压裂管柱力学分析
分层压裂管柱失效原因浅析及治理对策探讨
分层压裂管柱失效原因浅析及治理对策探讨摘要：油田开发进入中、后期，层间矛盾越来越突出，油层污染越来越严重，而分层压裂是解除层间矛盾突出井油层污染最有效的措施之一，而在分层压裂过程中，分层压裂管柱失效是造成分层压裂失效的主要原因。
本文针对分层压裂管柱失效的问题油管、封隔器等方面，结合具体的典型井例进行了较详细分析。
关键词：分层压裂封隔器管柱失效随着油田开发的逐步深入，压裂作为油田开发最要的增产措施之一，对提高油田开发效果起着至关重要的作用。
油管和封隔器是分层压裂管柱最重要组成部分，它们直接决定着分层压裂的成败。
2013年我采油一队实施分层压裂45次，其中因管柱失效造成分层压裂失败24井次，占总压裂井次的53.3%，因此提高分层压裂管柱的有效性是解堵油层污染，增液增油前提条件之一。
对于油田实现长期稳产，高产具有十分重要的意义。
一、原因分析结合2013年分层压裂井，对管柱失效的原因进行了较深入的分析。
根据对压裂井失效的原因进行了统计分析，造成压裂管柱失效的原因主要由以下几个方面：1.油管刺漏管柱刺漏是造成压裂失败的主要原因之一，2013年，管柱刺漏造成压裂失败9井次，占压裂失败井次的37.5%。
分析管柱刺漏的主要原因：1.油管长期服役造成油管老化；2.在油井生产过程中，油管和抽油杆偏磨造成油管内壁存在磨损段；3.井下作业起下油管过程中，对油管丝扣造成了一定程度的损伤。
2.封隔器失效封隔器失效是压裂失败的最主要原因，2013年，封隔器造成失败15井次，占压裂失败井次的62.5%。
分析其主要原因如下：2.1封隔器密封件损坏随着压裂液对封隔器的侵蚀和封隔器在井下工作时间的延长，封隔器密封件的应力随时间逐步衰减。
应力衰减分两个阶段：第一阶段橡胶材料较松弛键的破坏和重新配置；第二阶段是牢固键的破坏和重新配置（化学衰减）；其结果导致胶筒弹性减小，塑性增加。
另外由于管柱蠕动造成胶筒损坏，导致封隔器不密封而管柱失效。
酸化压裂管柱力学分析及参数优化研究
由于不能掌握管柱在不同井况工况下 的受力状况，封隔器的蠕动情况不能很 好的把握，反过来影响了管柱中封隔器 位置的优化设计，封隔器易蠕动失效。
1.2 酸压管柱在应用中存在以下问题
(3) 缺乏对管柱最易破坏状况的了解
在施工中，不能找到油管在最恶劣工况条 件下可能发生破坏的原因及部位。
1.3 研究内容
(4) 计算单一、组合油管的强度，找到油管在最恶劣工
况条件下可能发生破坏的原因及部位，优选油管，提出增 加锚定、扶正或补偿的措施。
1.3 研究内容
(5) 通过计算管柱在封隔器坐封、解封及其压裂施工、 停压状态时的伸缩变形量和轴向应力，分析在不同工艺参 数下造成管柱及封隔器失效的原因，提出解决方案。 (6) 管柱中各工具之间相互作用，力与运动的传递关系 研究，提高工具动作及管柱可靠性研究。 (7) 在管柱力学分析的基础上，进行管柱优选和结构优 化理论研究。 (8) 建立酸化压裂管柱配套工具数据库。 (9) 编制酸化压裂管柱力学性能综合评价系统软件。
力平衡
力矩平衡
⎧ dM t ⎪ ds = μ t ⋅ R ⋅ N ⎪ ⎪ dM b = Qn ⎨ ⎪ ds ⎪τ ⋅ M b + K ⋅ M t = Q b ⎪ ⎩
3.5 物理方程
对于圆截面弹性管柱，假设管柱抗弯矩刚度 EI，则物理关系为
M b = EIK
dM b dK = EI ds ds
d 2M b d 2K = EI 2 ds ds 2
1.5 技术思路
项目调研，资料收集 管柱结构、工作机理分析 管柱接箍受力研究 4in、5in、5½in、7in井 直井、斜井、水平井 自重、浮力、内外压差、 温度场、流体摩阻等 不同工况（下井、坐封、 工作等）
测试管柱力学分析
加载时轴向力分析
B区：在A、B两区的交界附近，管柱上下 端轴向力都有明显的下降现象，这是从平 面弯曲向空间弯曲转变的重要标志。在变 形形状改变时（由平面屈曲到螺旋屈曲）， 管柱发生瞬时跳跃，积累的变形能重新分 布，致使轴向力下降。
加载时轴向力分析
变为空间屈曲后，管柱在弹 性力作用下，仍然具有承载能力，所以整 段管柱并没有直接贴向井壁，而是处于悬 垂状态，偶尔有个别点接触井壁，接触力 也比较小，因此在B区管柱上下两端的轴 向力仍然基本平行，其高度差为管柱自重。 图中显示这一段轴向力上升幅度很小，位 移变化量比较大。
测试管柱分析
为了保证测试的安全性，在测试前，必须 对测试管柱进行强度校核和变形分析，得 出整个系统的综合安全系数，从而可以更 好的指导我们进行测试作业，确保整个测 试过程的安全性。
测试管柱力学分析
引言 垂直井眼中管柱的稳定性和螺旋弯曲分析 测试管柱静力学分析 测试管柱动力学分析
引言
