您现在的位置:首页 > >

水平井分段压裂管柱受力分析研究及应用_图文

发布时间:

水平井分段压裂管柱受力分析研究及应用
(1. 中国石油大学 (北京) , 北京昌平, 102200; 2. 北京雅丹科技开发有限公司, 北京昌平, 102200) 摘 要:本文针对水平井分段压裂工艺的技术特点,在常规压裂管柱力学分析模型的基础上,

考虑了水平井分段压裂时各种工况下跨封段管柱的受力,完善了相关方法与模型,开发了水平井分 段压裂管柱受力分析设计软件,解决了水平井分段压裂工艺施工中的管柱及工具的受力、变形、强 度校核及安全评估等。 关键词:水平井 分段压裂 1 引言 水平井分段压裂工艺技术主要解决压力下降快、砂体联通性差、单井产量低等油气井增产问题。 目前,国内外水平井分段压裂工艺技术主要有如下几种:限流压裂技术、双卡上提多段压裂技术、 分段环空压裂技术、液体胶塞隔离分段压裂技术、机械桥塞隔离分段压裂技术、套管内连续油管水 力喷砂压裂技术和裸眼分段压裂技术等[1,2]。近年来,水平井分段压裂工艺在我国各油气田的应用越 来越多,然而相关的理论研究与软件工具却相对滞后,特别是水平井分段压裂管柱受力分析总体上 还是沿用不分段压裂管柱的力学分析方法。本文针对这一问题,从水平井分段压裂工艺的技术特点 出发,完善了相关的分析技术方法,开发了水平井分段压裂管柱受力分析设计软件,用于解决水平 井分段压裂工艺施工中的管柱和工具的受力、变形以及安全等问题。 2 软件相关理论 2.1 多封隔器管柱力学基本方程 为了建立三维井眼中带多个封隔器管柱(两个以上封隔器)轴向载荷的力学模型,首先考虑井 眼轨迹上任意两点之间的一个管柱单元,在空间上对管柱单元建立平衡方程
[3]

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 ± ?Fn ? 2 2 ? Fn = Fndp + Fnp ? ?Fn 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(? 2 ? ? 1 )) ? ? Fp1, Fp 2, Fp 3...Fpn .

(1)

式中:T1 —单元下端的拉力, N ;T2 —单元上端的拉力, N ;θ —单元全角变化, rad ; 总侧向力, N ; M 1 —单元下端的扭矩, N ? mm ; M 2 —单元上端的扭矩, N ? mm ;

Fn —

Fndp

—全平

1

面上主法线上的侧向力, N ;

Fnp

—副法线上的侧向力, N ; dl —单元长度,m; q —单元在液体

N
中的浮重,

m ; D —管柱外径, mm ; α 1 , α 2 ,α —分别为管柱下端、上端和单元微段平均井斜

角, rad ; m, n —分别为副法向和主法向矢量; Fp1, Fp 2, Fp3...Fpn —封隔器跨封段在各种封隔器 作用下的受力,其中 n 为跨封段数量,等于封隔器数减一,起、下管柱工况时,跨封段按普通管柱 处理,坐封、压裂工况根据具体的施工条件计算,作为管柱总体受力的边界条件。 2.2 工况类型划分 本文主要针对下管柱、坐封、压裂、起管柱等工况进行研究,其中下管柱与起管柱的工况与常 规不分段压裂的受力分析方法相同,坐封与压裂工况分别根据跨封段的受力分析进行相关的计算与 校核。 2.3 跨封段受力分析 2.3.1 坐封时跨封段管柱的受力分析 假设: (1)采用液压坐封封隔器; (2)水平井分段压裂采用液压封隔器同时坐封。坐封时水平 跨封段管柱受力如图 1 所示,结合管柱力学基本方程,主要考虑如下受力分析与计算。 (1)根据坐封压力计算油管端部压力,即右封隔器(下封隔器)处管柱的受力; (2)由于坐封时,管柱内压大于外压,需要计算鼓胀效应导致的长度变化,进而计算鼓胀效应 产生的载荷; (3)坐封工况计算时可以不用考虑温度效应的影响; (4)计算坐封过程中跨封段管柱所受合力与应力,进行安全系数的计算与校核。以上计算过程 还可适用于地层被压开之前的受力分析。

图 1 跨封段管柱坐封时受力分析 2.3.2 注入液体压裂时跨封段管柱的受力分析 结合管柱力学基本方程,对地层被压开以后压裂液注入过程的跨封段管柱进行受力分析,主要 考虑如下受力分析与计算。 (1)油管端部拉力:施工工程产生的高压通过滑套球座作用在管柱底端; (2)温度效应导致的受力:考虑压裂施工排量大的特点,水平井段的温度变化会显著下降,在 此过程会对管柱有明显的作用力; (3)鼓胀效应的相关计算与坐封工况相同;

2

(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。

3

图 3 管柱整体受力

图 4 管柱上部变形

图 5 跨封段管柱受力分析 4.2 压裂注液 根据压裂过程中压裂液与地层的热交换规律,进行温度与压力分布计算的结果如图 6 所示,以 最高压力注入时进行管柱受力计算的结果如图 7 所示,跨封段管柱受力分析结果如图 8 所示,从图 8 中可得出在压裂注液时,滑套打开后跨封段管柱内外压力相等,鼓胀效应比较小。安全评估界面
4

如图 9 所示。综合图 6~图 9 所示的计算结果,预计施工过程中封隔器的压差可能会超过一些,建议 适当提高环空背压,确保封隔器的安全。

图 6 压裂施工过程温度压力分布计算

图 7 管柱整体受力

5

图 8 跨封段管柱受力分析

图 9 安全评估 5 结束语 水平井分段压裂管柱力学分析主要是在油气井管柱基本力学方程的基础上考虑跨封段管柱的受 力特点进行建模。并在此基础上开发了水平井分段压裂管柱受力分析设计软件,该软件可用于解决 水平井分段压裂管柱系统的受力与安全分析的相关问题。由于水平井分段压裂工艺以及相关的井下 工具在不断地向前发展,因此相关的研究分析以及软件开发工作必须实时跟进,才能真正提高水平 井分段压裂的经济效益。由于笔者水平有限,文中不足与不妥之处,敬请广大读者批评指正。 参考文献: [1] 马俯波等.低渗透砂岩油藏水平裸眼井的多裂缝水力压裂技术[J] .国外油田工程,2004, 20(12) :13~16. [2] McDaniel B W,Willett R M.廉抗利(译) .低渗透油气藏的增产技术——没有水泥套管的 水平完井[J].国外石油动态,2003,149(15) :14~30. [3] 檀朝东等.基于三维井眼轨迹的管柱受力分析研究[J].中国石油和化工,2009,2:57~59. [4] 檀朝东等.大位移水平井完井管柱力学分析[J].石油矿场机械,2008,37(2) :20~24.
6

[5] 张任良等. 井下管柱受力分析设计软件的研制及应用[J]. 中国石油和化工, 2008, 16: 54~56.

联系人:宋健

www.yadantech.com

010-89787235 jason87225@126.com 15911106850

7



热文推荐
猜你喜欢
友情链接: 简历 面试求职范文 职业规划 自我管理 社交礼仪 76242百科