毕业设计（论文）开题报告-深斜井分层注水洗井过程管柱力学分析.doc

深斜井分层注水洗井过程管柱力学分析 本科毕业设计（论文）题目深斜井分层注水洗井过程管柱力学分析学生姓名学号教学院系专业年级指导教师职称单位辅导教师职 称单位完成日期年月日深斜井分层注水洗井过程管柱力学分析目录1.油田分层注水工艺技术概述12.选题目的及意义22.1选题目的22.2选题意义23.国内外研究现状33.1封隔器国内外研究现状33.2 注水管柱力学国外研究现状43.3国外研究现状53.3.1分层注水工艺技术国内研究现状53.3.2管柱力学国内研究现状54.主要研究内容65.拟定研究方法及思路66.论文预期效果77.进度安排7参考文献801.油田分层注水工艺技术概述随着社会的发展以及人类对能源的需求不断增长，使得人类对油田的开采力度不断增加。在油田不断被开发的过程中，油层自身的能量不断降低，甚至有的会停喷停产，造成地下残留大量原油采不出来。为了能够避免由于原油开采所造成的地下亏空，保持或者提高油层压力，达到油田的高产稳产，实现较高的采收率，必须对油田进行注水以实现以上目标。注水工艺是应用相应的设备把符合要求的水冲注水井注入油层，从而保持油层的压力，将地层中的原油驱赶至油井，是一种人为地以水作为驱替剂将难以开采的原油驱赶至油井的采油技术，它可以很好的提高油田开发的速度和经济效益，所以目前注水技术已经成为很多油田进行油田开放的主要方式。我国绝大部分油田都是多油层油田，都是非均质多油层砂岩油藏，各个油层在层间和平面内的性质差异很大。通过分不同的开发层系，每口井仍然有几个或者几十个小层开采，各层之间的渗透率差异较大，而这种差异对油田注水开发的效果有很大的影响。在注水过程中从油田开始注水到注入油田的总水量被称为油田的累积注水量。一般为了维持油藏的总体驱动力，达到注入量与采出量的平衡，则累积注入与采出的液体量应该接近，而在正常开采过程中，当累计注入水量与累计产出量近似相等时，油藏地层压力应保持在原始地层压力附近 ，但是在油藏内部的某些部位则可以形成局部高压带。注水采油开发过程可以分为两种：1)人类注水开发的过程中，在某种情况下可能发生油气泄漏的事故。在油田注水开采时允许出现局部高压带，如果这种局部高压带与断层相通，而这种断层与地表也相通，且地层压力足以突破断层对流体的封堵能力，那么就将导致地下原油泄漏，发生漏油事故，不过这种情况很少见。2)人工注水采油是人为地应用相应的设备把符合要求的水冲注水井注入油层，从而保持油层的压力，将地层中的原油驱赶至油井的一种技术。而在石油开采的初期，则是依靠地层自身的能量开采原油，称其为一次开采；人工注水开采称为二次开采。注水开采可以提高油田的开发效率及经济效益，已经成为众多油田的首选开采方式。人工注水开采技术根据开采的时机不同可以分为：早期注水与晚期注水。早期注水是在油田开采初期就进行注水保持注采平衡；晚期注水则是先利用地层自身的能量进行开采，开采的后期才注水开采。根据注水方式的不同又可以分为：1)边缘注水：将注水井布在油田边缘含水区内或油水过渡区或含油边界以内不远的地方；2)切割注水：是利用注水井排将油藏切割成若干区块，每个区块作为一个独立的开发单元进行注水开发；3）面积注水：将注水井和油井按一定几何形状和密度均匀布置在整个开发区上进行注水和采油的系统；4)点状注水：通常应用于一些地质条件复杂或小断块油田，视油砂体分布状况、断层的位置及构造形态布井，注水井与生产井之间没有规则的排列关系。2.选题目的及意义2.1选题目的随着油田的开采地层压力逐渐降低采收率也越来越低，注水开发技术逐渐发展起来。注水开发实现了油田长期稳定高产的采油作业，但在注水开发的过程中，井下管柱经常发生注水管柱断脱、破裂和永久性螺旋状弯曲以及封隔器脱封、漏封和滑脱等井下作业事故。特别是在深井、大斜度井、水平井中，其面临的极端工作环境更为恶劣，注水开发过程管柱的力学行为更为复杂，配注、停注和洗井等工况下温度和压力变化将对管柱受力和变形产生影响。2.2选题意义研究深斜井分层注水洗井管柱在井眼中的所受载荷、变形量等力学特性及其工作的可靠性，可为分层注水工艺管柱组合的合理配置及生产作业参数的合理选择提供科学的依据。