油井管柱是油井试油作业的主要承载和动力 传递构件。在作业或生产过程中，管柱要承受内 压、外压、井底钻压、自重、粘滞摩阻、库仑摩 擦力、井壁支反力、活塞力等多种外载的联合作 用。在这些外力的联合作用下，管柱有可能发生 正弦或螺旋失稳弯曲；并进而使管柱与井壁之间 的法向正压力以及库仑摩擦力急剧增加，严重时 可能发生自锁。特别是在水平井、定向井中，摩
螺旋屈曲阶段
由于管柱较长，D点之后管柱出现螺 旋状变形。此后相当长一段时间，空间螺 旋处于发展阶段，轴向力与变形基本呈正 比（相当于一弹簧），直到E点。在E点附 近，摩擦力的影响又开始显现，从而影响 了变形的进一步发展，造成载荷浮动。
螺旋屈曲阶段
从E点到O点，尽管轴向力上下 浮动较大，但是平均值却变化不大。在这段，轴 向力反复出现峰值和谷值，反映了变形对轴向力 的影响。DE、GH、JK、N0段是能量积累阶段， 轴向力与变形近似呈正比。EFG、HIJ、KLMN 段是释放能量阶段，能量释放（摩擦释热），管 柱缩短（热胀冷缩），使变形向纵深发展阶段， 由于受到摩阻影响，中途出现台阶。可以想象， 如果没有摩擦力影响，E0段将是比较平滑的。
4 测试管柱的力学分析
4 测试管柱的力学分析测试管柱在井筒中要受到各种外力的作用，如内外压力、重力、井壁的反力等的作用。
这些作用力与温度共同作用在测试管柱上，造成管柱的变形，如拉伸变形和屈曲变形等，以及在测试管柱中产生内力，如轴向力、弯矩等。
如果这些变形或内力过大，就可能对测试管柱产生损坏。
在不同的操作中，这些外力是不同的。
因而，各种工况所产生的内力也不尽相同。
例如，下放测试管柱时，测试管柱受的外力为重力和完井液对管柱的浮力，上部则由钻机大钩吊着；在坐封时，大钩逐步加上钻压，即松弛力，使封隔器坐封；在开井时，测试管柱中有天然气流过，因而测试管柱内外压力会发生变化，此外，测试管柱的温度变化会使管柱伸长。
因此，在分析时必须根据不同工况进行具体分析。
管柱在受到外力作用时产生变形，根据不同的内力，变形有所不同。
众所周知，当管柱的轴向力是受拉时，管柱只是伸长，而当管柱的轴向力是受压时，除了轴向缩短外，对于这种长细比很大的管柱，管柱还会产生屈曲变形。
屈曲变形反过来又会影响内力。
因此，对测试管柱在井筒中的力学分析有助于合理地设计测试管柱及其测试操作。
在本章中，我们研究井眼中管柱的受力分析、受压部分的屈曲分析和测试管柱的强度分析。
4.1 测试管柱各工况的受力分析在地层测试过程中，需要进行测试管柱的下放（简称为下钻）、用低比重流体替代测试管柱中的流体（简称为低替）、封隔器坐封（简称为坐封）、打开井口关井阀诱喷（简称为开井）、井下关井阀关井（简称为1关）、井口关井阀关井（简称为2关）、高比重泥浆循环压井（由井口油管将高比重泥浆压入，从环形空间流出；简称为循环）或高比重泥浆反循环压井（由井口环形空间将高比重泥浆压入，从油管流出；简称为反循环）和压裂与酸化（简称为高挤酸）等操作。
在这些操作中，测试管柱受力是不一样的。
下面我们根据不同工况分析测试管柱的受力情况。
4.1.1 下钻完 测试管柱在下放的过程中，井眼中存在有完井液。
测试管柱此时受有重力、悬挂力和液体的作用力（浮力）。
连续油管水力喷射环空压裂管柱受力分析及校核
束 条 件 下 对 不 同弯 曲程 度 的 油 管 进 行 轴 测 向力 耦 合 分
析， 建 立 三 维 空 间 管 柱 轴 侧 向载 荷 的力 学 模 型 ， 将 管
柱分为ｎ 段， 依 次从下 向上进 行计算 ， 如 图３ ． １ 所示 ：
（ １ ） 环 空 摩 阻
／ 一
图３ １三维空 间管柱单元圆弧 曲线
当压 裂 液只在管 中流动 时压力分 布：
ｄ Ｐ
：ｐ ￣ ｇ ｃ ｏ ｓ 一 ｆ
（ ２ ． ５ ）
建立 管柱单元平衡 方程 ：
ｑｄ ｌ ｃ ｏ ｓｆ
一
一
一
＃ （
２
＋
，
式中： Ｐ ： 管压 ， Ｍｐ ａ ； Ｐ ： 注入 液体密 度 ， ｋ ｇ ／ ｍ ； ， ： 井
‘ ３ ・ ’
压 裂 过程 中， 压 裂液 流 经 射孔孔 眼泵 入 地 层 ， 摩阻计
算公 式 ：
ｎ ２
Ｆ ＝ １ １ ． ３ ＥＩ Ｋｊ
式中： ： 测段平均井斜角， ＝ （ ． ＋ 。 ） ／ ２ ， 。 ； ， ： 管
０ ・ ０ ２ ２ ４ ４ —
△
空摩 阻和近 井摩 阻， 近 井摩 阻主要 为射孔 孔眼 摩 阻和近 井 弯 曲摩阻 。 基 于工 程流体力学 、 岩石力学 等相 关理论 ， 建 立 环 空 摩 阻、 射 孔孔 眼摩 阻和 近 井迂 曲摩 阻 的数学 模 型 ， 并
对 模 型 参 数 及 物理 意义 进 行分 析 和 求 解 。 准 确 计 算压 裂 过程 的压 力对 于压 裂 裂 缝扩展 模 拟 、 压 后产 能评 价、 压 裂 管柱 受力 分析乃至施 工 成功 完成具 有 重要意义 。
大斜度井压裂管柱力学分析与下入性分析_张...
