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南堡油田大位移井注水管柱力学分析

耿海涛  
【摘要】:注水管柱是实现分层注水的重要部分,是联系地面和地层的重要通道,良好的管柱结构和工具组合能为分层注水施工带来良好的效果,保证施工的安全性、可靠性与有效性。而在作业过程中,注水管柱通常会受到管柱自身重、流体粘滞阻力、管柱内外流体压力、温度效应、井壁与管柱间的支反力和摩擦力、井内液体浮力等多种载荷的综合影响,不同工况条件下的摩阻、载荷、应力及变形,直接影响到管柱及井下工具的安全性和可靠性。因此一直以来,注水管柱在井下的力学行为特征都是工程界和学术界的重要研究课题。而在冀东南堡滩海油田的大位移井中,由于井身结构的复杂性,管柱在井下的受力状况更加复杂,因此不同工况条件下的受力条件和力学行为特征也更加复杂,从而导致作业过程中安全性和可靠性问题更为突出。鉴于此,亟需在管柱力学的基础上,针对冀东南堡油田大位移井分注管柱管柱的工艺、管柱结构及井身结构特点,开展大位移井分层注水管柱管柱力学研究,分析分注管柱在不同工况条件下的的稳定性、摩阻、受力和变形等力学行为特征,并借助计算机仿真技术,编制相应的仿真计算软件,从而为现场提供一套全面有效的大位移井分层注水管柱力学行为管柱分析工具,指导现场管柱结构、工具组合、施工参数等方面的优化设计。将石油工程、油气井工程、力学、数学和计算机等多学科相结合,在考虑各种井况及井身结构的前题下,针对不同井段的井眼曲率特征对管柱受力影响的差异,建立了注水管柱力学理论模型;首次采用超静定求解方法,建立了多封隔器工况下的注水管柱和井下工具受力计算模型;研制了注水管柱受力测试仪器,用现场实测数据对理论模型进行了验证:采用管柱力学模型分析了大位移井注水管柱各种工况下工况下的受力特征,分析了井斜角、方位角等因素对注水管柱受力的影响,得到了一些新的认识;并开发了大位移井分注管柱力学分析软件;为南堡滩海油田分注作业管柱设计优化提供理论指导和有效工具。(1)在全面考虑实测井眼轨迹、摩擦力、粘滞摩阻、管柱自重、浮力、内外压力等因素对大位移井分层注水管柱受力的综合影响基础上,针对不同井段的井眼曲率特征对管柱受力影响的差异,建立了大位移井注水管柱的三维“刚杆”和“软绳”力学分析模型;根据大位移井分注管柱的受力特点,详细分析了管柱在井筒内的各种效应,建立了大位移井分注管柱变形计算模型,该模型更能体现大位移井内注水管柱的受力特征。(2)对现有的大位移井分层注水井下工具受力模型进行了改进,将超静定求解方法引入,建立了综合考虑温度、压力、重力、摩阻等因素影响下的井下工具受力计算模型。研制了注水管柱受力测试仪器,用现场实测数据验证了模型的有效性。该模型考虑了井下工具之间的相互作用,可实现对封隔器、锚定器等井下工具的受力计算。(3)在大位移井分层注水管柱力学理论模型以及工具受力计算模型的基础上,开发了大位移井分注管柱系统仿真软件,能够实现井筒温度场、压力场、不同工况(上提下入、注水、座封、洗井等)下管柱受力、管柱变形、强度校核等功能,能够为管柱结构设计、强度校核、上提下放可行分析、施工参数优化等提供理论依据。


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