对于提高作业质量、保证井下作业安全顺利进行，避免或减少井下作业事故、提高作业成功率，降低生产作业成本、提高劳动生产率等方面都有着非常重要的实际意义。井下压力和温度变化，会引起分层注水管柱受力和变形，越来越多的经验表明，搞清楚压力与温度引起的力学效应理论，是选好、用好封隔器的前提；尤其在井越打越深的情况下，更有必要精确的计算作用在封隔器管柱上愈加增大的压力、温度变化所引起的各种效应，以便提高封隔器系统使用的可靠性，达到作业目的和设计要求。因此，研究注水管柱在井筒中的可靠性、受力和变形状态不仅对油井生产具有重要的实际意义和应用价值，而且具有一定的理论意义和学术价值，这是一个理论研究和实际应用相结合的研究课题。3.国内外研究现状3.1封隔器国内外研究现状石油工业的兴起和发展，伴随着封隔器管柱的问世和演变。世界上最早使用的封隔器，是美国的“种子袋”封隔器，由早期的油田经营者拉大纳(Ruffners)兄弟等人开始应用。1861 年，经木质的表层导管下入的早期油管柱（因为当时的油井未下套管），就带有这种封隔器。1865 年，世界上第一次采用小尺寸( 3英寸)的套管，其底端所接的也是这种封隔器。早期的封隔器，结构简单，用途单一，性能低下。1868 年，英国布赖(Bryson)发明了裸眼封隔器。1880 年，美国斯图尔特(Stewart)发明了一种开有油、套压连通孔的单胶筒封隔器，其胶筒是在锥形体的楔入作用下膨胀的。随后，美国封隔器管柱的研究工作又加快了步伐。前苏联封隔器管柱的研究工作起步也比较早。上世纪三十年代初，阿塞拜疆油田首先开始采用正反扣螺栓式封隔器。1936 年，阿塞拜疆矿机研究所研制了结构比较完善的尾管式封隔器，但其下入深度只有300650 米。为了合理地开发多油层非均质油田，避免层间干扰和确保各层有效生产，上世纪三十年代末，美国和前苏联相继开始了分层开采工艺研究和其它分层工艺技术(如分层注水、分层测试、分层进行增产措施)的试验。1942 年，世界第一次双层完井使用了美国贝克工具公司制造的封隔器管柱；1951 年，用于多管完井作业用的双管封隔器管柱问世了。近几十年来，随着钻、完井工艺不断向高压、高温和复杂的深部地层方面发展，对封隔器管柱提出了更高的要求，因而促使封隔器研制工作趋向专业化，研制的产品日益丰富。据统计，早在上世纪六十年代，美国研发的封隔器品种已达300 种。近几十年来，则大大超过此数，并涌现出不少结构改进，性能提高的新型封隔器管柱。目前，美国封隔器一般可耐温 100220 ，耐压 1770MPa；而欧洲一些国家的封隔器一般可下至 3000 多米，耐压 50MPa，耐温 20250 。据报道，目前国外研发出最深可下至6000 米，耐压达70 MPa 的封隔器。应当指出的是，由于人类对石油后备储量勘探的需要，不得不在越来越恶劣的环境 极端高温、极端高压、极端复杂的条件下进行钻井和完井。为了适应这种需要，用作苛刻条件下的密封材料相继问世，因而突破了封隔器只限于外密封的旧观念，开拓了封隔器实现内密封的新途径。封隔器管柱今后一定会朝着高性能、多用途、适应性强和更多地采用内密封结构的方向发展。3.2 注水管柱力学国外研究现状由于早期注水等井下作业过程中，经常发生注水管柱断脱、破裂和永久性螺旋状弯曲、封隔器滑脱、漏封等井下作业事故。上世纪 60 年代，A.Lubinski、W.S.Althouse、J.L.Logan等人率先对带封隔器的管柱进行了研究。这篇文章讨论了压力效应与温度效应所引起的注水管柱轴向位移以及轴向载荷的计算问题，提出了注水管柱内外流体压力对注水管柱弯曲的等效作用力 虚力的概念，并利用能量法导出了注水管柱发生螺旋弯曲后螺距与所承受的等效轴向压缩力之间的关系以及螺旋弯曲所引起的注水管柱轴向位移的计算公式。上世纪 70 年代后期到80 年代初期，D.J.Hammerlindl在A.Lubinski 螺旋弯曲理论的基础上，进一步讨论了带封隔器多级组合管柱的受力和位移的计算问题；讨论了作用于管柱上的液压力的作用效应和“中性点”的计算问题；研究了多级封隔器管柱及其中间封隔器的受力计算问题。