX直井基础数据

1.2,管柱强度处于安全许用范围内。

5 结论

《井下管柱受力分析设计软件》是以现代力学理论为模型基础,并结合油田实际应用编制出的一套集计算、设计、数据管理等功能为一体的计算机软件。软件基于实际的三维井眼轨迹,从管柱微段的载荷入手,利用数值计算手段,研究了整个管柱的载荷计算和多级管柱设计,可用于指导施工工艺设计、管柱选型和安全校核等。实践证明,软件功能丰富、计算快捷、用户界面友好、具有较强的实用性,利用本软件可明显地提高工作效率和质量。

参考文献:

[1] Xiaojun He,Sangesland S,Halsey G W.Anintegrated three-dimensional wellstring analysisprogram.SPE 22316,June.1991:17-20.

[2] 檀朝东 闫学峰等.大位移水平井完井管柱力学分析研究. 石油矿场机械,2008,37(2):20-24

[3] 高德利.油气井管柱力学与工程.山东:中国石油大学出版社,2006.

[4] 江汉石油管理局采油工艺研究所.封隔器理论基础与应用.石油工业出版社,1983.142

作者简介:张任良,男,2005年7月毕业于燕山大学。2008年6月获燕山大学工程力学专业硕士学位,并攻读上海大学博士学位。现于北京雅丹石油技术开发有限公司、石油软件在线网从事软件研发及技术服务工作。E-mail:zhrleo@gmail.com

表3 XX直井封隔器复合管柱酸化、压裂计算结果

表2 XX直井油管数据

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