（机械电子工程专业论文）大斜度高产气井完井管柱完整性分析与控制技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 大斜度高产气井完井管柱完整性分析与控制技术研究 机械电子工程 刘剑辉( 签名) 窦益华( 签名) 摘要 大斜度高产气井完井管柱采用气密封特殊螺纹接头密封和永久式投球打压封隔器坐 封，密封性是管柱研究重点问题，这就需要对管柱完整性进行分析。管柱的完整性主要 包括两部分：基础是保证管柱不发生破坏，具有足够强度，保证安全性；其次是保证管 柱不泄露，保证密封性。具体内容如下： 首先，考虑管柱自重、内外流体压力等因素，分析大斜度高产气井完井管柱屈曲行 为，给出管柱在垂直、斜直、弯曲及水平井眼中的屈曲方程及临界载荷。在此基础上， 分析管柱载荷、应力及轴向变形，为井下管柱的合理设计提供依据。 然后，分析大斜度高产气井封隔器胶筒受力情况，推导出不同阶段胶筒与井壁的接 触力公式，建立卡瓦与套管相互作用力学模型，分析套管应力。分析大斜度高产气井完 井管柱振动的原因，将管柱作为一个系统，考虑接头影响分析管柱横向振动，并提出减 振措施。 接着，运用a n s y s 有限元软件，分析油管螺纹接头在不同轴向载荷下的受力情况， 给出螺纹接头应力、位移、接触压力分布图；以此为基础，分析油管螺纹接头密封性。 在大庆某井应用管柱载荷测试器，得到作业过程中井下管柱的载荷、压力、温度等 数据，并与理论计算结果进行对比，两者误差较小。结果说明大斜度高产气井完井管柱 理论分析在现场实际中具有实用性。 最后，基于上述大斜度高产气井完井管柱的完整性分析，分析具体井例，提出相应 的控制措施保障管柱完整性。 关键词：大斜度高产气井；完井管柱；完整性；保障措旌 论文类型：应用研究 i i 英文摘要 一 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： i n t e g r i t ya n a l y s i so fc o m p l e t i o nt u b i n gs t r i n g si nh i g ha n g l ea n dh i g h p r o d u c t i o ng a sw e l l sa n dt e c h n o l o g yt oc o n t r o lr e s e a r c h m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g l i uj i a n h u i ( s i g n a t u r e ) 厶吐。】l 釜如i d o uy i h u a ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t t h ep r e m i u mt h r e a d e dc o n n e c t i o nw i t hg a ss e a l sa n dp e r m a n e n t _ t y p ep a c k e ra r eu s e df o r c o m p l e t i o nt u b i n gs t r i n g si nh i g ha n g l ea n d h i g hp r o d u c t i o n ( h a h p ) g a sw e l l t h ei n t e g r i t yo f t h ec o m p l e t i o nt u b i n gs t r i n gc o n s i s t so ft w op a r t s ：t h eb a s i so fe n s u r i n gt u b i n gn o tb e d e s t r o y e da n da d e q u a t es t r e n g t hs ot h a te n s u r i n gt h es a f e t yo ft u b i n g ；t h eo t h e rp r o b l e m i st h e s e a l i n go fs t r i n g st h a tg u a r a n t e et h et u b i n gd o e sn o tl e a k s p e c i f i c r e s e a r c h e si n c l u d e st h e f o l l o w i n gs e c t i o n s ： f i r s t l y , c o n s i d e r i n go ft h es i t u a t i o nt h a tt h et u b i n gw e i g h t ，i n t e r n a lp r e s s u r e ，e x t e r n a l p r e s s u r e f r i c t i o na n dt h ep i s t o nf o r c e s ，b a s e do nc l a s s i c a lm e c h a n i c ss t r i n g st h e o r y , t oa n a l y s e t h eb u c k l i n go fh i g h l yd e v i a t e dw e l lc o m p l e t i o nt u b i n gs t r i n g s ，g i v e nt h eb u c k l i n ge q u a t i o na n d t h ec r i t i c a lb u c k l i n gl o