Wellcat钻井完井管柱设计介绍

高温高压井管柱设计和分析软件– WellCat

WellCat可为管柱设计提供一体化设计和分析解决方案。WellCat解决了管柱设计学科中的最复杂问题，即精确预测井下温度、压力剖面、管柱载荷和由之引起的位移等难题。在Windows操作环境下的Wellcat软件由5个可独立运行的模块（Drill钻井、Pro开发、Casing套管、Tube油管、Multistring多管串）组成。

对高温高压油井不采用WellCat进行设计的潜在危险是，由于环空流体膨胀可能造成管柱失效，造成井漏和井喷，考虑到油藏的油气损失、勘探和开发费用以及对健康安全和环境（HSE）的影响。

该软件主要解决常温套管设计软件所不能解决的如下管柱设计中的最复杂的难题：

①水下油井的环空热膨胀是否会引起套管损坏――内层管柱挤毁，外层管柱崩裂？

②由温度、压力产生的对整个套管和油管系统的载荷会不会引起井口移位运动及载荷的重新分布？

③如何消除套管和油管的弯曲，或将其限制在一定的范围内？

④在深井钻井过程中，套管在未凝固的水泥是否弯曲，在采油过程中，如何避免这类问题？

⑤小排量的反循环顶替封隔液对油管是起加热还是冷却作用？

⑥在确保安全和可靠的前提下，有没有大幅度降低管材成本的途径？

解决以上问题，需要解决三大重点问题，这也是WELLCAT所具有的三大主要功能：

功能之一：精确模拟井的生命周期中任何时刻时的井下温度场与压力场

功能之二：分析各种工况下管柱的受力情况，完成三轴应力校核

功能之三：模拟流体膨胀与管柱变形情况，计算由此而来的附加载荷

WELLCAT具有五个独立的模块，分别是：Drill钻井、Pro开发、Casing套管、Tube 油管、Multistring多管串。

➢瞬态及稳态分析

➢在分析热交换过程中，考虑井眼周围一定范围内的地层温度的变化，提高了温度模拟精度

➢各模块交叉分析，减少分析步骤。如，在管柱受力分析的同时调用模拟井内流体、井壁、管柱温度与流体压力，有效加快分析过程

➢通过不同阶段的管柱受力分析，预测管柱的寿命

➢不但适用于高温高压井，同样可用于常规井分析

（一）Drill（钻井）模块

模拟钻井过程（包括正常钻进、起下钻、循环、测井、固井、挤水泥，打水泥塞）中的温度与压力变化情况，为调整钻井液、水泥浆性能提供依据，依据高温高压水力学计算方法精确控制流体循环压力，确保钻井的完全进行、提高固井质量。其中功能特点包括：

➢计算钻井、固井、井眼调整时的流体循环温度、压力剖面，包括流体温度与管柱（钻柱、下入工具、套管柱）温度变化情况，如图1.

图1 不同工况下井内温度的变化情况

➢考虑钻井过程中（钻柱运动、旋转，钻井液流动）温度的干扰

➢考虑钻井流体、固井流体属性（密度、流变性等）受温度与压力的影响，进行高温高压环境下的水力学计算

➢精确计算水泥浆注替及候凝过程中的温度与压力变化，有效帮助控制地层压力➢具有套管或者衬管固井，挤水泥、打水泥塞时的模型

➢从测井曲线中计算原状地层温度梯度

➢适用于各种类型的钻井液与固井水泥浆

（二）Pro（开发）模块

其分析模式类似于Drill（钻井）模块，特征包括：

➢模拟开发过程中各个生产过程的温度与压力的变化情况

➢适用于开发过程中任何环节，包括：酸化压裂、关井、生产（油、气、水）、热采、气举、连续油管生产、注水、洗井、绝缘油管生产、反注、挤水泥、打水泥塞及各种封隔器类型。

（三）Casing（套管）模块

这是一个强大的套管柱强度校核模块，在温度、压力模拟的基础上，根据不同工况下套管的载荷情况计算套管的三轴应力，完成三轴应力校核。

与常规的管柱校核软件（如兰德马克的StressCheck）不同的是，常规设计软件虽然考虑了温度对管材屈服强度的影响，但不能精确模拟井下温度。而这个模块除了能模拟温度场外，还考虑了由于高温而引起的附加载荷，更精确地计算了管柱的受力情况。其功能特点有：

➢不同工况（钻完井、生产、各种作业）下的载荷加载并提供各种外部压力剖面。例如：模拟（部分）排空、气侵、试压、碰压、活动套管、油管泄露等等，允许自定义载荷，载荷加载如图2。

图2 不同工况下载荷的加载

➢各种工况下的套管受力计算，根据载荷加载情况完成三轴应力校核，管体与接头分别校核，三轴应力校核示意图如图3.

图3 三轴应力设计示意图

➢单个工况下的三轴应力校核与全过程的三轴应力校核相结合，即保证安全又识别最“危险”的作业过程

➢可以完成抗压缩强度校核

➢考虑未封固井段管柱的弯曲应力，这种弯曲不但包括井眼的弯曲，而且还计算出了由于温度引起的管柱体积变化而引起的管柱弯曲

➢计算生产过程中井口受力变化情况

➢计算套管运动过程中的摩擦，校核套管受力情况

➢计算密闭环空流体受温度影响后的体积膨胀而导致套管的附加应力

➢对管材屈服强度受温度的影响即给同推荐值，也允许用户通过试验值来修正

➢管柱磨损情况计算、磨损后的强度校核

➢考虑管材强度的的各向异性

➢蠕变所引起的外挤载荷

（四）Tube（油管）模块

其分析模式类似于Casing（套管）模块。

在温度、压力模拟的基础上，根据不同工况下套管的载荷情况，并充分考虑温度导致的油管体积、环空流体体积变化而引起的附加载荷，计算油管的三轴应力，完成三轴应力校核。其他特征如：

➢适用于不同类型封隔器、封隔器不同安置方法的情况下

➢计算封隔器的受力情况，如图4。

➢敏感性分析，有助于调整生产施工参数

图4 封隔器受力计算结果

（五）Multistring（多管串）模块

该模块将生产过程中井内的所有管柱作为一个系统工程来分析。主要分析由于温度引起的体积膨胀及由些而引起的应力变化。

这个模块中着重计算以下几种因素：

①精确计算在高温环境下各层管柱之间（密闭）流体的体积膨胀量，如图5。

②计算流体膨胀产生的对管柱的载荷，精确校核管柱的强度

③计算温度引起的管柱伸长量，及由些引起的井口处位移

④计算管柱伸长而引起的管柱弯曲，从而导致应力的重新分布，及产生的附加应力

在充分考虑以上四个因素基础上，进一步校核生产过程中管柱即，分别对油管、套管进行三轴应力校核。

图5 （密闭）流体体积膨胀计算结果