管柱力学分析测试报告.doc

井下管柱力学分析及优化设计软件测试报 告 2007 年 12 月 井下管柱力学分析及优化设计软件测试报告 目 录 1 1 前言前言 1 1 2 2 软件介绍软件介绍 1 1 2.1 模型选择.1 2.2 核心功能介绍 1 3 3 测试内容测试内容 2 2 3.1 软件功能测试.2 3.2 软件用户界面正确性测试.2 3.3 软件计算模块测试.2 3.4 测试环境.2 3.5 测试准备.2 3.6 测试人员.2 3.7 测试步骤.3 3.8 测试实例.3 B702 井现场测试 .3 4.4. 测试结论测试结论1010 引进软件测试评价与应用安排责任书引进软件测试评价与应用安排责任书 软件名称：软件名称：井下管柱力学分析及优化设计软件 软件用途：软件用途：钻井、完井、采油、措施作业井下管柱的力学分析、设计以及校核 软件主要模块清单：软件主要模块清单： 7 个子系统：生产敏感性分析模块、管柱组合设计模块、管柱变形分析、管柱摩 阻扭矩分析、井眼轨迹图、管柱数据库。 主要功能简述：主要功能简述： 1 1）计算井眼轨迹：）计算井眼轨迹：采用了精确地自然曲线和螺旋曲线模型计算井眼轨迹： 2 2）计算不同管柱点轴向拉力、侧向力与扭矩：）计算不同管柱点轴向拉力、侧向力与扭矩：对不同工况下（正常生产、酸化压裂、正常生产、酸化压裂、 起钻、下钻、坐封、解封等起钻、下钻、坐封、解封等）的井下管柱力学特性进行分析，计算管柱点轴向拉力、 侧向力与扭矩； 3 3）计算带封隔器管柱的伸长量：）计算带封隔器管柱的伸长量：根据管柱力学理论，综合考虑虎克效应、螺旋弯曲 效应、活塞效应和温度效应的影响，根据井下管柱与封隔器之间存在的不同关系（自 由移动、有限移动、不能移动） ，计算相应的管柱的伸长量和综合应力等，从而判断 封隔器是否解封失效等。 4 4）管柱设计及校核：）管柱设计及校核：即计算不同管柱组合（直径、钢级、壁厚、长度等）受力的 （轴向拉力、侧向力）及稳定性与安全系数，从而优选出合理的管柱设计方案； 5 5）计算井口动态载荷）计算井口动态载荷，包括钩载和转盘扭矩； 6 6）计算摩擦系数）计算摩擦系数，包括套管段与裸眼段； 7 7）生成图、文、表并茂的分析报告）生成图、文、表并茂的分析报告，报告输出 Word 和 EXCEL 格式文档 应用单位：应用单位：石油工程所 测试单位：测试单位：北京雅丹石油技术开发有限公司 测试安排：测试安排： 测试时间：2007 年 11 月 14 日11 月 17 日 测试环境：P4；Windows XP 操作系统；IE6.0 测试人员：工程所：王丽荣、张传新、刘丛平、承宁、李桂霞、赵克勇、吴勇 测试结果：测试结果：该软件在 Windows XP 操作系统上运行正常。应用某油田的 xx 井的测试和 验证，计算结果与实际生产情况吻合较好。 测试评价：测试评价：该软件能够满足合同要求： 1）该软件具有较好的系统性、开放性、灵活性、兼容性和稳定性。 2）软件功能全面，计算结果准确、预测数据与生产实际具有较高的符合性。 3）软件界面清晰，数据输入、调用简单。 软件拟应用项目组岗位和应用人员：软件拟应用项目组岗位和应用人员： 工程所采油采气工艺研究岗 所有做采油采气工艺设计的人员都将应用本软件：张传新、关密生、王丽荣、李 桂霞、承宁、刘从平、王亮、石善志、易勇刚、赵克勇、吴勇 软件应用单位技术负责人意见：软件应用单位技术负责人意见： 签名： 院专业技术负责人意见：院专业技术负责人意见： 签名： 院计算机软硬件装备负责人意见：院计算机软硬件装备负责人意见： 签名： 井下管柱力学分析及优化设计软件测试报告 1 前言 近年来，随着国内外水平井、大位移井、深井的迅速发展，对钻井、采油和措施 作业工艺和装备提出了更高的要求，大位移斜井、水平井、深井中管柱的受力问题是 一个十分重要的问题，处理的好，可以减少井下复杂情况，保证成功钻井、采油和措 施作业，反之，则增加较高的事故处理成本，也难以保证钻井、采油和措施作业的顺 利进行。在这种情况下，分析管柱的各项受力，为轨迹设计和装备选用乃至施工工艺 设计提供合理的依据，是保证成功钻井、采油和措施作业的重要环节。如何才能实现 这一需要呢？针对这种情况，我们开发了这个工具软件，能精确分析、计算管柱在井 眼内的动态、静态受力状况，并对管柱的强度进行校核和设计，确保安全作业、生产。 2007 年 11 月 14 日11 月 17 日，北京雅丹公司 2 名技术人员和工程所采油采 气项目组有关专业技术人员对井下管柱力学分析及优化设计软件进行测试工作。项目 组共有专业技术人员 19 人，参加软件测试的技术人员 7 人。 测试实例为港 35-1。 2 软件介绍 井下管柱力学分析及优化设计软件是基于 Windows95/98/2000/NT/XP 平台，使用 面向对象的 Visual Basic6.0 for Windows 语言编写的程序。