W.C.Goins对如何防止注水管柱的屈曲问题进行了理论研究。T.Seldenrath、A.W.Wright对抽油井中油管的屈曲问题也进行了推导。Jr.Suman、E.F.Klementich等人对油井生产期间套管的屈曲状态进行了测试。19821986 年间，R.F.Michell等人提出了封隔器对注水管柱屈曲行为的影响和考虑摩擦时垂直井眼中管柱螺旋弯曲分析的简单模型。1988年，R.F.Michell 等人进一步研究，提出了三维弹性梁理论，推导出了描述管柱在斜直井眼中失稳弯曲变形的高阶线性微分方程和正压力分布方程。同年，Y.W.Kwon利用有限元方法对垂直井眼中管柱的螺旋屈曲问题进行了数值分析。1995 年，R.F.Michell 对垂直井中通过发生螺旋状屈曲管柱的直杆的拉力计算进行了论证。1996 年，H.Hishida等人利用有限元分析方法对管柱的正弦和螺旋弯曲问题进行了数值分析。3.3国外研究现状3.3.1分层注水工艺技术国内研究现状国内分层注水工艺使用非常广泛，在各大油田都有应用。具有代表性的有渤海油田的“一投三分”注水工艺，中原油田的一分两段和两分三段注水工艺，胜利油田的海上分层注水防砂工艺，此外冀东油田、河南油田、大港油田等单位也对分层注水工艺进行过试验性研究。3.3.2管柱力学国内研究现状同国外相比，我国在注水管柱力学研究方面起步较晚，上世纪80年代初一些学者开始从事这方面的研究。曾宪平、张宁生、孙爱军等结合A.Lubinski、D.J.Hammerlindl 等人提出模型对注水管柱的受力及变形做了系统的研究。1988 年，龚伟安用弹性力学方法分析了液压作用下管柱的弯曲问题，他提出了液压作用下管柱弯曲的“虚构力”是真实存在的力这一理论，并对液压作用下管柱的“失稳条件”、“虚构力”、“中和点”及“零应力”做了进一步阐述。1993 年，冯建华依据A.Lubinski 等人提出的管柱受力理论，建立了双封隔器复合管柱受力分析的数学模型，并结合油田实际情况，介绍了封隔器受力及其承载压差的计算方法。1996 年，高建华等人根据管柱在垂直井眼中的高阶非线性微分方程，对管柱在垂直井眼中的正弦和螺旋弯曲效应进行了分析，不仅求出了其临界载荷，而且给出了螺旋弯曲状态下，微分方程的高阶渐进解，分析了A.Lubinski 等人计算模型的结果精度。1997 年，高宝奎、高德利对水平井段管柱的螺旋屈曲进行了数值分析。1998 年，高德利等人对受横向约束的无重管柱在压扭组合作用下的弯曲问题以及水平井眼中受压扭作用的长管柱的螺旋弯曲问题进行了研究，并利用参数摄动分析方法研究了管柱弯曲的解析解。4.主要研究内容（1）收集国内外分层注水工艺及分层注水管柱的研究资料，阐述分层注水工艺及管柱力学分析方面的研究现状；（2）注水井洗井过程中温度和压力变化对管柱受力情况的影响；（3）建立力学模型进行理论分析；（4）研究管柱的受力情况，得出管柱的受力和变形；（5）应用ABAQUS进行有限元仿真对比分析，得出管柱的安全性评价。收 集 资 料5.拟定研究方法及思路熟悉文献并进行理论构思进行管柱力学理论分析学习ABAQUS软件，练习初步建模建立有限元模型进行仿真分析撰写论文准备答辩6. 论文预期效果（1）设计书一份；（2）开题报告一份；（3）外文翻译一份；（4）日志以及其它要求按西南石油大学本科毕业设计要求进行；通过本次设计，理解温度和压力对管柱的影响，熟练操作ABAQUS的建模，对相应的结果进行比较分析。通过资料搜集和分析，得出注水管柱的安全性评价。锻炼学生积极思考、分析问题、解决问题的能力。7. 进度安排序号设计(论文)各阶段内容起止时间1资料搜集，完成开题报告4.14.152熟悉相关文献，开始理论构思，完成外文翻译4.154.213进行管柱力学理论分析4.155.154学习ABAQUS软件，练习初步建模5.155.255 结合相关数据建立有限元模型进行仿真分析5.266.076撰写论文，准备答辩6.086.21参考文献1罗国强，祝宁，高爱华.浅谈油田注水工艺技术J.科技向导.2012.（02).308.2吕瑞典.油气开采井下作业及工具