河南科技2011.12 下72工业技术INDUSTRY TECHNOLOGY对于大斜度井，尤其是中短半径井眼，曲率较高，压裂管柱在下入井眼弯曲段的过程中会受到管柱自重、残余钻井液浮力、钻井液流体摩阻、内压力、与套管（裸眼处为井壁）接触产生的摩擦力和正压力等作用，产生较大的变形和弯曲应力，依靠压裂管柱的自重无法顺利下入。
对此，笔者通过对大斜度井压裂管柱的受力分析、管柱弯曲强度分析，并考虑管柱自锁情况，以此来判定压裂管柱能否顺利下入。
一、压裂管柱下入性分析及下入准则1. 基本假设。
物体受力后实际表现的力学性能非常复杂，若精确考虑各种因素，将难以导出其力学方程。
因此需对井眼中压裂管柱受力情况适当简化：压裂管柱各向同性；压裂管柱和套管（裸眼处为井壁）连续接触，管柱轴线与井眼轴线一致；套管和裸眼处井壁为刚性；压裂管柱单元所受重力、钻井液浮力及黏滞阻力、摩擦力以及正压力均匀分布；不考虑起下压裂管柱时产生的动载荷。
2. 管柱受力分析。
下放管柱时，当管柱的轴向力大于其下入过程中所受的总摩擦力及钻井液黏滞阻力时，方可使管柱顺利下入预定深度。
（1）管柱的轴向力。
造斜点以上，管柱轴向力为T i +1 = T i + ρt g π（Dt －t 2）cos αi ± qg ΔL i ，i ＋1。
（1）造斜点以下，管柱轴向力为T i +1 = T i + ρt g π（Dt －t 2）cos αi ± qg ΔL i ，i ＋1。
（2）式（1）和（2）中，T i 和T i +1 为管柱浮重，单位为N ；L i ，i ＋1 为管柱垂直投影长度，单位为m ；q 为管柱线重，单位为kg/m ，g 为重力加速度，取9.8 m/s 2.。
从初始（管柱末端）位置迭代计算至井口，得出井口处管柱轴向力T 。
（2）套管（裸眼处为井壁）侧向力N i 和摩阻F 分别为F=∑F i 。
（3）F i =μN i 。
（4）式（3）和（4）中，F i 为管柱和井壁的摩擦力，单位为N ；μ为动摩擦因数，取值依据井况（扶正器有无、类型等情况）确定。
深井注水管柱力学研究
8EIcr4 8F 12EIcr4 F
sin
31
管柱的螺旋屈曲分析
4 6 2 3 m 2 f Q 0 si n 0
n 4 4 3 2 m 3 2 f 2 Q 1s in
假设管柱螺旋屈曲后构型函数的渐近展开式为以下表达
式：
0 , 1 , O 2
f f0 2 f 1 O 4
管柱发生螺旋屈曲构型
多尺度 摄动法
,1 5Q 012sin
32
3.3 管柱屈曲临界载荷分析
管柱发生初始正弦屈曲的临界载荷为
4 EI Fcrs Rrc
管柱发生初始螺旋屈曲的临界载荷为
Fcrh
7.56EI Rrc
F Fcrs，注入管柱不发生屈曲；
FcrsFFcrh，注入管柱发生正弦屈曲；
图6 压裂管柱的工作过程
8
9
二、主要研究内容、方法和成果
国内外文献综述 三维曲井中管柱轴向载荷分析 深井管柱非线性屈曲研究 深井注入管柱强度分析 深井注入管柱的轴向变形研究 井筒温度场的数值模拟 深井注入管柱内流体动态水力学研究 深井注入管柱流固耦合振动力学研究 深井注入管柱力学理论应用及软件开发
坐封球座
人工井底
图3 任意层选层酸化压裂管柱
注水层 注水层
管柱伸缩补偿器 压井洗井开关 水力锚 Y241可洗井封隔器 偏心配水器
Y341可洗井封隔器 偏心配水器
底部循环凡尔
图4 可洗井高压分层注水管柱
4
在充满井液的狭长井眼里工作，通常注入管柱要承受 拉、压、弯、扭、流体压力等多种载荷作用，再加上封 隔器等井下工具的约束，其受力、变形及运动状态十分 复杂。
分布 载荷
分布 载荷
深井压裂井下管柱力学分析及其应用_杜现飞 (1)
图 2 Y221 型封隔器坐封及锚定示意 1. 1. 3 坐封锚定时
施工过程中 , 井下管柱所受载荷主要由管串的自重 引起 , 同时由于工作液的注入导致油管和环空内温 度、 压力变化 , 会产生下列引起封隔器管柱受力和长 度变化的 4 种基本效应 : a) 活塞效应 由油管内 、外压力作用在管柱 直径变化处和密封管的端面上引起 。 b) 螺旋弯曲效应 由压力作用在密封管端面 和管柱内壁面上引起 。 c) 鼓胀效应 由压力作用在管柱的内 、外壁 面上引起 。 d) 温度效应 由管柱的平均温度变化引起 。 在受力分析过程中 , 把重点放在引起管柱受力 和长度变化的压力 、温度的变化上 , 而不是压力 、温 度最初值 。 所以 , 计算时 , 应从封隔器最初坐封的条 件开始 , 继而研究施工中条件的变化 , 而坐封前的管 柱自重伸长 , 下井时管柱随井温引起的长度变化 , 则 不在考虑之列 。 同时 , 由于高压流体的泵注 , 封隔器管柱要承受 内压 、 外压 、粘滞摩阻力等 ; 如果管柱发生屈曲变形 , 与套管有接触点 , 管柱还要承受套管支承反力 、弯矩 等 。 此外 , 坐封载荷依然存在 。
1. 1. 2 坐封锚 定前
压裂管柱坐封锚定前为一悬链形式 , 整个管柱 主要受自重 、 浮力的影响 , 其最大应力发生在井口 , 因此需对 井口 的 油管 和 螺纹 进 行受 力 分 析和 校 核[ 3] 。 首先计算管柱自重和浮力引起的合力 — — —浮 重 , 浮重引起的井口轴向力大小为 Fg = γ 1 - dx ∫ ρ来自ρ m( 1)
压裂知识(知识讲座)
一、压裂管柱活动困难的原因分析活动管柱是压裂作业中的一项重要工序，它的快慢直接影响到作业和压裂的进度，同时也关系到施工的效益，所以如何预防和处理管柱活动不开是非常关键的。