a do ft h et u b i n gi nv e r t i c a l ，s l a n t ，c u r v e da n dh o r i z o n t a l w e l l b o r e h o l e o nt h i sb a s i s ，c h e c k i n gt ot h et u b i n ga x i a ld e f o r m a t i o n , l o a da n ds t r e s sc a l c u l a t i o n m e t h o do ft h ef o r m e r ，p r o v i d et h eb a s i sf o rp i p es t r i n g sd e s i g na n dar e a s o n a b l ec h o i c eo f p r o d u c t i o np a r a m e t e r s s e c o n d l y ，a n a l y s et h ep a c k e rr u b b e rt u b ed e f o r m a t i o ns t r e s si nt h r e es t a g e so ft h eh i g h a n g l eh i g h y i e l dg a sw e l lc o m p l e t i o nt u b i n gs t r i n g s d e r i v e dp l a s t i ct u b ew i t h w a l l f a c ec o n t a c t f o r c ef o m l u l aa td i f f e r e n ts t a g e s ，a c c o r d i n gt ot h em o d e lo ft h ep a c k e rb i t ei n t ot h ec a s i n g ，t 1 1 e c a s i n gs 仃e s sh a sa l s ob e e nd i s c u s s e d a c u t ev i b r a t i o no fd o w n h o l es t r i n g sw i l lm a d ep a c k e r s e a l e dt u b ep r o l a p s ec a v i t y , o rd a m a g et ot h ec a s i n g ，p a c k e r t e s tv a l v e sa n dw e l l h e a d e q u i p m e n t ，e t c t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l eo n t h eb a s i so fs t r i n g sv i b r a t i o n , u n l i k ep r e v i o u ss t u d i e s ， i n s t e a d ，p u tt h ee n t i r et u b i n gs t i n ga sas y s t e m ，a n a l y s et h el a t e r a lv i b r a t i o no ft u b i n gu n d e r m u l t i p o i n tc o n t a c tc i r c u m s t a n c e s ，a n d t h r e ev i b r a t i o nr e d u c t i o nm e a s u r e sh a sb e e np r o p o s e d u s i i l gt h ea n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，c o n s i d e ra b o u tt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n sw h i c h a p p l i e dd i f f e r e n tl o a d s ，t oa n a l y s ep i p et h r e a dj o i n t s f o r c e ，g i v e nt h es t r e s s ，d i s p l a c e m e n ta n d c o n t a c tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no ft h es p e c i a lt h r e a d e dj o i n t t h e n ，c o m b i n et h et h e o r yo ft u b i n gm e c h a n i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，u s i n gt h e u n d e r g r o u n dl o a dt e s t e rt ot e s ti nt h ed a q i n go i lw e l l s ，o b t a i n e d t h eu n d e r g r o u n dt u b i n gs t r i n g s l o a d p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ec u l v ei nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，a