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。

支撑式跨隔测试管柱力学分析及其应用

与传统的单封隔器管柱相比,支撑式跨隔测试管柱受力状况更加复杂,测试风险加大,常常失利。为了解支撑式跨隔测试失败的原因,为管柱组合及施工参数选择提供依据,根据支撑式跨隔测试的特点和传统管柱力学研究的不足,用微元体分析法和能量法对有限长跨隔段、支撑段管柱的屈曲行为重新进行分析,求得了有限长管柱的屈曲临界载荷和屈曲构型。分析表明,有限长管柱有3种屈曲构型:1个半波弯曲、2个半波弯曲和螺旋弯曲。据此,可以计算有限长管柱的附加弯矩及附加弯曲应力,校核其强度安全性;可以合理组合管柱、合理确定测试压差。当井径一定时,可以作出跨距—测试压差安全施工界限图。该研究指导了塔中和轮南地区若干口井的跨隔测试,测试成功且没有发生管柱、工具损坏事故。

井下管柱力学与控制方法若干研究进展

关于井下管柱力学的研究迄今已有七十多年的历程,取得了许多重要的研究成果,并主要在油气井工程中获应用实效.然而,由于井眼约束和作业工况的复杂性,目前仍未能够全面而准确地揭示井下管柱在狭长井眼内的复杂力学行为,导致相关工程设计控制方法难以解决好实际遇到的许多复杂问题.本文回顾了井下管柱力学的整体发展脉络,重点讨论井下管柱的静力学变形控制方程,然后针对井下管柱力学中的几个重要科学问题,包括井下管柱屈曲、井下管柱摩阻磨损、井下管柱安全作业极限和底部钻具组合力学特性及其相应的设计控制方法等,分别简要介绍了相关研究进展、最新研究成果及存在的一些问题等,并在一定程度上进行了总结与展望,以期为井下管柱力学与控制方法的创新发展并促进油气井工程技术进步提供有益参考.

边界条件对无重管柱螺旋屈曲的影响分析

针对无重管柱(忽略管柱重力的影响)螺旋屈曲问题,从虚功原理出发,将管柱边界条件分成2大类。指出前人的研究大多集中于第一类边界条件,而忽略了第二类边界条件。提出塞子模型模拟管柱的端部约束条件,并推导出管柱变形的广义势能泛函。利用最小势能原理,得到了第一类和第二类边界条件下的管柱完全螺旋屈曲段的变形方程,分析了边界条件对螺旋屈曲解的个数和稳定性、管柱与井壁接触力的影响规律。对于端部约束导致的过渡段,通过求解屈曲微分方程得出过渡段长度相对于长管柱整体而言是局部的。最后讨论了长管柱整体变形(完全螺旋屈曲段变形和过渡段变形)与边界条件之间的对应关系。边界条件是导致屈曲问题复杂化的一个重要因素,本文研究结果为深入认识边界条件的影响提供参考。

喷射安装导管作业中喷射管串力学分析

深水钻井喷射安装导管作业中喷射管串的结构特殊,受力复杂。作业过程中喷射管串系统的内、外层管柱处在不同的受力系统中,正确分析喷射管串系统在作业过程中的轴向力是分析管柱整体变形和应力的基础。分析发现:底部钻具组合的轴向力主要受马达、钻头压降产生的水力推力、射流反作用力及钻头钻压的影响,导管上的轴向力受地层和入泥导管之间的摩擦力影响,二者通过导管送入工具相互传递。计算了作业过程中喷射管串各部分的轴向力分布,并讨论了导管柱上的中性点随导管安装深度的变化规律,对喷射安装导管设计和作业具有实际意义。

试油井下管柱载荷测试器的研制及应用

为了验证试油井下管柱力学理论分析的准确性,创新研制了试油井下管柱载荷测试器。测试器由井下测试短节和地面参数预置、回放、处理系统两大部分组成。井下测试短节主要由内筒(应变筒)和外筒组成,与管柱连接在一起下井。根据材料力学和弹性力学理论,通过粘贴于内筒的轴向、环向、45°角应变片测出的应变信号可以导出轴向力、内压、扭矩等管柱载荷数值。应变信号经放大、A/D转化后存储于存储器中。试油结束,管柱与仪器出井后,回放、处理即可得到井下管柱载荷。制作的6只井下管柱载荷测试短节,下井进行了20井次现场测试,结果表明理论研究的计算结果与实测值的相对误差小于10%。

悬挂管柱正弦向螺旋屈曲转变时的临界载荷研究

悬挂管柱正弦向螺旋屈曲转变时的屈曲构型发生跳跃性变化,管柱与井筒存在接触和脱离等非线性力学问题。基于慢动力法,将悬挂管柱静力屈曲问题转换成动力学问题,建立了悬挂管柱上端受拉、下端受压的后屈曲分析有限元模型。研究表明,通过虚拟较大的阻尼比,能够有效地抑制管柱振动,可以计算出稳定的正弦屈曲和螺旋屈曲构型。当无量纲长度取8时,正弦向螺旋屈曲转变的无量纲临界载荷为4. 11,螺旋屈曲构型中存在两个接触点,两接触点之间的螺旋角为77.9°,下接触点距井底的无量纲长度为1.30。摒弃了管柱屈曲挠曲线假设,得出了悬挂管柱螺旋屈曲的最小临界载荷,对扶正器安放位置设计具有实际意义。