在压裂施工过程中，经常会发生管柱活动困难的现象，原因很多，但主要分为以下六种类型：1、封隔器质量不好在高压作用下胶筒不收缩，而导致封隔器不解封封隔器质量的好坏直接影响到活动管柱的难易程度。
正常情况下，在压裂结束后，会看到套压表的套压明显上升，这说明封隔器已经解封，压裂层位的压力已经传到井口，这时候管柱就很容易活动开。
如果封隔器的质量不好或在压裂结束后封隔器的胶筒不收缩，这样会给活动管柱带来很大的困难。
出现这种情况，如果屡次活动不开，我们应采取平衡套压的方法，使封隔器胶筒上下压力趋于相近，迫使封隔器收缩。
2、封隔器的水嘴被堵死，导致封隔器不收在施工时曾遇到过这种情况。
在压完两层后，准备上提管柱压第三层时，上提管柱过程中遇到困难，当时套压也比拟高，可是封隔器就是不收缩。
后来，重新连接好了压裂管柱，正向大排量向地层注入压裂液，然后停泵，瞬间憋放，再活动管柱，结果很快就活动开了。
这种方法是将封隔器水嘴的堵塞物在憋放过程中排出，使胶筒内的压力释放，封隔器收缩。
3、地层窜槽导致管柱活动不开压裂施工中由于地层窜槽或封隔器坏，携砂液从油套环形空间上窜，使支撑剂沉落到最上级封隔器上，导致上封隔器被砂埋，而使管柱活动不开。
目前薄夹层井压裂施工很多，在加砂过程中，发现套压持续升高，翻开套管闸门，套管溢流越来越大，此时判断是地层窜槽，应立刻停砂替挤，当套管内无压裂砂后，活动并上提管柱。
如果地层上窜，没能得到正确及时的处理，管柱被沉砂埋死，将给施工带来极大的不便，严重的可能发生工程事故。
在施工过程中一旦确认是地层窜槽，那么应立即停砂，进行替挤，防止出现更大的经济损失。
4、封隔器发生塑性变形，管柱活动不开普通封隔器的承受压力一般在40MPa左右，当压力持续偏高或在瞬间压力过高时，有可能使封隔器内部结构发生变化，产生塑性变形，使其活动受阻。
水力压裂回接管柱受力分析
水力压裂是 油气井 增产 、 注 水 井 增 注 的一 项
重 要技 术 措施 ， 不仅 广 泛用 于低 渗 透 油 气 藏 ， 而 且 在 中、 高 渗 油 气 藏 的 增 产 改 造 中 也 取 得 了 很 好 的
效 果 。它 是 利 用 地 面 高 压 泵 组 ， 将 高 黏 液 体 以 大 大 超 过地 层 吸 收 能 力 的排 量 注 入 井 中 ， 在 井 底 憋
起高压 ， 当此 压 力 大 于 井 壁 附 近 的地 应 力 和 地 层
岩 石抗 张 强 度 时 ， 在 井 底 附 近 地 层 产 生 裂缝 ， 从 而 改善渗流通道 ， 达 到 增 产 增 效 的 目的 。水 力 压 裂
定， 中间管柱 为 内外直 径均 匀 （ 无台阶） 的弹性 空 心
化 引起 的轴 向伸 缩 、 管 柱 自身 重 力 引 起 的压 缩 、 井
口钩 载 （ 悬挂 或者挤压 ） 、 压 裂 液 压 入 地 层 时 引 起
的粘 滞摩 擦 阻 力 和悬 挂 器 或 者 水 力 锚 的反 作 用 力
第１ ５卷 增 刊
重庆科 技学 院学报 （ 自然科学 版 ）
２ ０ １ ３年 １ ２月
水 力 压 裂 回 接 管 柱 受 力 分 析
荣 准 尹 浚 羽
（ １ ． 重庆科技 学院石 油与天 然气 工程 学院 ，重庆 ４ ０ １ ３ ３ １ ； ２ ． 中 国石 油大 学（ 北京 ） ，北京 １ ０ ２ ２ ４ ９ ）
根据 材料力 学 原理 ， 本文 提 出的 力学 模 型 属 于
压裂管柱力学分析及优化设计软件
压裂管柱力学分析模块
压裂管柱轴向力分析
二
软件功能简介
软件主要功能模块 1：油气井基本数据输入模块 2：压裂管串设计模块 3：压裂管柱力学分析模块 4：压裂管柱强度校核模块 5：压裂管柱稳定性分析模块 6：压裂管柱变形分析模块
压裂管柱强度校核模块
对已设计好的压裂管串方案进行强度校 核。软件利用力学计算模块的计算结果结 合压裂管柱各部分的安全性要求，可以对 （1）下放、（2）上提、（3）座封、（4） 解封、（5）压裂、（6）停压等工况下的 测试管柱进行强度校核。
由于压力作用在管柱的内外壁面上引起。
1 2 2 2 is R 2 is 3 i R o L L 2 E E R 1 2
2
μ：材料泊松化，钢μ＝0.3； Δρi ：油管中流体密度的变化； Δρo ：环形空间流体密度的变化； R：油管外径与内径的比值； δ：流动引起的单位长度上的压力降，假定δ＝C，当向下流动时 为正，当没有流动时，δ＝0； ΔPis：井口处油压的变化； ΔPos：井口处套压的变化；
一、 技术背景简介 二、 软件功能简介 三、 软件理论简介 四、 现场应用实例
二
软件功能简介
软件主要功能模块 1：油气井基本数据输入模块 2：压裂管串设计模块 3：压裂管柱力学分析模块 4：压裂管柱强度校核模块 5：压裂管柱稳定性分析模块 6：压裂管柱变形分析模块
油气井基本数据输入模块
该模块只需输入井眼各测点的基本参数：测深、 井斜角、方位角； 采用八种不同的数学方法：正切法、平均角法、 平衡正切法、曲率半径法、最小曲率法、弦步法、 自然参数法、空间圆弧法对井眼进行描述，能分别 求出井眼曲率、北向位移、东向位移、垂深和水平 位移，绘制井身三维轨迹图等，并为后面的力学、 变形计算提供基础数据。
管柱力学分析测试报告
井下管柱力学分析及优化设计软件测试报告2007年12月井下管柱力学分析及优化设计软件测试报告目录1前言 (1)2软件介绍 (1)2.1模型选择 (1)2.2核心功能介绍 (1)3测试内容 (2)3.1软件功能测试 (2)3.2软件用户界面正确性测试 (2)3.3软件计算模块测试 (2)3.4测试环境 (2)3.5测试准备 (2)3.6测试人员 (3)3.7测试步骤 (3)3.8测试实例 (3)B702井现场测试...................... 错误！未定义书签。
