长距离复杂地层水平定向钻穿越管道施工技术

外钓岛—册子岛水平定向钻穿越管道工程穿越曲线超长,地质条件极为复杂,施工难度很大。通过对穿越管道工程特点及施工难点的分析,在导向孔钻进、扩孔工艺及泥浆控制等方面采取技术措施,解决了超长距离导向孔施工钻杆的失稳问题,以及长距离管道回拖中存在的钻机推力过大、管道易损坏等施工难题,实现了外钓岛—册子岛海底管道的定向钻穿越。

套管钻井中套管柱疲劳可靠性及相关力学特性研究

利用CAE仿真技术和可靠性疲劳实验方法,研究了套管钻井中的有关力学问题。分析了不同径厚比套管的受力状态、磨损套管剩余强度、套管柱的振动模态和疲劳可靠度。研究结果表明,径厚比越大,套管管体Mises应力越大,套管发生失稳的临界荷载越小。对于均匀磨损,随着磨损长度的增大,套管的剩余抗拉和抗扭强度逐渐变大,并达到一个极限值;对于非均匀磨损,其剩余抗拉强度与磨损长度之间的关系均近似服从指数分布。两种磨损状态下,套管柱剩余抗拉和抗扭强度都随磨损量的增加而降低;套管柱外径对套管横向振动固有频率的影响大于径厚比对其的影响,纵向固有频率主要取决于管柱长度。运用可靠性方法,基于概率分析设计了单轴和双轴疲劳可靠性试验,得到了套管柱的单轴和双轴概率疲劳特性,推导出套管钻井的P—S—N曲线方程。

蠕变地层套管外载计算的位移反分析法

套管外载计算是蠕变地层套管受力分析的难题,由于套管周围应力场比较复杂和地下环境多样,难以直接求解。根据弹性力学理论,建立了套管在地层蠕变引起的椭圆形非均匀外载下的力学模型,并应用逆解法对该力学模型进行求解,得到了在非均匀外载下套管的应力和位移计算式。基于套管内壁变形的实测资料,利用阻尼最小二乘法建立了套管外载反分析模型,提出了确定套管外载的反分析方法,讨论了反分析法的应用。实例分析表明,载荷反求值与真实值吻合较好,拟合精度较高,说明这种方法具有较好的实用价值。

低渗透薄互层砂岩油藏大型压裂裂缝扩展模拟

对低渗透薄互层砂岩油藏的大型压裂开发时,由于低渗透薄互层砂岩油藏中隔层岩层比较薄、强度低,对裂缝高度方向上的扩展抑制作用较小,往往会出现裂缝长度与高度之比小于4,导致只考虑缝内流体一维流动的拟三维裂缝扩展模型不再适用。根据低渗透薄互层砂岩油藏大型压裂的特点,在适当假设的基础上,应用线弹性断裂理论,建立考虑缝内流体沿着裂缝高度和长度方向流动的拟三维裂缝扩展模型,并用解析法得到压裂过程中裂缝扩展尺寸和缝内流体压力的精确解;利用VisualBasic计算机语言编制二维流动的拟三维裂缝扩展模型求解程序,并对某低渗透薄互层砂岩油藏压裂过程中裂缝扩展情况进行了求解分析。计算结果表明:二维流动的拟三维裂缝扩展模型能够很好地预测低渗透薄互层砂岩油藏大型压裂过程中裂缝的扩展,可以满足工程需求。

水平定向钻技术在管道穿越工程中的应用研究

对定向钻穿越施工中的弯曲半径和管道回拖力等关键参数进行的理论研究表明,工程经验公式用于管道穿越设计存在不足。对影响各参数的基本因素进行了分析,给出了更加符合工程实际的理论计算公式。考虑到穿越过程泥浆的基本作用,提出了最小需要泥浆压力和最大允许泥浆压力的概念,并推导出计算公式。应用定向钻穿越的相关理论,对某管道穿越工程的3个穿越方案进行了优选,得到了关键穿越指标的定量值。通过对关键参数的对比分析,确定了最符合工程实际的方案,应用效果良好。

