完井作业油管柱失效的力学机理——以塔里木盆地某高温高压井为例

塔里木盆地某高温高压井井深约7 000 m、地层温度180℃、地层压力120 MPa,该井在完井作业中发生两处油管工厂端丝扣根部断裂的工程问题。如何从管柱变形与应力变化进行解释并提出应对措施,进而保证管柱完整性和保障安全生产是一个值得讨论的问题。为此,采用有限单元法进行管柱的三维力学数值分析,建立起三维有限元管柱力学模型,模拟完井作业中下封隔器坐封、压裂、测试3个工况下的管柱结构变形,分析管柱系统的位移和应力的变化规律,进而基于疲劳强度计算的理论公式得出了疲劳安全系数的计算公式。研究结果表明:(1)依据该井完井管柱各处的轴向应力有限元数值计算结果,得到了各弯曲应力部位的疲劳安全系数值;(2)测试作业各油管段的疲劳安全系数都大于3,属于安全状态;(3)断裂的2段油管疲劳安全系数值分别为1.99和1.11,处于预警区,而其他管段的疲劳安全系数均大于1.99,属于安全区。结论认为,该方法为具有类似结构的超深高温高压井的管柱力学设计提供了有效的分析手段。     

大庆油田高温深井试气井下管柱力学分析及应用

针对大庆油田深井高温、高压裂压力及测试、压裂管柱的特点,在轴向屈曲分析的基础上,综合考虑井况、井身结构、管柱组合、施工顺序,以及考虑库仑摩擦力,考虑井口和封隔器的约束及其对轴向变形、轴向力的影响,给出了试气井下管柱载荷、变形、应力计算方法与公式,编制了井下管柱力学分析软件.据此,可以分析各试气工序下管柱的屈曲状态、载荷、变形、应力及强度安全性,并指导管柱组合和施工参数选择.     

水平井双封隔器管柱力学分析

水力压缩式封隔器在坐封时会使管柱产生轴向应力,严重时会影响管柱的强度。以水平井双封隔器管柱为研究对象,考虑2个封隔器分别坐封时井口压力的大小,基于拉梅公式、广义胡克定律和杆件变形理论,推导了在井口压力的作用下管柱的轴向力、轴向应力及变形量计算公式。计算结果表明,当封隔器Ⅰ、Ⅱ先后以10 MPa和15 MPa井口压力坐封时,封隔器Ⅰ、Ⅱ之间的管柱轴向应力由49.94 MPa降低为15.08 MPa,而弯曲段到封隔器Ⅱ之间的管柱轴向应力由58.05 MPa 增加到107.96 MPa。由此可知,后坐封的封隔器会使其到弯曲段的管柱轴向应力增加,而使其到先坐封封隔器的管柱轴向应力降低,所以管柱的危险截面出现在后坐封的封隔器到弯曲段之间。     

超深高温高压气井完井含伸缩管测试管柱的应力与变形特征

塔里木盆地MJ4井测试管柱长6 617 m,测试时井底压力为101.63 MPa,完井作业过程中管柱出现了塑性变形问题,迫切需要准确地确定管柱塑性变形究竟发生在完井作业的哪个阶段。为此,采用三维有限元分析方法,结合MJ4井坐封、压裂和试油3个典型的载荷工况,对管柱的变形和轴向应力分布进行了数值计算,总结了含伸缩管的完井测试管柱力学行为计算流程。研究内容主要包括:①提出了具有伸缩管的油管柱系统中伸缩管的伸长与闭合状态的判断依据,并给出了相应的计算原理和计算公式,计算了MJ4井油管柱伸缩管的伸长—闭合状态;②给出了水力锚咬合不良产生的封隔器环空附加压差载荷的分析计算方法,模拟了其对管柱系统变形行为的影响,指出了附加压差载荷对管柱的塑性屈曲变形有着重要的影响;③计算模型引入了侧向屈曲变形的限制,从而间接考虑了接箍刚度对屈曲变形的影响,计算分析了油管柱在各种载荷共同作用下的变形情况,得到的数值结果显示与观察到的变形现象相同。研究结果表明,MJ4井管柱的塑性变形发生在压裂改造施工阶段,各种形式的液体压力载荷及重力载荷是塑性变形的主要原因。结论认为,含伸缩管测试管柱的力学计算模型可作为优化施工和管柱系统结构设计的重要理论工具和分析手段。     

基于弹簧理论的螺旋弯曲管柱强度分析

为了了解螺旋弯曲状态下管柱的应力分布规律,根据管柱螺旋弯曲的特点,利用弹簧理论,结合螺旋弯曲管柱力学分析成果,导出了螺旋弯曲状态下管柱内、外侧的第四相当应力计算公式,弥补了传统管柱力学分析的不足,提高了受压弯曲管柱强度校核的针对性与准确性。分析结果表明,在轴向压力作用下,弯曲管柱内侧的最大相当应力恒大于外侧,并且随着轴向压力的增大,管柱内侧最大相当应力线性增大。因此,对于受压弯曲管柱,应以管柱内壁为应力危险点校核其强度。     