4. 测试结论 (16)引进软件测试评价与应用安排责任书软件名称：井下管柱力学分析及优化设计软件软件用途：钻井、完井、采油、措施作业井下管柱的力学分析、设计以及校核软件主要模块清单：7个子系统：生产敏感性分析模块、管柱组合设计模块、管柱变形分析、管柱摩阻扭矩分析、井眼轨迹图、管柱数据库。
主要功能简述：1）计算井眼轨迹：采用了精确地自然曲线和螺旋曲线模型计算井眼轨迹：2）计算不同管柱点轴向拉力、侧向力与扭矩：对不同工况下（正常生产、酸化压裂、起钻、下钻、坐封、解封等）的井下管柱力学特性进行分析，计算管柱点轴向拉力、侧向力与扭矩；3）计算带封隔器管柱的伸长量：根据管柱力学理论，综合考虑虎克效应、螺旋弯曲效应、活塞效应和温度效应的影响，根据井下管柱与封隔器之间存在的不同关系（自由移动、有限移动、不能移动），计算相应的管柱的伸长量和综合应力等，从而判断封隔器是否解封失效等。
4）管柱设计及校核：即计算不同管柱组合（直径、钢级、壁厚、长度等）受力的（轴向拉力、侧向力）及稳定性与安全系数，从而优选出合理的管柱设计方案；5）计算井口动态载荷，包括钩载和转盘扭矩；6）计算摩擦系数，包括套管段与裸眼段；7）生成图、文、表并茂的分析报告，报告输出Word和EXCEL格式文档应用单位：石油工程所测试单位：北京雅丹石油技术开发有限公司测试安排：测试时间：2007年11月14日～11月17日测试环境：P4；Windows XP操作系统；IE6.0测试人员：工程所：王丽荣、张传新、刘丛平、承宁、李桂霞、赵克勇、吴勇测试结果：该软件在Windows XP操作系统上运行正常。
压裂施工常见问题分析
二、压窜的原因分析
3、压裂过程中由于油管击穿、断裂引起的套喷
油管打洞、断裂形成的套喷与上封隔器损坏形成的套喷同 属油套连通的一种，现象比较明显。如果是在卡距以上断裂， 那么油套连通就会形成套喷，如果断裂处是在卡距内，此时上 级封隔器还在工作，不会有套喷现象，但油管此时会上顶，压 力也会有明显的下降。
如果地层上窜，没能得到正确及时的处理，管柱被沉砂埋死，将 给施工带来极大的不便，严重的可能发生工程事故。在施工过程中一 旦确认是地层窜槽，则应立即停砂，进行替挤，避免出现更大的经济 损失。
四、压裂管柱活动困难的原因
3、封隔器发生塑性变形，管柱活动不开 普通封隔器的承受压力一般在40MPa左右，当压力持续偏高或在瞬间压
四、压裂管柱活动困难的原因
活动管柱是压裂作业中的一项重要工序，它的快慢直接影响到作 业和压裂的进度，同时也关系到施工的效益，所以如何预防和处理管 柱活动不开是非常关键的。在压裂施工过程中，经常会发生管柱活动 困难的现象，原因很多，但主要分为以下5种类型。
四、压裂管柱活动困难的原因
1、封隔器质量不好在高压作用下胶筒不收缩，而导致封隔器不解封。 封隔器质量的好坏直接影响到活动管柱的难易程度。正常情况下，在
四、压裂管柱活动困难的原因
2、地层窜槽导致管柱活动不开 压裂施工中由于地层窜槽或封隔器坏，携砂液从油套环形空间上
窜，使支撑剂沉落到最上级封隔器上，导致上封隔器被砂埋，而使管 柱活动不开。
目前薄夹层井压裂施工很多，在加砂过程中，发现套压持续升高， 打开套管闸门，套管溢流越来越大，此时判断是地层窜槽，应立刻停 砂替挤，当套管内无压裂砂后，活动并上提管柱。
如果上面的地层也是预压层位，那么采取的折中办法就是 两层合压。
如果上面有射孔井段，但不是预压层位（没封隔器）那么 就只能停止施工，研究下步方案（扩层）。固井质量差也会导 致压窜。
水平井分段压裂管柱受力分析研究及应用
管柱受力分析 软件研制
如公式（1）所示。
θ θ T2 cos 2 = T1 cos 2 + dlq cos α ± µFn 2 2 Fn = Fndp + Fnp µFn D M = M + 2 1 2 F = − (T + T )sin θ + nqdl = − (T + T )sin θ + n qdl 1 2 1 2 3 ndp 2 2 r r Fnp = dl q ⋅ m = dlm 3 q α = (α + α ) / 2 1 2 θ = arccos(cos α 1 cos α 2 + sin α 1 sin α 2 cos(ϕ 2 − ϕ 1 )) Fp1, Fp 2, Fp 3...Fpn .
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（4）计算压裂过程中跨封段管柱所受最大合力以及相应应力； （5）计算管柱的各种安全系数（受拉、受压、压外、挤毁）以及封隔器的安全校核。 本模块的计算可适用于各种形式的水平井分段压裂用的封隔器。
图 2 跨封段管柱压裂注液时受力分析 3 软件研发 根据上文的模型，在课题组前期开发的井下管柱受力分析设计软件的基础上[4,5]，开发了水平井 分段压裂管柱受力分析设计软件。该软件包括如下五个模块。 （1）三维井眼描述模块。采油比较精确的空间曲线和圆柱螺线法描述三维井眼轨迹。 （2）管柱设计绘图模块。包括套管结构的描述和油管柱与井下工具的结构图绘制。 （3）流体温度压力计算模块。利用差值计算得出对应工况下全井段的流体温度压力曲线。 （4）管柱受力分析模块。计算出管柱随其自身轨迹的轴力、侧向力、摩擦力。 （5）管柱变形分析模块。可以对管柱的压缩量，伸长量等进行辅助分析。 （6）跨封段管柱受力分析。计算不同工况下各种效应对跨封段管柱受力大小的分析。 （7）管柱总体的安全评估。评估现场施工管柱失效模式：脱扣、本体拉断、螺旋屈曲卡死、封 隔器压差过大、工具失效等。 （8）管材以及工具数据库模块。常用的油管、套管、封隔器等技术数据的管理。 4 软件算例分析 选取东部某油田一口水平井进行试算，计算结果分析如下。 4.1 封隔器坐封 管柱整体受力分析结果如图 3 所示，上部管柱变形分析结果如图 4 所示，跨封段管柱受力分析 结果如图 5 所示。综合分析图 3~图 5 可以得出：坐封时跨封段受力比较小，相对比较安全。
