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压裂管柱有限元分析及应用

岳欠杯  
【摘要】: 压裂作业是改进油气层渗透率、提高油气井产量的有效途径之一,压裂管柱设计和施工参数优选的主要依据是压裂管柱受力变形分析。本文针对深井笼统压裂和分次压裂管柱、水平井双卡压裂管柱的结构,选取整体压裂管柱为研究对象,考虑了水力锚、封隔器、滑套喷砂器在下井、坐封、压裂工况下的受力状态和位移边界,建立了压裂管柱非线性力学分析模型。采用间隙元模拟压裂管柱与套管内壁接触摩擦状态,推导出轴向摩阻力与位移协调条件,统一描述水力锚、封隔器、滑套喷砂器在不同工况下的受力和变形状态,建立了压裂管柱双重非线性有限单元法。采用delphi语言开发了“压裂管柱受力变形分析”软件,可计算管柱在不同排量、压力、卡距等条件下管柱的变形、内力和应力,以及水力锚、封隔器、滑套喷砂器的受力状态和轴向位移。通过实例计算可得出,在深井3800m笼统压裂管柱中,当压裂压力由60MPa增加到80MPa时,水力摩阻由9.81MPa/1000m变为15.87MPa/1000m,井口轴力由826.85kN变为1046.85kN,水力锚锚定力由129.28kN增加至336.31kN,最大等效应力由507.68MPa变为655.33MPa。在水平井2087m双卡压裂管柱中,当压裂压力为50MPa时,上封隔器的轴向位移相对于坐封工况向下窜动的最大距离为0.19mm,在卡距为10m、20m、30m时,下封隔器的轴向位移分别为11.17mm、23.78mm、36.46mm。在深井3800m分次压裂管柱中,当管柱上提0.2m时,在一次压裂作业中,滑套喷砂器由于坐封压力相对于下井位置向上滑动了2.89mm,在压裂工况中相对于坐封位置向上滑动了1.21mm;在二次压裂作业中,滑套喷砂器由于坐封压力相对于下井位置向下滑动了171.39mm,在压裂工况中相对于坐封位置向下滑动了4.64mm;管柱提升距离只要大于176mm时,滑套喷砂器与固定封隔器在两种压裂作业下均没有发生接触,为了保证固定封隔器在压裂作业中安全工作,推荐下井时将管柱上提0.2m距离。经现场试验井表明,根据计算出的轴向位移能准确控制压裂位置,设计出的压裂管柱能满足工艺要求和强度条件,验证了理论方法的正确性和软件的实用性。 为了进一步描述压裂液温度和压力对管柱受力状态的影响,选取管内流动的压裂液、管柱外环空静止井液和压裂管柱为研究对象,建立了温度场、流场和应力场耦合分析的多物理场模型,计算得到1000m压裂管柱在井底处内壁温度36.99℃、外壁温度50.55℃,压裂液轴向压降0.83MPa,为压裂管柱力学分析中准确描述压裂液温度、压力作用提供了理论依据。


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