油气井杆管柱力学研究现状和发展方向

油气井杆管柱在充满流体的狭长井筒内工作 ,在各种力的作用下 ,处于十分复杂的变形和运动状态。对油气井管柱进行系统的、准确的力学分析 ,具有重要的工程实用意义。鉴于此 ,介绍了油气井杆管柱的组成及研究油气井杆管柱力学的重要意义。重点阐述油气井管柱的运动状态、动力学基本方程、油气井杆管柱稳态拉力和扭矩、下部钻具三维力学分析、钻柱振动、杆管柱的稳定性、有杆泵抽油系统参数诊断和优选等方面的研究意义、研究应用现状和发展方向     

油气井管柱冲击动力问题研究概况和发展趋势

钻采作业中经常遇到管柱冲击动力问题。具体工况包括：①射孔和爆炸松扣解卡时,炸药爆炸引发的管柱冲击振动;②用震击器解卡时,突然泄流和震击力引发的管柱冲击振动;③钻柱、套管柱、油管柱、抽油杆柱断脱或刹车不灵或操作失误,导致管柱沿井筒向下滑落冲击井底或泵阀,以及管柱下放时突然遇阻的情况。对文献的相关研究进展进行了评述,并介绍了油气井管柱力学三原理、油气井管柱动力学基本方程、油气井管柱的屈曲和拉力扭矩分析、钻柱动力学、直杆和薄壁管在轴向冲击作用下的应力和变形、以及有限元力学仿真的研究进展;最后,对管柱冲击动力研究的力学模型、数学模型、求解方法和预期结果等提出了建议。     

油气井杆管柱动力学基本方程及应用

随着油气田开发的需要,自本世纪50年代以来,针对油气井杆管柱力学的某些特殊问题已进行了较广泛、较深入的研究,但所有的研究工作都是基于某项特殊需要而进行的,未形成统一的理论。文中通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析,建立了用于对油气井杆管柱进行各种力学分析的几何方程、运动平衡方程和本构方程,介绍了在油气井杆管柱的拉力和扭矩计算、下部钻具力学分析、油气井杆管柱的稳定性、有杆泵抽油系统井下工况诊断与预测、钻柱振动和热采井管柱力学分析中的应用。     

油气井管柱屈曲研究现状与展望

对20世纪50年代后期以来有关油气井管柱屈曲方面的文献进行系统检索,在分析、研究这些文献的基础上,从弯曲力、临界屈曲、后屈曲平衡等方面介绍了在管柱屈曲领域的最新研究成果和应用现状,指出了今后油气井管柱屈曲的重点发展方向.     

射孔段管柱动态载荷综合测试

油气井射孔完井过程中,射孔瞬间形成的巨大冲击加速度和压力会对射孔段管柱造成损伤,进而威胁到整个油气井管柱体系的安全性和可靠性,严重时会造成油气井事故。为获取射孔段管柱在射孔弹爆炸作用下的多个动态力学参量,设计了一套射孔段管柱动态载荷地面综合测试系统,利用该系统同步测得了射孔段管柱在射孔弹爆炸冲击下的加速度、应变和管柱外环压信息。该测试系统便捷可靠,实验方法科学合理,提高了实验效率。该研究为进一步分析研究射孔段管柱动态力学响应对整个井下管柱体系可靠性影响提供重要参考。     

振动采气管柱应力强度分析

为了给采气管柱疲劳寿命分析和完整性分析提供依据,考虑管柱自重及内、外压沿深度的线性变化,用有限元软件分析振动采气管柱的应力强度。将采气管柱看作是内空的细长杆,用有限元法对管柱进行离散化处理,再用拉格朗日方程得到采气管柱动力学微分方程。采用二维轴对称模型进行建模,采用4节点平面单元Plane42进行分析。分析结果表明,采用ANSYS中轴对称单元Plane42建立采气管柱有限元模型,进行振动采气管柱的应力强度分析是一种有效的方法;井口管柱应力最大,是应力危险点;振动载荷作用下,管柱内壁所受应力大于外壁所受应力。     

超深井射孔管柱动态力学分析

超深井射孔完井过程中,射孔瞬间形成的动态载荷对射孔管柱产生影响,严重时会使射孔管柱弯曲、断裂.通过管柱动力学理论分析,利用PulsFrac射孔工程软件对射孔管柱在超深井井况下进行力学仿真.利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对射孔管柱进行隐-显动力学分析.认识到射孔管柱受到口袋长度、井液密度、管柱长度、射孔厚度、井深以及枪弹变化等因素影响,射孔时受约束的封隔器下端面处射孔管柱受力最大.提出了提高油气井射孔管柱安全性的6项措施.     