系统数据采用工程管理 方式，工程管理方式中工程运行过程被记录、保存，用户随时可以停止工程，而不会 担心工作成果丢失，可在停止的地方重新开始。软件输出数据可形成 WORD 文挡格式 （.DOC） ，图形可形成位图格式（.BMP） 。 核心程序经过中石油大港油田公司若干水平井提及中石化西北局超深井的测试验 证，结果表明软件稳定性好、运算速度快、设计符合率高、使用方便。 2.1 模型选择模型选择 1) 力学模型选择：刚杆模型以及软杆模型等 2）轨迹模型选择：自然曲线、空间圆弧和圆柱螺线。 2.2 核心功能介绍核心功能介绍 1）带封割器管柱安全校核模块 可以分析封隔器与油管的三种关系下，正常生产、座封、以及酸化、压裂作业时 管柱的受力状况并校核其安全性。该模块的计算结果包括封隔器在不同工况的轴向载 荷、油管底部压力、封隔器处油管外压、判断封隔器是否解封、计算中性点位置、判 断管柱是否安全。 2）摩阻扭矩与动载分析模块 该模块采用圆柱螺线法和空间圆弧曲线法精确模拟三维井眼轨道、建立井筒、管 柱、流体之间力学关系的方程组、采用精确的数值分析方法求解，可以对生产及作业 管柱进行摩阻扭矩分析和动载分析，以确定其安全性与稳定性。对于静态管柱，可以 计算出各段的轴向力与侧向力、分段分析其稳定性。对于动态的起下管柱过程，可以 计算出过程各个阶段的井口载荷与扭矩。所有计算结果均从用表格与曲线表示。 3 测试内容 3.1 软件功能测试 以某油田 xx 井管柱受力分析对软件多个方面性能进行了详细的测试和验证，具 体情况如下。 3.2 软件用户界面正确性测试 软件数据输入采取向导型界面方式，界面数据自动检查和过程处理，提示出错信 息；数据输入界面图表并茂，相关模块提供了经验公式和默认赋值形式，方便用户数 据输入。输入、运行、结果查询界面都十分友好而且条理清晰。 3.3 软件计算模块测试 对不同模型、计算速度、计算结果、结果曲线、图形等进行了详细测试。 3.4 测试环境 射孔参数优化设计软件要求的硬件、软件环境： 硬件环境：Pentium II 以上的 PC 机，内存要在 64M 以上，建议内存 128M，硬盘 至少有 800M 的自由空间，显示要设置到 800*600 的 16 位增强色或更高。 软件环境：操作系统要中文 Windows9X/2000/XP 或更高。 3.5 测试准备 1）P3/P4 及其兼容机 WIN98/WIN2000/WINXP 操作系统 IE6.0； 2）收集 65155 井的生产数据、所在区块的粘温曲线数据、周期注汽数据等； 3）有关必要的文档。 3.6 测试人员 参加软件测试的技术人员 7 人。 测试人员：王丽荣、张传新、刘丛平、承宁、李桂霞、赵克勇、吴勇 3.7 测试步骤 1）软件安装 2）收集井相关数据 3）根据整理的数据进行优化计算 4）结果输出 3.8 测试实例 该模块的测试包括港 35-1 井软件计算结果与现场实测数据对比以及张海 502 井试采管柱设计 和校核。 （1）港）港 35-1 1）油井基础数据）油井基础数据 取全所需数据后，依次完成工程信息、静态数据、流体数据、生产数据等 图 1 港 35-1 井基础数据的建立 2）模型设置及井斜数据的准备）模型设置及井斜数据的准备 图 2 力学模型设置及井斜数据 3）计算结果）计算结果 港港 35-1 井身轨迹图井身轨迹图 A 井身示意图 图 3 B 港 35-1 井水平位移与垂深关系图 图 4 载荷计算结果载荷计算结果 A 井口拉力（动态载荷）计算表 表 1 下深下深(m)拉力上限拉力上限(kN)拉力下限拉力下限(kN) 实测数据实测数据误差率误差率 1750（造斜点） 139.83141.47 1800143.56145.32 1850147.09148.99 1900150.28152.42150.350.05% 1950153.20155.47 2000155.61158.09 2050157.56160.28 2100158.88161.83 2128159.31685.5% 2150159.63162.83 2200160.16163.61 2250160.69164.39 2300160.98164.94 B 井口拉力曲线 图 5 C 摩阻扭矩快照（静态载荷） 图 6 （2）张海）张海 502 井井 井身轨迹图井身轨迹图 A 井身三维视图 图 7 张海 502 井身三维视图 B 井身水平投影图 图 8 张海 502 井身水平投影图 C 井身垂直投影图 图 9 张海 502 井身垂直投影图 张海张海 502502 井油管动、静态受力分析井油管动、静态受力分析 图 10 73.03mm （5.51mm）油管在张海 502 井中动态载荷与下深关系曲线 