共振对螺杆泵井抽油杆偏磨的影响

地面驱动螺杆泵井抽油杆的偏磨是制约螺杆泵应用的主要原因,目前采用的防治方法不能从根本上解决该问题。采用螺杆泵井受力测试仪器对抽油杆进行受力测试,结果表明,当抽油杆的转速达到特定值时,抽油杆会产生横向振动共振,这是造成抽油杆偏磨的动力学因素。当螺杆泵井抽油杆高速旋转时,重心偏移是抽油杆产生横向振动的主要原因。根据地面驱动螺杆泵井抽油杆的现场工作状态,建立了抽油杆横向振动理论模型,分析了横向振动共振的产生条件,即抽油杆的角速度等于横向振动频率,并在此基础上建立了抽油杆的横向振动模型,由横向振动的频率得出避免横向振动共振的抽油杆控制转速,从而解决了螺杆泵井抽油杆偏磨的难题。

管道穿越地震断层管土耦合大变形壳模型的应变响应规律研究

考虑薄壳大变形和管土耦合相互作用,针对地震断层两侧场地相同和场地相异及中间含有破碎带等不同条件建立壳单元有限元分析模型。采用大变形壳有限元方法分析X80钢大口径油气管道穿越地震断层的应变响应。计算中考虑管道与土体的非线性,系统分析相应场地条件下管道壁厚、埋深、破碎带宽度、位错量、管道与断层管道交角等因素对管道应变响应的影响规律和变化曲线。比较以上不同参数变化条件下管道地震应变反应特征,分析各影响因素的灵敏度大小并总结其变化规律。研究结果表明:断层破碎带越宽,地震断层作用下管道产生的轴向变形越小,对管道的抗震越有利。同时得出,当断层两侧土体性质相异时,大口径油气管道更易发生较大的变形,其最大应变发生部位在管道与断层较硬一侧交汇处,应变响应也更加剧烈。

用可靠性理论解析API套管强度的计算公式

针对美国石油学会(API)制定的套管强度计算公式中引用的若干个修正系数理论意义不明确的问题,讨论了API套管多个属性参量的分布规律和分布参数。采用基于Monte-Carlo方法的Latin Hypercube随机模拟方法,模拟得出了套管强度的分布规律以及套管几何尺寸和管材力学性能的随机性对套管强度随机性的影响规律。运用可靠性理论建立了套管强度的可靠度计算模型,分析并对比了不同可靠度下的套管强度值,计算得出了API套管强度值的可靠度。研究结果表明,套管属性的随机性越大,套管强度的可靠性越低,API套管弹性挤毁抗挤强度公式的修正系数能够合理地提高其强度可靠性,但应用修正系数后的抗内压强度公式是偏于安全的。

确定地应力场边界载荷的有限元优化方法研究

从弹性力学基本方程出发,针对煤层气储层地应力场反问题,结合对区域地应力场认识,利用阻尼最小二乘法建立了应力场反演的优化约束模型,提出了一种用于反演地应力场边界力的优化分析方法,该方法根据部分实测点的应力值进行边界力反演,并与有限元方法和有限差分法相结合,通过改变边界力参量达到优化逼近目标函数。该方法根据研究区域少量地应力实测资料进行最优化计算,使得计算应力场与实测应力达到最优拟合,以弥补回归反演方法和边界载荷调整法的不足,来提高计算精度。针对沁水盆地少数控制井的地应力大小和方向作为约束条件,计算了区域地应力场,算例证明了该方法的计算精度和可靠性,本文提出的优化方法可有效解决地应力场边界力的反演问题。

热采井预应力隔热管柱最佳胀率设计

根据预应力隔热管在制造、下入和注蒸汽等工况下的受力变形特点,建立了基于最佳胀率原理的隔热管内、外管设计计算力学模型,推导出相应工况下隔热管在井口和井底封隔器位置处的最大胀率、最小胀率和比例胀率的计算公式。利用VisualBasic语言编制了相应的计算软件,对胜利油田多口热采井预应力隔热管进行了计算分析,得到了不同下入深度和注汽温度时隔热管最佳胀率设计值。结果表明,最佳胀率设计方法可以满足注蒸汽条件下隔热管强度设计要求;在下入工况下,井口隔热管内外管胀率随下入深度增加而线性减少;在注汽工况下,隔热管的胀率要比下入工况下的增加显著;建议在隔热管胀率设计时要以注汽时隔热管受力为基准,采用比例胀率方法进行设计。