注水管柱应力与轴向变形分析

利用弹性力学理论详细分析了注水压力、注水管柱自重、井口压力、流量、地层温度和液体流动摩擦阻力对注水管柱应力及轴向变形的影响,并给出了相应的计算公式。通过实际算例得出以下结论：（１）液体流动摩擦引起的动应力与速度的平方成正比,在总应力中占有相当比例;（２）注水管柱的轴向变形中,液体流动及地温引起的变形是不可忽略的因素;（３）在实际工程中,由于井壁对注水管柱及封隔器的摩擦作用,管柱的实际应力和轴向变形小于理论计算值。     

水平井多级压裂管柱力学、数学模型的建立与应用

水平井多级体积压裂技术是近几年国内外为有效开发页岩气藏和低渗透油气藏而发展起来的一项新技术,但随之出现了压裂管柱力学环境更加复杂的新问题。针对该复杂的力学、数学问题,根据水平井多段压裂工艺管柱受力特点,建立了悬挂封隔器以下,多封隔器坐封、开启压差滑套和开启投球滑套3种工况的力学模型,并根据各工况的受力特征,建立了这3种工况管柱力学计算的数学模型。根据弹性力学理论中厚壁筒的Lame公式和Von Mises应力计算公式,推导出了管柱受内压力、外挤力和轴向应力共同作用下油管柱安全性评价的等效应力计算数学模型,建立了多级压裂管柱力学强度安全评价的数学模型;根据已建立的水平井多封隔器管柱力学计算的数学模型,开发了水平井多级压裂管柱力学安全评价的实用软件。该研究成果已经在新疆塔里木盆地塔河油田某气井得到了应用和验证,取得了很好的效果,为水平井多级压裂管柱安全工作参数的优化设计和安全性评价提供了理论依据和简便可靠的技术手段。     

两层压裂井下管柱力学分析及其应用

不动管柱两层压裂技术是环保施工、提高劳动效率的新型工艺。为保证该工艺的科学有效实施,对井下管柱及各种压裂工具进行了屈曲分析、变形分析、轴向受力分析、应力与强度分析,确定管串的危险截面为井口和封隔器上截面,并编制了应用软件。通过输入油井的井眼轨迹、井身结构、油管柱组成、摩擦系数、油管内流体性能、温度、注入方式、井口油管内压力、锚定状态等各项参数,给出了井口与井下封隔器处的内外压、轴力、应力强度、安全系数及轴向变形情况。在实际井上进行了应用,有效地指导了压裂管柱设计及工具的选型,从而保证了压裂施工的顺利进行。     

深井试油管柱力学分析及其应用

针对深井管柱温度高、注液压力大,管柱受力复杂等特点,综合考虑井身结构、管柱组合、工况、施工顺序等因素,考虑封隔器的约束和温度、压力变化引起的温度效应、螺旋弯曲效应等四种效应对管柱受力、变形的影响,给出了试油井下管柱轴向受力、变形、应力计算方法,并结合油田现场实际对流体摩阻的计算方法进行了简化。根据理论分析开发了深井试油井下管柱力学分析软件,在管柱组合设计与强度校核、施工参数计算方面具有一定的指导意义,在胜利油田和大港油田已实际运用多次。     

力学分析在压裂酸化管柱优化设计中的应用

主要就压力、温度变化显著的压裂、酸化管柱进行管柱力学分析和计算。在方案设计阶段或压裂酸化施工阶段详细分析管柱的受力、变形及强度，管柱载荷变化规律，给出管柱变形及强度计算．从而确定出各工况下的极限操作参数。控制管柱的施工作业参数、管柱内外流体工况、工具深度以及井口油压、套压等，确保各施工作业工况下管柱的强度及安全。     

弹塑性储层水力压裂裂缝扩展研究

随着水力压裂技术在非常规油气资源开发中的大量应用,越来越多的学者发现传统的线弹性断裂力学不能对弹塑性储层中水力裂缝扩展进行准确预测.鉴于此,基于Mohr-Coulomb塑性理论,在考虑储层岩石塑性变形、 压裂液流动与水力裂缝扩展非线性耦合的基础上,通过插入Cohesive单元的方法,建立三维多孔介质弹塑性土体模型,以此...     