图 11 73.03mm （5.51mm）油管在张海 502 井中静力学参数沿井筒分布曲线 图 11 88.9mm （6.45mm）油管在张海 502 井中动态载荷与下深关系曲线 图 13 88.9mm （6.45mm）油管在张海 502 井中静力学参数沿井筒分布曲线 张海张海 502502 油管最大下深计算油管最大下深计算 单级油管最大下深单级油管最大下深 表 2 接头安全系数取 1.8 时单级油管最大下深计算表 钢级接头 油管 外径 （mm ） 壁厚 （mm） 许用载 荷 （KN） 许用应 力 （MPa） 本体抗拉 强度 （MPa） 接头抗 拉强度 （KN） 本体安 全系数 最大下 深 （m） N80 平式 88.90 6.45 392.78 235.10 689.00 707.00 2.93 2258.00 N80 外厚 88.90 6.45 512.11 306.52 689.00 921.80 2.25 5387 N80 平式 73.03 5.51 261.00 223.31 689.00 469.80 3.09 580.00 N80 外厚 73.03 5.51 358.39 306.64 689.00 645.10 2.25 2855.00 P110 平式 88.90 6.45 540.94 323.78 931.00 973.70 2.88 5387 P110 外厚 88.90 6.45 704.33 421.58 931.00 1267.80 2.21 5387 P110 外厚 73.03 5.51 492.78 421.62 931.00 887.00 2.21 5387 组合油管最大下深组合油管最大下深 表 3 接头安全系数取 1.8 时组合油管最大下深计算表 油管组成 序号 钢级接头 外径 （mm） 壁厚 （mm ） 最大载荷 （kN） 最大应力 （mPa） 本体 安全 系数 接头安全 系数 组合最 大下深 （m） N80 外厚 88.96.45方案 1N80 平式88.96.45 512.11 306.52 2.25 1.80 5387 方案N80 外厚 88.96.45477.20 285.63 2.41 1.93 5387 2 N80 平式 73.035.51 N80 平式 88.96.45方案 3N80 平式73.035.51 392.78 235.10 2.93 1.80 2751 N80 外厚 73.035.51方案 4N80 平式73.035.51 358.39 306.63 2.25 1.80 2855 N80 外厚 88.96.45方案 5N80 外厚73.035.51 440.95 263.93 2.61 2.09 5387 试采管柱强度校核（下深试采管柱强度校核（下深 31203120 米）米） 表 4 试采管柱校核 钢级接 头 油管 外径 （mm ） 壁厚 （mm ） 许用载 荷 （KN） 许用应 力 （MPa ） 实际最 大载荷 （KN） 实际最 大应力 （MPa ） 本体 安全 系数 接头安 全系数 下深 （m） P110 外 厚 88.90 6.45 704.33 421.58 442 264.53.52 2.873120 表 5 下入 3120 米管柱井口拉力对照表 下深下深(m)拉力拉力(kN) 下深下深(m)拉力拉力(kN) 下深下深(m)拉力拉力(kN) 500274.191400342.792300395.17 550279.821450345.742350398.12 600285.221500348.732400401.06 650290.41550351.722450404 700295.31600354.722500406.95 750299.851650357.742550409.88 800304.071700360.742600412.77 850307.941750363.732650415.62 900311.491800366.632700418.47 950314.791850369.512750421.37 1000318.151900372.362800424.35 1050321.431950375.192850427.33 1100324.562000378.062900430.3 1150327.682050380.892950433.22 1200330.752100383.713000436.17 1250333.792150386.533050439.12 1300336.852200389.363100442.08 1350339.842250392.25 图 14 下入 3120 米管柱井口拉力曲线 设计下深为设计下深为 33043304 米时的试采管柱强度校核米时的试采管柱强度校核 