储集层裂缝预测分析的多参数判据法

利用优化反分析方法获得目标区地应力场分布，并考虑储集层岩石多轴应力状态，提出了储集层裂缝预测分析的多参数判据法。该方法采用基于多个岩石材料参数建立的破坏曲面作为边界条件，通过研究应力状态函数与破坏曲面间的相互关系预测分析储集层裂缝发育情况，并根据关键井处的实测裂缝参数计算得出储集层平面内各点处的裂缝密度。利用该方法对江苏油田某区块油藏进行计算分析，研究了储集层关键井点处裂缝密度与数值模拟得出的发育指数间的关系，结果表明储集层裂缝体密度与发育指数的常用对数问具有较好的线性关系。据此对该区块油藏裂缝发育程度及密度进行预测分析，计算结果表明该油藏目标层段储集层裂缝体密度主要分布在0．23-1．20m^2／m^3且受断层和构造部位影响显著。

基于能量平衡方法的套管抗挤规律分析

根据套管受到外挤载荷时的受力和变形特点,将套管变形分为弹性和塑性变形两个阶段,建立套管弹、塑性变形受力计算模型,利用能量平衡方程推导出套管抗挤强度计算公式,分析初始椭圆度、屈服强度和径厚比对套管抗挤强度的影响。通过对6根V140套管进行室内全尺寸试验和三维有限元数值模拟计算得到其抗挤毁强度,并与计算结果进行对比。结果表明:利用能量平衡方程推导的套管抗挤强度计算公式与试验、ISO/TR104002007(E)标准和有限元计算结果相比具有很高的精度,可以满足工程需求;初始椭圆度和径厚比越大,套管抗挤强度越小;屈服应力越大,套管抗挤强度越大。

等曲率井眼中钻柱与井壁间接触力分析

建立了等曲率井眼中考虑轴向力和重力的钻柱平衡方程式,采用理论和非线性有限元的方法分析了等曲率井眼中钻柱与井壁之间的接触力。采用牛顿-拉普森方法对非线性有限元方程进行了迭代求解。要保证理论分析的精度,同样需要考虑边界条件。计算结果表明,由于外力的作用,钻柱紧贴于井壁的一侧时,钻柱的刚度对钻柱与井壁间的接触力无影响,此时,井眼曲率越大,钻柱与井壁之间的接触力越大。当外力不足以使钻柱紧贴于井壁的一侧时,钻柱的刚度对钻柱与井壁之间的接触力有影响。与理论分析相比,非线性有限元方法应用范围更广,解的精度更高。

泥岩蠕变导致套管变形损坏机理分析

油田注水开发以后 ,泥岩吸水蠕变使非均匀地应力作用于水泥环和套管 ,通过对泥岩吸水蠕变以后 ,在远场地应力作用下 ,对水泥环与地层接触的第二界面和水泥环与套管接触的第一界面压力的数值仿真分析 ,提出了泥岩吸水蠕变诱发地应力在井眼周围产生应力集中 ,迫使水泥环和套管在最大水平地应力方向产生椭圆形缩径变形 ,是造成套管变形损坏的直接原因 ,而且水泥环与套管接触的第一界面的椭圆形外压力分布规律与水平地应力方向、套管变形趋势相反 ,说明水泥环在套管抵抗非均布外载中起到改变受力边界条件的作用。

煤层气多分支水平井完井管柱许可造斜率设计

根据煤层气多分支水平井完井管柱在造斜段的受力变形特点,将完井管柱的变形分为线弹性、弹塑性和扁化变形(塑性流动)阶段,利用弹塑性大变形理论建立了完井管柱承受弯矩与造斜率间关系的计算模型,推导出造斜段完井管柱许可造斜率计算公式。对沁水盆地某煤矿使用的多分支水平井完井管柱的造斜率进行了模拟计算,并与室内实验值进行对比,分析了完井管柱的外径、壁厚和屈服强度对完井管柱许可造斜率的影响。计算结果表明:建立的煤层气多分支完井管柱许可造斜率计算模型与实验值具有很好的一致性,可满足工程需要;完井管柱从线弹性极限变形状态进入弹塑性极限变形状态,井眼许可造斜率变化很小;完井管柱线弹性、弹塑性和扁化变形阶段的许可造斜率随外径的增加而降低,随壁厚和屈服强度的增加而提高,但壁厚影响不显著。