油气井射孔段管柱动态响应及应力强度分析

应用ANSYS有限元分析软件建立了射孔冲击载荷作用下油气井射孔段管柱有限元分析模型,并进行了动态响应及应力强度分析,得到了管柱振动位移、速度、加速度及等效应力对射孔冲击载荷的响应规律,考察了射孔段管柱长度、壁厚对管柱强度安全性的影响。算例分析结果表明:在射孔冲击载荷作用下,射孔段管柱受压缩载荷和拉伸载荷交替循环作用;全段管柱的振动位移、速度和加速度虽然幅值不同,但都随时间作周期性变化,且周期相同;离射孔爆轰源越近,管柱振动速度和振动加速度幅值越大;离封隔器越近,管柱振动位移幅值越小,但管柱的等效工作应力反而越大;射孔段管柱越长或壁厚越厚,管柱强度安全性越高,因此在射孔枪与封隔器间设置一定长度的减震油管,或采用厚壁油管可以提高射孔段管柱的强度安全性。

大位移井卡点预测实验

根据管柱扭转变形的特性,设计了8种水垂比情况下的大位移井管柱卡点预测实验,并对每种水平比下的管柱进行了3次扭转实验。对实验数据进行处理,用回归分析方法确定实际卡点位置与理论卡点位置的比值与水垂比间的函数关系,并建立基于剪切胡克定律的大位移井卡点预测计算式。结果表明:水垂比对大位移井管柱的加载特性有较大影响,它综合反映了管柱接头、管柱与井壁和套管的摩擦效应;未经修正的卡点计算公式平均相对误差达到24.67%,修正后的卡点预测公式的平均相对误差小于4.0%。建议应对大位移井摩阻扭矩进行分段计算。

铸钢节点的工程应用与研究

随着空间结构的发展,铸造工艺的提高,铸钢节点在我国得到了日益广泛的应用。本文介绍了铸钢节点的应用概况,研 究了该类型节点的特性、分类以及铸造工艺、并对铸钢节点的设计提出几点注意事项,同时还介绍了铸铜节点的试验概 况。

封隔器管柱屈曲变形及约束载荷分析

目前的封隔器管柱屈曲分析没有考虑靠近封隔器段非螺旋屈曲段管柱,没有给出非螺旋屈曲段管柱的变形表达式和封隔器对管柱的约束载荷。鉴于此,取管柱微元体进行受力分析,根据平衡条件和小挠度梁屈曲理论,得到了紧靠封隔器段平面屈曲管柱及螺旋屈曲管柱的屈曲变形微分方程;根据屈曲变形微分方程,利用边界条件得到了紧靠封隔器的平面屈曲管柱的挠度,推导出了封隔器对管柱的约束力和约束弯矩,可供管柱强度校核及封隔器胶筒设计参考。

深水导管喷射安装过程中管柱力学分析

根据深水导管喷射安装作业特点,建立了该过程中的管柱静力学模型,并应用加权残值法进行了求解,得出了在考虑环境载荷、钻柱结构及钻井船偏移等因素影响下的管柱变形和应力分布规律。研究结果表明,中深层海流对管柱变形影响最大,合理设计钻柱结构和控制钻井船偏移是保证深水导管垂直安装和钻柱抗拉强度安全的关键。深水管柱的弯曲正应力在钻柱的上下两端作用明显,进行钻柱强度设计时,必须考虑管柱横向变形引起的弯曲正应力,提出了相适应的钻柱结构优化方案。作业初期,钻井船向海流负方向适当偏移,有利于控制导管的入泥倾角;遇阻活动管串时,钻井船向海流正方向适当偏移,能够有效地降低钻柱危险截面上的最大拉应力。

钻柱力学与套管磨损预测若干研究进展

随着油气勘探开发活动向着深层、深水及非常规等复杂领域的不断扩展,钻井面临的井况与约束条件更加苛刻,钻柱的力学行为更加复杂,失效问题频发。针对钻柱屈曲、钻柱动态特性及套管磨损等复杂钻井力学问题,综合分析了国内外的研究进展、不足之处及未来发展趋势,介绍了笔者团队的一些相关研究成果。目前,钻柱屈曲研究基本上还停留在静力学范畴,今后有必要加强动力屈曲问题的研究;钻柱动力学的研究重点逐渐转移到多重耦合非线性振动问题,需要探讨更加高效的求解算法;现场实测的套管磨损形状非常复杂,需要建立更加准确的套管磨损预测模型。通过综合阐述这些研究进展,以期为复杂钻完井工程优化设计与安全高效作业控制提供有益参考。

