压裂管柱力学分析

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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。
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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
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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。
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4.应用
• S97-1 • AA
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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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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.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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目录
1. 2. 3. 4. 5. 前言 数学模型 软件 应用 结论
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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
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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
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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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。
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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。
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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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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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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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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
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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。
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油管
0.073
0.062
0.0055
P-110
9.52
9.63
5769.86
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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
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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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3.软件
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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.
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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。
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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