管柱力学大作业参考2
一 、工程背景压裂过程中,井下管柱要承受自重、内压、外压、各种效应力、粘滞摩阻力、套管支承反力、弯矩和锚定、坐封力等多种载荷的联合作用。
施工泵压、排量、流体性质的改变,将直接引起管柱内、外温度和压力变化,势必导致封隔器油管柱受力和变形发生变化,从而进一步影响到油管的强度和封隔器的密封效果,在高温高压深井、超深井作业中,这样的矛盾尤为尖锐和突出。
所以,压裂过程中的管柱受力已经成为影响压裂施工成败的关键因素之一。
本文对简化后的回接压裂油管的受力变形进行了分析。
略去封隔器上端水力锚的影响、忽略油套环空压力的变化（▽p o =0）、忽略粘滞摩阻力、忽略回接插头与回接筒的阻力。
二 、回接的压裂油管基本效应的力学模型建立1 活塞效应由油管内外压力引起的对油管的作用力称为活塞力，相应由油管柱内外压力的变化引起油管的伸长或缩短的这种现象叫做活塞效应。
如图1-a 所示（油管的内径等于密封管的外径），p o 为环空压力，p i 为油管压力，A o 、A i 各为油管内外径截面积，A p 为密封管的内腔截面积。
因此有：向上的力： )()('1p i i i o o A A p A A p F -+-=向下的力：)(''1p i i A A p F -=假设向下的力为正， 向上的力为负。
则活塞力为： '1''11F F F -= )(01o i A A P F --=假设油管伸长为正，缩短为负。
由胡克定律可得，活塞力引起的油管伸长或缩短为：P o P i P i P o Ap AoAiAp AiAo1-a 1-b 图1s EA L F L 11=∆ 式 1式中： L —— 油管的原始长度；E —— 油管的材料性能参数，205GPa ； A s —— 油管的横截面积，A s =A o -A i. 2 膨胀效应当油管内有内压时， 油管内压会作用在油管内壁上，使油管直径增大，管柱将缩短，这种现象叫做正膨胀效应，反之，称为反膨胀效应。
连续油管水力喷射压裂管柱下入过程力学分析
连续油管水力喷射压裂管柱下入过程力学分析张毅【摘要】水力喷砂射孔分段压裂工艺与连续油管配合，极大地提高了水力喷射压裂作业的工作效率。
在压裂过程中，封隔器能否准确下入到指定位置对压裂生产起着至关重要的作用。
传统人工地面测量方法成本较高、影响因素多、曲线解释困难。
为了解决连续油管水力喷射压裂管柱下入过程中封隔器定位不准确问题，对管柱下入过程中受力以及变形进行理论分析计算，并对测量井下工具下入位置的关键工具———机械定位器进行分析研究，使其能准确测量井下工具的下入位置。
通过测量值与计算值对比证明，其偏差小于9％。
通过两种方式的结合可以准确定位井下工具位置，为后续压裂施工提供了可靠的技术支持。
%The technique of hydraulic sand blasting perforation in staged fracturing coordinates with coiled tubing can improve the frac efficiency.During fracturing,packers are tripped in deter-minative site,which plays a vital role in fracturing operation,and classic method of artificial ground surveying can lead to higher cost,more related factors and more difficult curve interpreta-tion.During coiled tubing hydrojet frac columns are tripped in,theoretical analysis and calculation of the stress and deformation can solve inaccuracy of packers’positioner.The setting location of subsurface tool can be accurately measured through researching the mechanical fixture,and the key tool of measuring setting location of subsurface tool contrasting measurements with calculated value proves its deviation is less than9%.The setting location of subsurface tool can be accurately locatedthrough the combination of the two methods,which can provide reliable technical support for subsequent fracturing construction.【期刊名称】《石油矿场机械》【年(卷),期】2016(045)007【总页数】4页(P56-59)【关键词】连续油管;压裂管柱;水力喷射;井下工具【作者】张毅【作者单位】大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆 163453【正文语种】中文【中图分类】TE934.201近年来，大庆油田外围低渗透储层水平井越来越多，为了提高产量，采用水力喷砂射孔分段压裂工艺进行改造。