屈曲对封隔器管柱轴力传递的影响

在井口释放悬重压缩封隔器胶筒的过程中,井下管柱会发生屈曲。屈曲管柱与井壁之间存在轴向摩擦力。摩擦力越大,井口释放的悬重传递到封隔器上的有效载荷越小,严重时,将影响封隔器胶筒的张开与密封。本文将管柱作为井眼约束下的空间压杆,建立了管柱失稳变形微分方程,分析了管柱弯曲失稳的临界载荷、弯曲管柱与井壁的接触反力与轴向摩擦力,编制了实用计算程序,考察了摩擦系数、管柱尺寸、井眼尺寸对轴力传递效率的影响。

非线性对大跨度张弦空间管桁结构荷载效应的影响

以某展览馆屋盖工程为例建立有限元模型,利用ANSYS有限元软件及其APDL参数化语言建模计算分析,并在张弦管桁结构各个部位选择部分节点的位移和杆件的轴力,分析非线性对大跨度张弦管桁结构荷载效应的影响。研究表明:90m跨单榀张弦空间管桁结构在静态荷载(主要是指恒载、活载)的作用下,是否考虑非线性,对节点位移和轴力的影响总体较小,对轴力影响相对较大的是撑杆。就整体结构而言,材料非线性的影响较小。

定向井造斜段管柱屈曲分析

定向井造斜段井眼轨迹呈下凹状态,位于其中的管柱在重力与井眼的约束下必然存在初始下凹弯曲。这就使造斜段管柱的屈曲性质和井眼轨迹为直线时管柱的屈曲性质有很大的不同。为此,运用最小势能原理推导出造斜段管柱屈曲载荷计算公式,并研究了井斜角、造斜段井眼曲率半径对管柱屈曲载荷的影响。算例分析结果表明,随井斜角的增大与井眼曲率半径的减小,管柱屈曲临界载荷增加,即管柱的纵向稳定性提高。

储气库注采管柱螺纹失效动态风险评估

为解决储气库注采管柱螺纹失效问题,识别注采管柱螺纹失效致因与后果,基于蝴蝶结和贝叶斯网络方法构建注采管柱螺纹动态失效风险分析模型,采用模糊集理论计算模型变量先验概率,并评估注采管柱失效后果概率,从而推断注采管柱螺纹失效关键致因因素;引入先兆数据,评估注采管柱螺纹动态失效风险态势。结果表明:气体中携带固体颗粒、上螺纹速度过快、注采温度高、地层断裂等13个因素对螺纹失效风险影响较大;螺纹失效概率逐渐增大,螺纹失效后果也越来越严重,需要监控螺纹失效关键致因以降低螺纹失效的风险。

有限元模拟仿真在特殊螺纹接头设计开发中的应用

特殊螺纹接头在油气开采中起着连接并密封管柱的作用,在开发过程中需要经过严格的测试。而有限元方法的应用可以减少这些环节,提高效率。通过有限元分析方法研究特殊螺纹接头的结构完整性及密封完整性,分析了宝钢BGT2特殊螺纹接头在100%压缩载荷以及循环载荷作用下的接头性能,以及同规格产品在小接箍尺寸下的接头性能。分析结果表明宝钢BGT2产品满足100%压缩载荷要求,同时在循环载荷下具有稳定的气密封能力;同规格小接箍产品与常规产品相比较密封性能未有下降。

圆心轴伸缩器在完井测试中的应用

川渝地区探井普遍较深,完井测试时常使用带有APR工具的井下管柱进行酸化—测试联作工艺,联作中酸化阶段往往是在测试工具下深较深、酸量较大的工况下进行。常温的酸液通过井下管串长时间、大排量注入到地层的过程中,给管柱产生的温降效应明显。生产实践表明,管柱温降可以使管柱收缩产生应力,尤其对封隔器等关键工具不利,对整个管柱的井下安全、完井测试的施工质量产生不利影响。通过计算分析,在管柱中适当的位置加入圆心轴伸缩器,可以有效补偿温降引起的管柱伸缩,消除应力,保护管柱,确保施工作业的顺利进行。

开关井对气井井下管柱及气藏安全性的影响分析

气井开井、关井作业时井口温度、压力随之变化,引起井下管柱变形与受力变化,引起地层压力变化和介质重新分布,进而影响井下管柱、封隔器与气藏的安全性。本文以陕北气田地质情况及常用管柱结构为例,利用管柱力学理论分析了开关井对井下管柱安全性、封隔器密封性能的影响,分析了开关井对气藏的影响。分析表明:就陕北气田储层情况、井身结构情况而言,开关一次井对井下管柱安全性、封隔器密封性能影响不大,也不会造成封隔器的蠕动;开关井会对气藏造成影响,气藏的性质不同,开关井对气藏造成的影响也不同,影响的方式与大小取决于孔隙度、渗透率、孔喉连通情况、孔隙结构特征、地层中岩石的矿物成分、气藏的驱动方式,以及是否存在底水、边水、酸性气体。