压裂管柱力学分析
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2014-5-15 燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University 7
压裂管柱力学分析
2.5 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。
4
压裂管柱力学分析
2.2 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。
0.062
0.0055
P-110
9.52
760.77
5758.29
4
接头
0.098
0.045
0.0265
P-110
46
0.31
5758.6
5
接头
0.098
0.045
0.0265
P-110
46
0.45
5759.05
6
RTTS 封隔 器
0.111
0.046
0.0325
P-110
62
1.18
5760.23
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
5
压裂管柱力学分析
2.3 压裂过程中管柱的温度变化
过程 地面测量 地面温度 管柱温度
下入过程
பைடு நூலகம்注入过程
地层温度
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
三、物理量全部采用国际单位制。
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
18
压裂管柱力学分析
4.应用
• S97-1 • AA
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
22
压裂管柱力学分析
压裂过程中油管柱力学分析
过程 下到底 坐封 注入-封隔器固定 注入-封隔器滑动 最小安全系数 1.79 2.03 1.29 0.51 位置 (m) 井口 井口 井口 屈曲段 总伸长 (m) 10.07 8.45 8.37 -6.47
2014-5-15 燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University 11
压裂管柱力学分析
2.8 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。
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
2
压裂管柱力学分析
2.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
目录
1. 2. 3. 4. 5. 前言 数学模型 软件 应用 结论
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
1
压裂管柱力学分析
1.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。
解封
开始起出
1.57
1.69
井口
井口
11.29
10.37
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
23
压裂管柱力学分析
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
19
压裂管柱力学分析
案例-S97-1
这是一口直井,深 5777m, 最大井斜角 1 °
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
20
压裂管柱力学分析
案例-S97-1
S97-1 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
o
x
P1 Rp Ro1 V
P2
Ro2
Rw
Lp
y
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
8
压裂管柱力学分析
2.6 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。
24
压裂管柱力学分析
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。
2014-5-15 燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University 25
压裂管柱力学分析
案例-AA 双封隔器压裂
这是一口直井，最大井斜角 13.5 °， 位于 6100 m.
“内压降低稳定 性，外压增加 稳定性”是错 误的。
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。
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
10
压裂管柱力学分析
L
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
14
压裂管柱力学分析
2.11 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。
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
9
压裂管柱力学分析
p pi Ro p
i
po
pi1 Ro Ri
po1
pi2 Ro Ri
po2
Ro Ri
po
Ri
Fz
Fz1
Fz1
Fs po Ao pi Ai
A
B
C
Fz2 Fz1 (1 2 )[(pi1 pi2 ) Ai ( po1 po2 ) Ao ]
2014-5-15 燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University 3
压裂管柱力学分析
2.1 压裂作业
压裂类型
单封隔器
双封隔器
水力射流
套管注入
封隔器类型
卡瓦式
水力膨胀式
支撑式
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
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
0.0889
0.076
0.00645
P-110
15.18
4997.18
4997.18
2
接头
0.094
0.062
0.016
P-110
31
0.34
4997.52
3
油管
0.073
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
6
压裂管柱力学分析
2.4 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。
用途
输入
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。
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
7
油管
0.073
0.062
0.0055
P-110
9.52
9.63
5769.86
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
21
压裂管柱力学分析
Pass through ability Tripping total depth valuation Tripping Tripping Rotating out in hookload hookload hookload Rotating torque Tripping Tripping out safety in safety factor factor
17
压裂管柱力学分析
一、系统要求 中文Windows XP/2003+Office XP/2003系统环境； 系统环境为中文Windows XP + Office XP最优；系统低 于中文Windows XP或/和Office XP/2003，则可能不能 安装。 二、开发语言 Visual Basic 2008 中文版, TeeChart 7。
15
压裂管柱力学分析
3.软件
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
16
压裂管柱力学分析
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 井眼轨道计算与绘图； 起下过程管柱力学分析； 压裂、处理事故过程管柱力学分析； 井下状况分析； 管柱优化设计。 井筒轨道； 作业管柱组合； 井壁套管组合； 油管-套管之间的滑动摩擦系数； 环空流体和管柱内流体性能； 压裂施工参数； 其它参数。
2.7 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 SPE 26295.