水平井分段压裂酸化管柱受力分析软件_ppt
采用解非线性方程组的拟牛顿迭代法进行求 解，可得到管柱任意深处的轴向力、摩擦阻力及 扭矩等。
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三、软件理论介绍
3.6 压裂酸化管柱的应力分析 压裂酸化管柱的应力是由其内、外部液体压 力与轴向拉伸或压缩载荷产生的，外力所产生的 应力可用3个主应力来描述。
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三、软件理论介绍
3.6 压裂酸化管柱的应力分析
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三、软件理论介绍
3.2 模型建立
O
Mt (s + ds)
T (s + ds)
x
y
Q n (s + ds )
B
Q b (s + ds)
Mb (s + ds)
T q B qC
N
M b ( s)
Q n (s)
A T(s)
Q b (s)
M t (s)
z
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三、软件理论介绍
3.3 几何方程
v t 0 d v = − K n ds v b 0
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二、软件主要功能
3、管柱受力分析（轴力与侧向力）
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二、软件主要功能
4、管柱变形分析
采 用力 学轴 力分析 结果 和 稳定性 分析 结果 ， 考 虑 压裂酸化管柱 材料 的本 构关 系 和 几何参 数等 ， 对 （ 1 ） 下 放 （ 2 ） 上 提 （ 3 ） 坐封前 （ 4 ） 注 入 （ 5 ） 采出 （ 6 ）解封 后 （ 7 ） 悬挂 井 口 ，工况下管柱的 轴向变形 量进行计算。 软件 针 对 管 串 模块 中的设计 方 案 ，计算 上述 工 况下的主要 形变 量—— 轴向 伸缩量 ， 并 能 直观 显示 管柱轴向变形沿井深的分布。
FracproPT测试压裂分析
12、压力拟合
应力越大，拟合净压力越大，压降阶段拟和闭合时间越短，拟和净压力下 降越快。 孔隙流体渗透率越大，拟合净压力越小，压降阶段拟和闭合时间越短，拟 和净压力下降越快。 压裂液滤失系数越大，拟合净压力越小，压降阶段拟和闭合时间越短，拟 和净压力下降越快。 体积因子越大，拟合净压力越大，压降阶段拟和闭合时间越长，拟和净压 力下降越慢。 滤失因子越大，拟合净压力越小，压降阶段拟和闭合时间越短，拟和净压 力下降越快。 开缝因子越大，拟合净压力越大，压降阶段拟和闭合时间越短，拟和净压 力下降越快。
2、打开数据库数据
➢与拟三维模型预测结果类似； ➢预测出的净压力较低。
2、打开数据库数据
➢对本区块裂缝扩展有较清楚地认识，精确地 预测裂缝的扩展。
2、打开数据库数据
➢PKN 二维模型:恒定裂缝高度、裂缝宽度与 高度成比例 ； ➢KGD 二维模型:恒定裂缝长度、裂缝宽度与 长度成比例 ； ➢径向裂缝模型: 裂缝的径向扩展是轴对称的。
常规多标度以及常规单标度 : 根据地层深度来输入各自地层的力学特性。化学特性和热 力学特性将根据岩石类型和深度确定后输入给模拟软件。
我们也可以采用测井/地层编辑器输入测井文件，这样所有的数据会被自动导入，这样 分层更细、更准确。
7、压裂液及支撑剂选择
压裂液以及支撑剂的 选择非常重要，压裂液中 的摩阻数据、滤失数据、 密度数据等会影响闭合压 力以及压裂液效率计算的 准确性等。
2、打开数据库数据
流体饱和度不是很高时，回应力 的增加通常不大
2、打开数据库数据
➢支撑剂沉降:清水 （滑溜水）压裂施工； ➢支撑剂对流: 对于线 性的或交联凝胶压裂 施工； ➢无对流或沉降: 压裂 液在地层中粘度很大 或者水平的压裂裂缝。
不同形式插管封隔器分段压裂管柱力学分析
（２）在 井 筒温度 和压力 发生 变化 时 ，生产 油管 锚 定 在插 管封 隔器 内 （不 可移 动 ）。
对 于不 同的 回接形 式 ，在分 段压 裂 施工 中 ，其 分段压裂管柱所受的作用力不 同。
１ 插 管封 隔器分段压裂管柱结构
力计 ，也可以防止井 中落物掉人井底 ；通过裸眼封 隔 器 、投球 滑 套 和压 差滑 套 配合 使 用完 成各 层 段 的 分段压裂 ，通过循环隔离 阀实现管柱内外流体 的循 环 、插管封隔器和裸眼封隔器 的坐封 卜 。一般情况 下 ，利用 钻杆 送 人下 部 分段 压 裂管 柱 ，随后起 出钻 杆 ，下人 生产 油 管 回接 到插 管 封 隔器 中。生产 油 管 与插 管封 隔器 之 间有 以下两 种形 式 ：
本文 以常用的插管封隔器分段压裂管柱为例 ， 所采用的管柱示意图如图 １所示 。
在这 种 分段 压裂 管 柱 中 ，通 过插 管封 隔器 实现 对 下 部分 段 压裂 管柱 的坐 挂 ；坐 落短节 可 以坐 放压