n dc o m p a r e dw i t ht h et h e o r e t i c a l 1 h 英文摘要 r e s u l t s ，c a l c u l a t e da n dm e a s u r e dv a l u e s m a x i m u mr e l a t i v ee r r o ri sl e s s t h er e s u l ti si m p o r t a n t t og u i d eo i lf i e l do p e r a t i o n s f i n a l l y , u s i n gs p e c i f i ce x a m p l e st oa n a l y s et h ec o m p l e t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h e h a h pg a sw e l it u b i n g ，g i v e st h er e l a t e dr e c o m m e n d a t i o n st oe n s u r et u b i n gi n t e g r i t y k e y w o r d s ：h a h pg a sw e l l ；c o m p l e t i o nt u b i n gs t r i n g ；i n t e g r i t y ；m a n a g e t h e s e ss t y l e ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h i v 主要符号表 主要符号表 管柱横截面积，m 2 ； 管柱外径，m ； 管柱内径，m ； 管柱材料的弹性模量，m p a ； 管柱横截面惯性矩，m 4 ； 管柱与井壁接触力，n ； 管柱离开其平衡位置的偏转角；。； 井斜角，。； 管材泊松比； 弯曲井眼的方位角，。； 井眼和管柱之间的视半径，m ； 管柱轴向任意一点的径向应力，m p a ； 管柱轴向任意一点的环向应力，m p a 。 v j 彳d d e ，秒 口 万 q 吒 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 童j 鱼：j 查芏 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：到蝉 导师签名： 日期：3 0 0 彭肛 姓：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 随着石油工业开发技术工作的深入，尤其是我国西部石油开发步伐的加快，大斜度 井( h i g ha n g l ew e l l ) 得到广泛应用。大斜度井分为两种情况，一种是人为有意开发大斜度 井；另一种是被迫采用大斜度井，比如当井打到一定深度时由于钻具掉入井中或者岩性 的变化，无法继续打下去，必须采用大斜度井开采。在大斜度井中，由于摩擦力较大， 给封隔器坐封和井下开关工具的动作造成不利影响；井眼弯曲和失稳弯曲产生的附加弯 曲也降低了井眼的安全系数；特别是在内压、外压和轴向力的作用下，管柱的强度降低， 容易导致管柱的破裂、挤扁和永久性变形。膨胀效应、温度效应、螺旋弯曲效应以及轴 力作用产生的轴向位移都有可能造成封隔器解封。大斜度井完井油管柱的受力环境比垂 直井的完井管柱受力环境复杂得多，主要是在造斜段和水平段，油管柱在造斜段以下， 将经受一些附加轴向力的作用，如：由井眼曲率半径引起的轴向附加力、油管柱自重在 井眼轨迹法向分力所产生的摩擦力等。因此，要合理地对大斜度井油管柱进行强度设计， 则必须建立正确的大斜度井完井管柱的力学模型。 大斜度高产气完井管柱井采用气密封特殊扣油管螺纹，采用永久式投球打压坐封封 隔器；管柱在井下受力非常复杂，通常承受管柱自重、内外流体压力、管内流体流动时 的粘滞摩阻、管柱弯曲后与井壁之间的支反力、库仑摩擦力等。在开井时，大斜度高产 气井温度升高，引起井下管柱轴向变形，变形会产生管柱轴向压力，因此需要进行井下 管柱的屈曲分析；在长期高速气流作用下，完井管柱由于内外流体压力变化以及井下管 柱截面变化造成流体压力冲击、旋涡现象，从而引起管柱振动，剧烈的振动会使封隔器 失封，损坏井下工具等，故管柱振动、封隔器密封性需要进行分析。大斜度高产气井完 井管柱的完整性包括两部分：一是保证管柱不破坏，具有足够强度；另外一点是保证管 柱不泄露，即密封性要好。只有保证管柱的完整性，才能保证井下管柱长期、安全的生 产。 为此，本文以井下管柱为研究对象，用理论和实验相结合的方法研究大斜度高产气 井完井管柱的完整性。分析完井管柱屈曲行为、管柱载荷、强度和轴向变形；分析完井 管柱封隔器受力情况；分析管柱横向振动；分析管柱完整性控制技术等，以此保证大斜 度高产气井完井管柱的完整性，避免测试、酸化、压裂过程中的管柱断裂、封隔器失效 等作业事故。因此，大斜度高产气井完井管柱完整性研究具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 完井管柱力学研究现状 早在上世纪5 0 年代，井下管柱的力学分析就已经受到国内外学者的普遍关注，特别 西安石油大学硕士学位论文 是井下管柱的屈曲分析，国内外许多学者利用不同的方法，如：能量法、解析法、数值 法、实验法；针对不同井眼，如：垂直井眼、斜直井眼、水平井眼、弯卣井眼；考虑多 种影响因素，如：管柱自重、内外压、钻压及摩擦力等；对这一问题进行了深入、广泛 的理论和应用研究，并且取得很多重要研究成果。 