储气库注采管柱静、动力学安全性评价及软件开发

在储气库高速交变注采的特殊工况下,注采管柱的力学强度安全性将变得非常复杂。为了准确方便地评价注采管柱的力学强度的安全性问题,开展了储气库注采管柱静、动力学安全性评价研究,并开发了相应的评价软件。首先,根据注采管柱的实际结构和受力特点,建立了封隔器对管柱作用力的计算模型和注采管柱振动的有限元模型,通过模态分析,研究了带封隔器管柱的固有频率和振型;在模态分析的基础上,对储气库注采管柱进行了瞬态动力学研究,分析了距封隔器不同距离管柱的振动位移、速度和加速度的变化规律;根据不同时刻管柱的轴向力和应力分析,计算得到了注采管柱的动力学安全系数;最后,开发了储气库注采管柱静、动力学强度安全性评价软件,该软件包括数据库模块、管柱静力学分析模块、管柱动力学分析模块和管柱安全性评价模块,为储气井注采参数的优化或优选以及注采管柱安全的运行提供参考。     

统一强度理论在杆管柱力学中的适用性和具有SD效应材料的安全应力域

在油气井杆管柱力学中广泛应用Von Mises屈服准则和Tresca屈服准则,而在岩土力学中则普遍采用统一强度理论。统一强度理论是否囊括了Von Mises屈服准则和Tresca屈服准则,在油气井杆管柱力学中应用统一强度理论是否比应用Von Mises屈服准则和Tresca屈服准则更好等问题,是值得澄清和探讨的。在分析统一强度理论、Von Mises屈服准则和Tresca屈服准则所考虑的因素、数学表达式和适用材料后认为,在一般的油气井杆管柱力学计算中,Von Mises屈服准则比统一强度理论更完备;在特定条件下Tresca屈服准则比统一强度理论更简明;Von Mises屈服准则和双向应力椭圆理论充分地考虑了中间主应力效应;油气井杆管柱力学中一般不需要考虑SD效应;统一强度理论没有考虑材料的冷作硬化效应和屈强比。建立了具有SD效应材料的安全应力域。     

深水钻井作业管柱纵向振动载荷分析

深水钻井作业过程中,管柱在平台升沉振动的作用下产生纵向振动载荷,影响管柱的强度安全。以深水下表层套管作业管柱为例,建立了具有复杂结构的深水作业管柱纵向振动力学模型,并利用振动力学理论分析了管柱的纵向自由振动特性及纵向受迫振动载荷。分析结果表明,在平台升沉振动的作用下,作业管柱的纵向振动以第1阶振型为主;管柱顶端截面上的纵向振动载荷最大,是作业管柱上的危险截面;当钻井平台的升沉振动周期接近作业管柱的固有周期时,将产生极大的纵向振动载荷;当表层套管下入深度较大时,采用壁厚大的钻杆作为送入管柱能有效降低管柱纵向振动所产生的轴向应力。该项研究结果可为深水钻柱和送入管柱的设计提供依据。     

油气井管柱完整性技术研究进展与展望

在回顾油气井管柱完整性概念的提出与发展历程的基础上,介绍了我国在钻柱构件适用性评价、"三超"(超深、超高温、超高压)气井油套管柱可靠性设计与完整性评价、"三超"气井油管腐蚀行为与评价、热采井基于应变设计与选材评价技术等方面的最新研究进展及其应用情况。指出现有油气井管材与管柱技术仍不能满足"三超"、严重腐蚀、非常规、特殊工艺和特殊结构井等服役环境,进而提出了进一步加强油气井管柱完整性技术研究与科技攻关的建议:1持续完善和发展中国西部深层油气勘探开发套管柱优化设计与管材选用及完整性评价技术;2急需建立有针对性的非常规页岩气开发套管柱优化设计、选材及完整性评价技术;3建立"三超"高含CO2气井环境及压裂酸化工况复杂油管优化设计、选材选型、完整性评价技术;4深入研究含缺陷油气井管柱缺陷检测、安全评价、风险评估、寿命预测、维修补强等关键技术;5建立油气井管柱完整性管理体系和配套的支撑技术体系。     