收稿 日期 ：２０１７—０６—２１ 作者简介 ：邓 仲勋 ，讲师 ，１９８２年生 ，２０１０年毕业于陕 西师范大学 光学专业 ，现为西安理 工大学材料科 学与工 程专业在读博士研究生 。
究对 象 ，利 用管 柱 轴 向位 移 与 变 形理 论 得 到 了管 柱 总 位 移 的 计 算 模 型 。通 过 归 纳分 析 管 柱 在 分 段 压 裂 过程 中 的 受 力
情 况 ，建 立 了插 管 封 隔 器 分 段 压 裂 管 柱 强 度 校 核 模 型 。以 国 外 某 油 田 油 井 的 实 际数 据 为 例 ，计算 了不 同 形 式 下插 管
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“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。
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压裂管柱力学分析
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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
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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。
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
o
x
P1 Rp Ro1 V
P2
Ro2
Rw
Lp
y
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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。
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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
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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。
用途
输入
参数
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
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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。
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案例-S97-1
这是一口直井,深 5777m, 最大井斜角 1 °
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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
7
油管
0.073
0.062
0.0055
P-110
9.52
9.63
5769.86
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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
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
L
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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。
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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
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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 ]
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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。
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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
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.
三、物理量全部采用国际单位制。
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4.应用
• S97-1 • AA
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