高温高压天然气开采用钛合金油管柱力学分析

我国油气开发环境较为恶劣,油井管在井下面临高温高压、硫化氢、二氧化碳、高浓度盐水/完井液、单质硫和强酸等腐蚀环境的作用。钛合金材料以其高强度低密度、低弹性模量、优异的韧性、疲劳性能和耐蚀性,成为油井管和海洋开发工具的热门材料,但其在高温高压气井开采过程中的受力状态和安全可靠性研究尚不足。为此,以我国西部某油田典型高温、高压、高产量气井开采工况为典型参考环境,设计了3种油管柱结构方案,使用有限元模拟方法,计算分析3种方案下的管柱力学情况。分析结果表明,使用钛合金油管可使气井生产中的油管柱载荷减小、安全系数增大,部分时刻管柱内无中和点;使井筒与套管之间轻度接触甚至不接触,可以有效改善生产过程中管柱的振动状态。研究结果为钛合金油管柱在气井中的使用提供了理论依据。

利用“管柱力学计算”和“数据分析模型”评价水平井套管下入技术

长半径水平井管柱力学载荷计算模型通常使用软杆模型与修正的软杆模型相结合的方法,计算管柱摩阻扭矩,借助数据分析模型,结合下套管“悬重对摩阻系数敏感性模型图版”,分析预测下套管摩阻系数,进而评价下套管难易程度,指导井眼降阻技术优化以及下套管方式的优选。通过两种方法预测下套管摩阻系数:(1)在通井摩阻系数的基础上附加一个系数值;(2)通过分析影响下套管摩阻系数的主控因子,分别求解出正钻井的不同主控因子对邻井下套管摩阻系数的正负影响值(摩阻系数增减值),再求解出正钻井的下套管摩阻系数(预测的下套管摩阻系数),取二者的平均值作为正钻井下套管摩阻系数的最终预测值。实践应用表明,该值与实际反演的下套管摩阻系数最大误差仅为±0.03,预测准确度高,效果显著。

地层测试管柱力学分析

地层测试是油气田勘探和开发的重要过程。在地层测试过程中,测试管柱在多种载荷作用下,形成复杂的应力和应变,有时会引起管柱的屈服破坏、断脱破坏或发生永久性的螺旋屈曲,造成较大的经济损失。根据地层测试作业过程,考虑井眼轨道、测试管柱的组成、井内流体的性能、管柱内外压强、管柱与井壁的摩擦系数、地温梯度、空气温度、油管温度、测试阀的类型、封隔器的类型、封隔器的活塞效应、管柱螺旋失稳效应等参数,建立了测试管柱在整个作业阶段的力学分析数学模型,并用差分法求解,给出沿整个管柱的拉力、扭矩、应力、安全系数、稳定性、伸长等参数。用Visual Basic2008编制了计算软件,并进行了现场应用。

井下作业管柱力学分析软件及应用

井下作业技术作为石油和天然气勘探开发的重要工程技术和手段,近年来取得了显著的进步,做出了重要贡献。随着钻井技术的不断发展,井眼越来越复杂,对井下作业提出了更高的要求,以前单凭经验来进行操作的井下作业已经不适时宜了,经常造成各种井下管柱事故。井下作业管柱受力分析软件在设计过程中用于预测某些潜在危险,尽量避免作业事故发生,使得设计更为合理、切实可行;在作业过程中用以分析某些事故原因,以便针对性地来处理问题,节约事故处理时间,降低作业费用,提高作业效率。该软件可以对起下管柱过程、压裂过程和打捞过程等的管柱力学状态进行计算,并对油管的长度进行初步优化。该软件无论是对作业前的室内设计还是现场作业过程中的作业管柱受力分析都有一定的指导意义,在大港、长庆等油田得到了初步应用。