表 6 下深 3304 米电泵油管设计方案列表 序号接头类型 最大载 荷(kN) 最大应 力(mPa) 本体抗 拉强度 (mPa) 接头抗拉强 度(kN) 本体安 全系数 接头安 全系数 安 全 与 否 方案 1N80 平式 454.90 272.28 689.00 707.00 2.53 1.55 方案 2N80 外厚 454.90 272.28 689.00 921.80 2.53 2.03 方案 3P110 平式 454.90 272.28 931.00 973.70 3.42 2.14 方案 4P110 外厚 454.90 272.28 931.00 1267.80 3.42 2.79 注：红色为推荐最佳方案；下同。 表 7 下深 3304 米电泵管柱井口拉力对照表 下深下深(m)拉力拉力(kN) 下深下深(m)拉力拉力(kN) 下深下深(m)拉力拉力(kN) 500274.191450345.742400401.06 550279.821500348.732450404 600285.221550351.722500406.95 650290.41600354.722550409.88 700295.31650357.742600412.77 750299.851700360.742650415.62 800304.071750363.732700418.47 850307.941800366.632750421.37 900311.491850369.512800424.35 950314.791900372.362850427.33 1000318.151950375.192900430.3 1050321.432000378.062950433.22 1100324.562050380.893000436.17 1150327.682100383.713050439.12 1200330.752150386.533100442.08 1250333.792200389.363150445.06 1300336.852250392.253200448.04 1350339.842300395.173250451.02 1400342.792350398.123300453.99 图 15 下深 3304 米电泵管柱井口拉力曲线 下深下深 46504650 米增产作业管柱设计米增产作业管柱设计 A 单级油管 表 8 下深 4650 米增产作业单级管柱设计方案列表 序 号 钢级接头 油管外 径 （mm） 壁厚 （mm） 最大载 荷(kN) 最大应 力 (mPa) 本体抗拉 强度 （MPa） 接头抗 拉强度 （KN） 本体 安全 系数 接头 安全 系数 安 全 与 否 方 案 1 N80 外厚 88.96.45504.66 302.06 689921.82.251.83 方 案 2 P110 平式 88.96.45504.66 302.06 931973.72.881.93 方 案 3 P110 外厚 88.96.45504.66 302.06 9311267.82.212.51 图 16 下深 4650 米增产作业单级管柱拉力曲线 B 组合油管 表 9 下深 4650 米增产作业组合管柱设计方案列表 油管组成 序号 钢级 接头 外径 （mm） 壁厚 （mm） 段长 （m） 最大 载荷 （kN） 最大 应力 （mPa） 本体安 全系数 接头安 全系数 组合 下深 （m） N80 外厚 88.96.452382 方案 1 N80 平式 88.96.452258 512.11306.522.251.84650 N80 外厚 88.96.454070 方案 2 N80 平式 73.035.51580 477.2285.632.411.934650 N80 外厚 88.96.451795 方案 3 N80 外厚 73.035.512855 440.95263.932.612.094650 表 10 下深 4650 米增产作业组合管柱拉力对照表（方案 3） 下深下深(m)拉力拉力(kN) 下深下深(m)拉力拉力(kN) 下深下深(m)拉力拉力(kN) 500255.691900322.63300394.63 550259.591950324.513350398.52 600263.322000326.433400402.36 650266.92050328.333450406.16 700270.282100330.223500409.91 750273.422150332.113550413.57 800276.312200334.013600416.94 850278.972250335.953650420.05 900281.392300337.913700422.77 950283.