位错模型在低渗透储层裂缝预测中的应用

分析了位错模型在低渗透储层裂缝预测分析中的可行性,基于位错模型,给出了裂纹附近应力场计算方法,并利用位错塞积机制和断裂力学模型,建立了储层裂缝预测模型。通过定义储层裂缝发育指数及采用等级划分的方法,对储层裂缝发育情况进行评价分析。以江苏油田W油区阜一段储层为试验研究对象,利用多目标约束的最优化方法,分析了该断块油藏构造应力场分布规律以及储层裂缝发育程度和分布规律,确定了裂缝相对发育区域。模拟结果与研究区块关键井点处的实测值吻合较好,计算精度能够满足实际工程的需求。

近井地带高压挤压问题的解析解

针对高压砾石充填后近井地带形态认识不清以及现有压裂充填数学模型中没有考虑井底岩层压实的情况,根据摩尔-库仑准则和平面应变轴对称问题的基本理论,推导得出了疏松砂岩高压挤压时近井地带的应力、应变和位移等参数与压实区半径的关系,并通过算例分析了疏松砂岩岩体的内摩擦角、杨氏模量等参数对高压挤压结果的影响。研究结果表明,在相同泵压下,岩体的内摩擦角、塑性平均体积应变对高压挤压结果影响较大,而杨氏模量的影响较小。

钻柱与井壁碰撞的拉格朗日算法动力学仿真

在影响钻柱横向振动的诸多因素中,钻柱与井壁的碰撞起着首要的作用。根据连续介质力学和非线性有限元理论,给出钻柱碰撞井壁过程中钻柱的控制方程,并建立相应的有限元列式。采用显式时间积分方法求解基于拉格朗日算法的碰撞动力学方程。数值计算的结果较真实反映钻柱碰撞井壁的动态过程,并与前人的试验结果吻合良好。研究结果表明,在文中的算例情况下,钻柱与井壁碰撞所造的最大第一主应力达到308MPa,其结果远大于人们的估计;碰撞是造成钻柱先期失效的首要原因。该分析方法有效,可用于对钻柱动力学进行进一步的研究。采用显式非线性有限元技术可以对钻柱与井壁碰过程进行数值仿真分析,钻柱与井壁碰撞的整个时间历程得以全面细致地模拟再现。

油藏降压过程中压力分布的流固耦合数值模拟

在油藏降压开采过程中,渗透率和孔隙度等油藏参数随着油藏压力降低而发生动态变化,同时油藏参数的变化又会影响到油藏压力的分布。建立油藏降压过程中孔隙度、渗透率与油藏压力间的函数关系,并结合渗流力学和岩石力学理论,得到油藏降压过程中流固耦合的数学模型,同时利用Visual Basic计算机语言编制了相应计算软件,对胜利油区某区块降压过程进行了数值模拟计算。计算结果表明,在油藏降压过程中,流固耦合作用会减缓油藏降压速度;渗透率越小,流固耦合作用对油藏压力分布影响越明显;排液速度越大,流固耦合作用对井底流压影响越大。因此,在油藏降压开采参数设计时要充分考虑到流固耦合作用的影响。

基于专家系统的高压充填防砂方案智能设计

高压砾石充填是一种复杂的防砂施工手段,其方案从设计到实施,都存在着许多无法用结构化模型模拟的因素。高压砾石充填优化设计专家系统能够模拟施工过程中专家们解决实际问题的思维方式,收集了该专业领域建立的计算机知识和问题求解模型,并将模糊数学理论引入高压砾石充填方案设计中,用模糊集合理论来处理其中的不确定参数,使之定量化并实现近似推理。该系统可以根据工程数据库中已有的事例和知识库中的经验进行同类工程的类比分析和决策,通过比较不同的施工参数,并根据类比推理调整和修改高压砾石充填的有关参数,给出可行的施工方案,并可以对施工方案进行评价,预测防砂效果,从而消除施工隐患,提高工艺的科学性,保证施工质量。