库车山前深层高温高压气井多封隔器分层压裂工艺

库车山前区域深层高温高压低孔低渗气藏多封隔器分层压裂作业易发生封隔器失效、钢球堵塞管柱及射孔段下部替液不干净等问题,成为影响储层改造作业成功的关键问题。为解决上述问题,在完井管柱上加装了伸缩短节并延伸管柱至射孔段底界;研发了一种高强度铝合金可溶球,以三聚氰胺为过渡层的复合有机硅树脂涂层为其特殊保护膜,其承压强度在69 MPa以上且溶解速度先慢后快;研发了一种全通径压裂阀,采用棘爪式结构和投球打压方式,滑套打开侧孔时扩径通过球,使球移动至管柱底部,其通径可与下部封隔器保持一致,形成了适用于深层高温高压气井的多封隔器分层压裂工艺。现场累计应用14井次,未出现封隔器压裂时失效、管柱堵塞和替液不净等问题。分析表明:伸缩短节能够缓解温度效应和管内外压差产生的轴向力;可溶球满足压裂施工需求的同时,避免了滞留堵塞现象的出现;延伸管柱配合全通径压裂阀为射孔段替液和压裂液有效注入提供了通道,解决了射孔段钻井液沉淀堵塞和支撑剂沉积在井底的问题。多封隔器分层压裂工艺能够为深层高温高压气井储层压裂改造提供可靠技术支撑。     

选择性重复压裂工具关键技术

为了在重复压裂过程中用水力喷射射孔替代火工品射孔,并延长水力喷射工具单趟管柱的使用寿命,同时解决常规扩张封隔器胀封承压后残余变形大、易卡管柱等问题,研制了选择性重复压裂工具。该工具的射孔通道和压裂通道分开设计,通过联作芯轴实现两个通道的转换;根据通道转换特性和施工工艺特征,设计了适时坐封跨接组合式封隔器;为提高承压能力、减小变形,跨接式封隔器胶筒两端均采用了嵌套弹簧式结构。通过室内测试和现场试验验证了选段性重复压裂工具封隔器的封隔性能和通道转换能力。研究结果表明,选择性重复压裂工具可以实现射孔、压裂自由转换、自由选择,减小单段喷嘴的过砂量,延长单趟管柱的使用寿命;封隔器可实现适时坐封解封,胶筒残余变形小且可靠,更易于封隔器的解封及管柱的起出。      

复合压裂管柱结构优化设计与应用

复合压裂管柱存在油管长度配置不合理,轴向抗拉安全系数过剩的问题。以轴向抗拉安全系数为设计目标,对复合管柱各段油管进行受力分析,推导了各段油管长度的计算公式,揭示了影响各段油管长度的因素。以3 700 m长复合管柱为例,优化后的复合压裂管柱各项安全系数满足要求,并且可以减少15%管材使用量。     

典型工况下完井管柱伸缩管力学分析及安全性评价

为减小深井超深井管柱轴向拉力,降低安全系数,常需要在管柱中配置伸缩管,但在进行管柱强度校核时伸缩管处常会出现安全系数突变,由于对其本体缺少力学分析方法,无法对管柱安全作出准确判断,影响试油完井管柱的安全性。应用有限元分析软件建立伸缩管全尺寸有限元模型,分析了坐封、射孔、压裂、开井、关井工况下和极端工况下伸缩管的载荷及应力,给出了5种典型工况对应的极端工况下的伸缩管最大载荷。依据拉梅公式和强度理论,推导得到在复杂载荷下的伸缩管强度计算方法,求得在典型和极端工况下的伸缩管应力值。结果表明:在深井超深井中,压裂工况下伸缩管应力值最高,是最不利工况;坐封、射孔、开井、关井工况下,伸缩管的安全系数通常在1.35以上。得到了5种典型工况对应的极端工况下伸缩管内外压和轴向力组合,提供了实际施工应避免的载荷组合模板。理论分析无法考虑伸缩管键槽的存在,也无法考虑应力集中的影响,理论分析得到的应力较数值分析低15%左右。建立的典型工况下伸缩管的安全评价方法为伸缩管及其对管柱的安全影响分析提供了理论支持。     

可捞式桥塞在水平井分段隔离压裂上的应用

针对国内各油田主要采用填砂+液体胶塞、限流法分段或合压裂工艺进行水平井分段压裂存在的问题,开展了机械桥塞隔离井筒试验。桥塞胶筒主要由内胶筒、端部接头、骨架心子、外胶筒组成。水平井机械隔离分段压裂管柱分为3类,分别是桥塞传送坐封、桥塞打捞和压裂管柱。坐封桥塞管柱结构为丝堵(单流阀)+液压释放工具+油管,桥塞打捞管柱结构为JAY型回收工具+液压扶正器+油管,压裂管柱结构为喷砂器+油管+封隔器+水力锚+油管+井口。2口井压裂施工数据和桥塞打捞作业中可看出桥塞没有漏失和移位现象,说明桥塞起到了良好的封堵隔离作用。     

水力压裂回接管柱失效原因分析及改进建议

水力压裂回接管柱压裂时受多种载荷作用,受力复杂,易发生屈服破坏。对东胜气田A井压裂施工时回接管柱变形原因进行了受力分析,通过ANSYS有限元软件进行分析,明确了该井回接管柱发生变形的原因为所受应力超过其屈服强度极限所致。分析认为,增加回接管柱自身强度以及压裂施工时施加环空平衡压的方式可有效降低回接管柱破坏风险,并提出了回接管柱结构的改进建议。