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。

异常高压特高产气井井下管柱力学分析

对异常高压、特高产气井完井及生产过程中的管柱受力进行分析,是确保气井长期安全生产的重要课题之一。现有的管柱力学计算方法基本是建立在Lubinski模型的基础上,只能分析、计算封隔器坐封好后由于温度、压力的改变而产生的温度效应、活塞效应、鼓胀效应和螺旋弯曲效应,而对于封隔器坐封前后管柱受力的变化、浮力的转移、生产过程中气体的粘滞力则没有现成的计算模型。文章通过将管柱受力分解为管柱入井、假定工况不变且无位移情况下的封隔器坐封以及工况改变且有位移时的封隔器坐封三步,在逐步推理的过程中分析了克拉2气田3口异常高压、特高产气井在完井过程中的管柱受力问题,对封隔器坐封前后浮力的转移、坐封过程管柱受力的变化进行了分析计算。并且采用新方法对生产过程中气体的粘滞力进行计算,最终给出了针对异常高压、特高产气井完井及生产的安全建议。

一体化管柱力学行为及螺纹密封性能研究

气井压裂投产一体化管柱在各工艺过程中将承受交变载荷作用,管柱的强度及密封性能会受到很大影响,需对其典型螺纹接头在各工况下的强度和密封性能进行校核。建立了某一体化管柱的变截面摩擦接触有限元模型,对其不同工况下的力学行为开展了有限元分析,获得了螺纹接头的载荷边界。对螺纹接头在管柱生产和压裂等工况下的密封性能进行了有限元分析,结果表明该螺纹接头抗弯曲能力及承内外压能力较好,但抗拉性能较差,不宜在深井中使用。

管柱力学分析在深井酸压施工中的应用

酸压管柱是酸压作业顺利实施的重要保障。在深井酸压过程中,管串长,摩阻大,泵压高,温差大,压力高,施工时间长,管柱受力情况恶劣,变形严重,如在管柱结构设计时未充分考虑因此因素,可能会造成封隔器密封失效,导致酸压失败。本文通过对两口酸压井管柱的力学分析及强度校核,对酸压管柱结构提出优化方案,对酸压管柱的安全施工提供了可靠依据。

水平深井分段改造-试油-完井一体化管柱力学分析

水平井是一种高效的勘探、开发技术,与垂直井相比,水平深井钻井投资大,因此,水平深井多采用改造-试油-完井一体化完井管柱,且根据储层特点,多采用多封隔器、分段改造,再多段合采。本文举例介绍了塔里木油田水平深井改造-试油-完井一体化管柱力学分析的思路、步骤,分析的结果及其对管柱组合、施工参数控制的指导意义。