储气库注采参数与管柱临界屈曲载荷分析

针对华北油田储气井井身结构及其采气过程,开展了储气井井口油压、产量与油管柱屈曲变形的深入研究。在前人研究的基础上,讨论了管柱在井筒中发生正弦屈曲或螺旋屈曲变形的3个临界载荷值以及这3个临界载荷之间的屈曲状态,在此基础上,得到了划分不稳定区的新临界载荷,推导出了计算油管底部轴向力的数学模型。基于带有封隔器的管柱力学分析和理论研究、封隔器管柱中的各种效应变化计算数学模型以及建立的管柱临界屈曲载荷的数学模型,用VB2013开发出了一套储气井注采管柱力学安全性评价软件,应用该软件对华北油田S-x储气井注采管柱进行了研究,为储气井井口油压、产量等参数的优选及注采管柱安全性评价提供依据。     

注汽井套管的受力与变形

本文对注汽井套管的受力与变形提出了简要的计算方法,包括:老井改为注汽井时有水泥环部分套管和无水泥环部分套管的强度计算方法;新井中深井采用预应力套管时,预应力的计算方法。     

套管气辅助举升工艺动态分析模型

在高气液比井中为了减少气体对泵效的不利影响,同时又能充分利用气体能量,采用套管气辅助举升技术是一个比较经济有效的选择。在井下合适深度下入气举阀,将环空气体返注回油管,利用气举原理可获得更高的系统效率。然而套管气源和压力无法人为控制,注气压力和注气量均随时间变化。为了验证设计参数的合理性,结合采油系统中各段的流动特点和采油设备的工作特性,考虑井下分离器和气举阀造成的套管气体量以及压力的变化,建立了套管气辅助举升过程的动态模型。通过比较有无井下分离器及气举阀时的油井生产参数变化,得到使用套管气辅助举升系统后,油井泵效提高、套压得以控制、上冲程载荷降低等结果,表明套管气可以用来辅助人工举升。研究还通过改变气举阀下入深度、直径以及开启压力,研究各参数对采油过程的影响,为套管气辅助举升工艺的设计提供了依据。     

双层组合套管受均匀或非均匀载荷作用的强度分析

利用EPF软件对双层组合套管进行弹塑性有限元仿真分析,其结果与西德克劳塞尔技术大学M.Brkowsky等的试验结果完全一致,证明本文的弹塑性有限元力学模型、基本假设及弹塑性增量理论的应用是正确的。因此可利用EPF软件对任何组合形式下的套管,在计算机上进行均匀或非均匀载荷作用的模拟试验来取代实际试验过程,减少实验设备的投资及实际试验的一些困难。利用EPF软件已成功地为华北油田荆丘地区提供了套管的组合形式,并建立了强度分析及径向位移变化的数学模型。本文首次对组合套管受非均匀载荷作用进行定量研究,为组合套管强度分析奠定了理论基础。     

侧钻井封堵卡封工艺的研究与应用

为低成本挖掘油藏剩余油潜力,侧钻技术正在油田大面积推广应用。自1999年起,现河油区开始利用开窗侧钻技术挖掘层间剩余油潜力,截止目前投产侧钻井已达180口,累计产油近70×104t。在完井工艺上经历了三个阶段,由此在射孔、开采等工艺进行攻关配套,取得了一定的突破。针对不同尺寸的套管完井,在侧钻井分层开采的过程中的配套了封堵和卡封等配套的改层工艺。如(?)88.9套管常采用水泥或堵剂等进行化学封堵,而对改进后的(?)95.3套管常采用机械卡封工具,并配套了相应的工具。6年来针对侧钻井共实施各类改层措施80井次,累计增产5.38×104t,为采油厂原油生产任务的完成发挥了巨大作用。     

塔河油田膨胀管井钻井技术

塔河油田奥陶系碳酸盐储层石油资源丰富,随着开采周期的延长,采出量的增加,开采成本也相应增加,老井侧钻是降低油气开发成本的有效途径之一,但塔河油田受制于井眼尺寸、避水要求、不稳定泥岩、复杂的压力体系等原因,套管开窗侧钻难度极大。鉴于膨胀管技术在处理复杂地层和压力体系方面具有独特的优势,并可节约套管层次,因此在塔河油田进行了3口井试验,均取得成功。对3口试验井情况进行了总结,对井身结构设计、井眼轨道设计、套管开窗方式、扩眼方式、钻具组合和钻井参数等进行了详细的阐述,试验证明膨胀管技术能够解决该区块侧钻井面临的难点,对于老井改造具有重要意义,但还需加强配套工具设备研制,以进一步提高膨胀管钻井经济性。