2014-5-15 燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University 12
压裂管柱力学分析
2.9 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。
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
13
压裂管柱力学分析
2.10 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 l1 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 l2 度使得油管柱的最小的安全系数等于额 定安全系数。 l3
压裂管柱力学分析
2.5 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。
4
压裂管柱力学分析
2.2 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。
0.062
0.0055
P-110
9.52
760.77
5758.29
4
接头
0.098
0.045
0.0265
P-110
46
0.31
5758.6
5
接头
0.098
0.045
0.0265
P-110
46
0.45
5759.05
6
RTTS 封隔 器
0.111
0.046
0.0325
P-110
62
1.18
5760.23
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
5
压裂管柱力学分析
2.3 压裂过程中管柱的温度变化
过程 地面测量 地面温度 管柱温度
下入过程
பைடு நூலகம்注入过程
地层温度
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
三、物理量全部采用国际单位制。
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
18
压裂管柱力学分析
4.应用
• S97-1 • AA
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
22
压裂管柱力学分析
压裂过程中油管柱力学分析
过程 下到底 坐封 注入-封隔器固定 注入-封隔器滑动 最小安全系数 1.79 2.03 1.29 0.51 位置 (m) 井口 井口 井口 屈曲段 总伸长 (m) 10.07 8.45 8.37 -6.47
2014-5-15 燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University 11
压裂管柱力学分析
2.8 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。
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
2
压裂管柱力学分析
2.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
目录
1. 2. 3. 4. 5. 前言 数学模型 软件 应用 结论
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
1
压裂管柱力学分析
1.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。
解封
开始起出
1.57
1.69
井口
井口
11.29
10.37
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
23
压裂管柱力学分析
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
19
压裂管柱力学分析
案例-S97-1
这是一口直井,深 5777m, 最大井斜角 1 °
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
20
压裂管柱力学分析
案例-S97-1
S97-1 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
o
x
P1 Rp Ro1 V
P2
Ro2
Rw
Lp
y
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
8
压裂管柱力学分析
2.6 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。
24
压裂管柱力学分析
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。
2014-5-15 燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University 25
压裂管柱力学分析
案例-AA 双封隔器压裂
这是一口直井，最大井斜角 13.5 °， 位于 6100 m.
“内压降低稳定 性，外压增加 稳定性”是错 误的。
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。
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
10
压裂管柱力学分析
L
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
14
压裂管柱力学分析
2.11 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。
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
9
压裂管柱力学分析
p pi Ro p
i
po
pi1 Ro Ri
po1
pi2 Ro Ri
po2
Ro Ri
po
Ri
Fz
Fz1
Fz1
Fs po Ao pi Ai
A
B
C
Fz2 Fz1 (1 2 )[(pi1 pi2 ) Ai ( po1 po2 ) Ao ]
2014-5-15 燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University 3
压裂管柱力学分析
2.1 压裂作业
压裂类型
单封隔器
双封隔器
水力射流
套管注入
封隔器类型
卡瓦式
水力膨胀式
支撑式
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
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
0.0889
0.076
0.00645
P-110
15.18
4997.18
4997.18
2
接头
0.094
0.062
0.016
P-110
31
0.34
4997.52
3
油管
0.073
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
6
压裂管柱力学分析
2.4 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。
用途
输入
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。
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
7
油管
0.073
0.062
0.0055
P-110
9.52
9.63
5769.86
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
21
压裂管柱力学分析
Pass through ability Tripping total depth valuation Tripping Tripping Rotating out in hookload hookload hookload Rotating torque Tripping Tripping out safety in safety factor factor
17
压裂管柱力学分析
一、系统要求 中文Windows XP/2003+Office XP/2003系统环境； 系统环境为中文Windows XP + Office XP最优；系统低 于中文Windows XP或/和Office XP/2003，则可能不能 安装。 二、开发语言 Visual Basic 2008 中文版, TeeChart 7。
15
压裂管柱力学分析
3.软件
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
16
压裂管柱力学分析
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 井眼轨道计算与绘图； 起下过程管柱力学分析； 压裂、处理事故过程管柱力学分析； 井下状况分析； 管柱优化设计。 井筒轨道； 作业管柱组合； 井壁套管组合； 油管-套管之间的滑动摩擦系数； 环空流体和管柱内流体性能； 压裂施工参数； 其它参数。
2.7 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 SPE 26295.
2014-5-15 燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University 12
压裂管柱力学分析
2.9 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。
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
13
压裂管柱力学分析
2.10 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 l1 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 l2 度使得油管柱的最小的安全系数等于额 定安全系数。 l3