深水钻井管柱力学与设计控制技术研究新进展

深水钻井作业主要包括导管喷射安装、表层套管井段钻井、水下防喷器组和深水钻井隔水管安装及后续钻井等4个主要作业环节,涉及导管、钻井隔水管、送入管柱等3类管柱系统。与陆地及浅水近海钻井不同,由于深水钻井工况的独特性,管柱在作业过程中产生复杂的力学行为,严重影响深水钻井的安全高效作业。因此,开展深水钻井管柱力学与设计控制技术研究,对于推动深水钻井科技进步具有重要意义。深水导管喷射安装技术是适应深水钻井的特殊要求而发展起来的一种浅层作业技术,也是深水钻井作业程序的第一步。作业过程涉及导管和送入管柱2类管柱系统,主要目的在于建立安全稳定的水下井口,为后续的钻井作业奠定基础。例如送入管柱的力学行为分析与优化设计研究、水下井口的管土相互作用与导管承载能力研究等,对实现水下井口安全稳定的目标具有重要意义。本文从工程应用与技术研发2个方面,对涉及其中的送入管柱强度设计与校核、导管喷射安装工艺和导管承载能力等3个方面的研究进展进行了综述与展望。认为深水导管喷射安装的未来研究将侧重于极限工况下导管的入泥深度与承载力计算、喷射钻进参数优化、导管喷射安装风险评估与可靠性预测,以及深水导管喷射安装模拟实验等内容。深水钻井隔水管是连接浮式钻井平台与水下井口的重要设备,可提供钻井液循环通道、支持辅助管线、引导钻具、下放与回收防喷器组等。深水钻井隔水管在整个钻井作业过程中涉及安装、正常钻进、回收与紧急撤离等作业过程。由于波流联合作用力的动态效应,深水钻井隔水管在服役期间会产生轴向拉伸、横向弯曲、耦合振动等一系列复杂力学行为,给深水钻井安全作业带来巨大挑战。因此,对深水钻井隔水管力学行为进行研究,确保其安全可靠性,是深水钻井研究的关键问题之一。本文着眼于深水钻井隔水管的顶张力控制、纵横弯曲变形、横向振动特性、纵向振动特性、耦合振动特性及涡激振动特性等主要力学问题,从载荷计算、控制方程、边界条件及求解方法等方面入手,总结了深水钻井隔水管系统在力学与设计控制技术方面取得的新进展,对目前研究中仍然存在的问题进行了剖析和探讨。研究认为在以后的工作中,应在深水钻井隔水管安装作业窗口分析预测、隔水管涡激振动响应与抑制、隔水管疲劳寿命计算与评估,以及隔水管力学行为模拟实验等方面加强研究。在深水井筒整个寿命期间,最大限度地使井筒中地层流体处于有效控制的安全运行状态,防止浅层气和浅水流入侵,提高固井质量,避免水下套管柱变形甚至挤毁等,对于提高深水油气井筒的完整性具有重要的实际意义。本文以深水井筒的温度分布规律、套管环空压力变化及套管应力分布等研究为主,对深水井筒完整性预测和预防研究进行了综述,主要内容包括地层非稳态传热、套管环空循环温度分布、密闭环空内流体升温膨胀引起的附加载荷和预防措施、多层套管柱环空压力计算、套管—水泥环—地层系统热力耦合响应等。分析认为充分考虑深水钻井特殊工艺与环境约束条件、建立适用于深水井身结构与套管柱优化设计方法、开展深水井筒完整性风险评估与设计控制技术研发将是未来关注的重点。开展深水钻井管柱力学模拟实验研究,获取相关的有效数据,对于提高深水管柱力学与设计控制研究水平具有必要性。本文建立了"深水管柱力学模拟实验系统",并对其结构组成、操作方法、技术参数及主要功能等进行了详细说明,介绍了深水钻井隔水管力学行为模拟实验与疲劳寿命测试方面取得的新进展。本文对深水导管喷射安装技术、深水钻井隔水管系统力学与设计控制技术以及深水井筒完整性预测和预防研究等方面的新进展进行了综述和展望,对指导今后的深水钻井管柱力学与设计控制技术研究具有参考价值。

水平井滑套分段压裂管柱力学分析及校核

水平井滑套分段压裂过程中油管柱处于高温高压的环境当中,很可能造成管柱严重的弯曲变形、本体拉断、鼓胀等事故,有必要对水平井滑套分段压裂过程中的油管柱受力进行分析与校核。综合考虑压裂液注入引起管柱温度发生变化、压裂液流动压力损失、管柱重力、流体浮力等,建立三维管柱轴侧向力耦合模型,计算油管在施工过程中的轴向力沿井深的分布,计算油管内压力随井深分布,利用第四强度理论对油管进行抗拉、抗内压校核,使之满足施工过程中的强度要求,并且给出了算例。

分层注水管柱力学分析研究及应用

本文通过调研当前油气田开发分层注水管柱工艺现状,对目前分层注水工艺的管柱类型和存在的问题进行分析,针对目前注水井管柱存在的屈曲、断裂、封隔器失效等众多安全问题,建立了三维注水井管柱轴侧向力耦合分析模型。研制出分层注水井管柱受力分析软件,用以分析注水管柱的受力和变形,进行强度校核,能够对管柱状态进行准确、及时判断,来指导施工油管柱的设计和分层注水工作参数的合理选择,避免管柱失效事故的发生,并给出了实例。

油气井杆管柱力学在微米/纳米系统中的应用前景

油气井作业中的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;油气井杆管柱力学已经初步形成系统,并在石油工程上得到了越来越广泛的应用。随着碳纳米管材料和微机械在现代应用科学领域的异军突起,在该领域中也遇到了类似的杆管柱强度和作业问题。本文基于对油气井杆管柱力学的认识和理解,从跨学科应用的角度出发,探索油气井杆管柱力学在微机械和碳纳米管领域的应用前景。

常规有杆泵直井管柱力学分析

本文主要针对常规有杆泵在管柱的下入,座封,以及正常生产过程中油管的受力进行了分析,综合考虑管柱重力、流体液压力、温度效应、螺旋屈曲效应以及封隔器对管柱的作用力,利用力的积分方法求解了管柱在不同的过程下的轴向受力及变形,从而对封隔器的下入位置提供理论指导,并且给出了算例。

石油工程专业管柱力学本科教学改革探索

石油管柱力学是石油工程非常重要的基础学科。针对石油管柱力学本科教学过程中存在的教材适用性不强、学生课堂积极性不高和考核难以起到评教效果的问题,分析其原因,以"温故、启示、巩固"为教学准则,综合考虑该学科的特殊性以及与其他专业学科的相关性,对教学内容、教学形式和考核方法提出了一系列改革措施并进行实践探索,取得了良好效果。

膨胀管补贴作业中的管柱力学分析

膨胀管技术已经应用于完井作业,分支井定位以及套损井修复等领域。膨胀管施工过程中对施工管柱强度和密封性有着较高的要求,并且管柱在承受高内压的同时还要具备一定的抗拉能力,以便处理施工过程中的一些意外状况。在膨胀管施工中需要对膨胀管的悬挂位置进行精确定位,管柱受自重伸长量可以通过校核管柱长度测出,但施工过程中管柱在高压情况下受力伸长量也是不可忽视的。

油气井管柱力学与控制实验室方案设计分析

针对当前高校油气井专业油气井管柱力学与控制实验室建设现状,明确了油气井管柱力学与控制实验室建设内容,并根据经费情况和场地要求,分别设计了总体、经济、模拟三种油气井管柱力学与控制实验室建设方案,对比分析三种方案各自的优缺点,为高校油气井专业油气井管柱力学与控制实验室最终建设方案的制定奠定基础。

水平井管柱力学研究现状分析和发展趋势

水平井管柱力学是水平井技术应用的理论基础和施工依据。通过深入分析水平井管柱在井下的受力与变形情况,能够准确判断管柱的强度、刚度和稳定性,合理的设计管柱组合及完井方案。本文通过对大量国内外现有文献的分析讨论,总结了目前国内外关于水平井管柱力学方面的研究成果,归纳了研究水平井管柱力学的几种常用方法,以及影响水平井管柱屈曲的几个主要影响因素,并对水平井管柱力学研究的未来发展趋势进行了探讨。

复杂结构井管柱力学模型及动态三维数字井筒

复杂结构井,尤其是煤层气多分支水平井的分支井眼多、井眼轨道局部弯曲段多的特点使得井内管柱作业时所受摩阻、扭矩较大,造成作业困难甚至复杂事故。将二维刚性模型、二维整体模型及三维刚性模型3种刚杆模型进行程序化,并基于能量平衡原理,结合软绳模型及狗腿平面的管柱刚性,推导出刚度力模型,从计算效率及精度上通过对比确定刚度力模型为推荐最优计算模型。基于但不局限于杆管模型,细化并实现动态数字化井筒技术:利用三次样条插值函数及最小二乘法数据拟合进行井眼实际测井数据平滑处理,建立复杂结构井的三维"数学井筒";采用量化色度分级方法,将管柱摩阻、偏磨、井壁破碎及井壁坍塌风险等指标进行等级划分,建立带有指标分级云图的"物理井筒";结合工程需求,考虑井下工具组合及VR处理技术,实现可直接为工程服务的"工程井筒"。"三步"数字井筒技术路线为数字井筒的全面实现提出了可行性方案,所开发的复杂结构井三维数字井筒动态可视化软件平台可为复杂结构井工程提供极大的便利。

管柱力学分析和油管漏磁检测的综合运用及存在问题分析

YGJ-1油管现场无损检测装置是针对用加压、人工查看等常规油管检查方法的缺陷而开发生产的智能产品,该装置能对油管表面及内部的裂纹、孔洞、腐蚀坑及沟槽等缺陷进行计算机无损检测,它既可用于室内油管的检测,又可在油管起下作业的同时进行现场检测,并对检测结果进行自动存储和打印,为旧油管的分级使用或报废提供科学依据。经结合油管腐蚀、磨损老化等相关原理,统计分析现场漏磁油管检测情况,结合管柱力学分析软件运用,对检测效果和经济效益进行了评价,阐述了管柱力学分析和漏磁油管检测在油田作业的必要性和存在问题。