6 0 年代，l u b i n s h 【】最早研究了螺旋弯曲的封隔器管柱，分析了管柱在流体内压、 外压的情况下的屈曲行为，l u b i n s k i 在假定管柱内外压力梯度不变，不考虑摩擦阻力影 响的条件下，用近似的能量法推导出轴力与螺距的关系；并在这个基础上，研究管柱的 四种基本效应( 活塞效应、温度效应、膨胀效应及螺旋弯曲效应) 。由l u b i n s k i 提出的 “虚构力”和“螺旋弯曲 是区别一般管柱力学的重要概念，他的研究结果奠定了封隔 器管柱力学研究的基础。 随后的3 0 多年中，国内外不少学者在l u b i n s k i 理论研究成果的基础上，又做了进 一步分析和研究，如：8 0 年代初，h a m m e r l m d l 5 卅讨论了带封隔器多级组合管柱的受力、 位移和应力的计算问题；讨论了液体压力对管柱屈曲性能的影响和“中性点 的计算问 题，进一步扩大了l u b i n s k i 理论的适用条件和应用范围。m i t c h e l l 7 - s 研究了井斜对管柱 螺旋弯曲的影响，给出了管柱从直线状态到平面( 正弦) 弯曲状态，以及从平面正弦弯曲 状态到螺旋弯曲状态过渡的临界点。m i s k a l 9 在假设管柱螺旋屈曲构型的基础上，分析了 在轴向载荷和扭矩同时作用下，不计管柱自重时的管柱螺旋屈曲行为，并且用能量法得 出螺距与载荷之间的关系。s a l i e s 1o 】等人对井下油管柱的屈曲行为进行了试验研究。 近年来，随着国内外学者对大斜度井、定向井、深井的管柱受力及变形问题的大量 研究，建立了对应的力学模型并且提出了许多求解方法，使得管柱力学分析逐渐趋于成 熟。 1 9 9 8 年，梁政，邓雄 1 l 】详细分析了各工况下管柱载荷变化规律，给出了管柱变形及 强度计算的近似公式；以此确定出管柱极限工作参数，指出高温、高压深井测试管柱力 学分析中尚待深入研究的问题和方法。特别指出在流动测试工况下高速气流对管柱的摩 擦力、冲击力等对测试管柱变形及强度的影响，以及高速气流与测试管柱的动态耦联振 动分析是高温高压深井测试管柱分析的特殊问题。2 0 0 0 年，高德利、刘凤梧【1 2 】给出描 述弯曲井眼中管柱屈曲及后屈曲行为的解析结果，通过求解由平衡法得到的管柱屈曲平 衡方程，导出管柱的正弦屈曲的构型和螺旋屈曲构型的解析解： 0 ( 5 ) = 西+ a o 马s i n ( c r 考：) + q 0 2 马s i i l ( 2 蝣) ( 1 - 1 ) 一尺广一 t 其中弘j 8 m + 云所2 + l ；q 一万而万1 研 = 一日画1 可2 a 4 两h l - 虿3 m a 葡3 h l + 1 解析结果与相应的数值结果有良好的一致性。在此基拙上，确定了管柱的初始屈曲 临界载荷、保持正弦屈曲构型的最大载荷和螺旋屈曲临界载荷。由此，进一步得到了管 2 第一章绪论 柱在后屈曲进程中载荷与变形受力的关系。2 0 0 0 年，高国华、张福祥等【1 3 j 对描述垂直井 中螺旋弯曲管柱轴力分布和变形行为的力学方程求解，得到了这组非线性方程在对称性 条件下的渐近螺线解；分析摩擦系数对整个管柱上的轴力分布、“中性点位置”、“自锁点 位置以及“自锁力”等的影响；并且导出“中性点 、“自锁点 以及“自锁力 的计算 公式；绘制出对应不同摩擦系数的轴力分布曲线以及“中性点 、“自锁点”随端部轴压 变化的曲线。2 0 0 2 年，李子丰等【1 4 】介绍了油气井杆管柱的组成及研究油气井杆管柱力学 的重要意义。阐述油气井管柱的运动状态、动力学基本方程、油气井杆管柱稳态拉力和 扭矩、下部钻具三维力学分析、钻柱振动、杆管柱的稳定性、有杆泵抽油系统参数诊断 和优选等方面的研究意义、研究应用现状和发展方向。2 0 0 3 年，王宇、高国华1 1 5 j 将已有 的三维井眼中管柱正弦屈曲和螺旋屈曲行为分析模型软件为基础，根据物理相似原理， 设计了井眼中管柱屈曲变形的小尺寸模拟实验装置，通过改变管柱变形微分方程中包含 的无因次轴力、无因交摩擦及数兀和无因次轴力分布系数儿的值，利用该装置对管柱 在水平井中的临界载荷、载荷传递效率、变形效应等进行模拟实验，试验结果表明：钻 压传递、位移与载荷的实验结果与理论计算值之间的最大差值不超过1 0 ，临界屈曲载 荷的理论值与实验值之差不超过6 。本文的结果可为修正理论模型提供指导，使理论 模型能更好地指导现场的气井管柱施工作业。2 0 0 5 年，边文风，郭景哲【1 6 】为计算管柱变 形，并确定管柱上任意点在井筒中的精确位置，通过能量原理、正弦曲线弧长与弦长的 关系及其椭圆积分等基本知识，建立了管柱蛇曲( 即：正弦屈曲) 时考虑自重、压力、摩 擦力及摩阻共同作用下的变形计算方法得出了管柱的蛇曲幅度与管柱沿井筒轴线方向 的位移之间的关系；并给出了求解问题的具体计算方法、步骤和注意事项。依此可以更 精确地确定出管柱在井筒中的精确位置。2 0 0 5 年，魏大农、周志宏【1 7 】把管柱在垂直井眼 中的屈曲方程可以归结为一个非线性方程，在m i t c h e l l 的研究基础上，分析和计算该方 程解的性状、管柱与井壁的接触力曲线，以及管柱的缩短情况。分析表明，与传统l u b i n s k i 解相比，在精确解中管柱的轴线是由左旋和右旋相互交替的曲线；管柱和井眼的接触力 在左右旋交界点最大；管柱每段螺旋长度越长，轴向载荷下变形越大。2 0 0 6 年，练章华 等【1 8 】根据水平井井眼轨迹数据以及管柱上封隔器位置，建立了水平井完井管柱受力的力 学模型，同时推导出了水平井完井管柱的有效轴向力的数学模型。2 0 0 7 年，窦益华、朱 炳坤等【1 9 】利用能量法对定向井的降斜段中存在上凸初弯曲管柱的屈曲问题进行了研究， 推导出其屈曲载荷的计算公式。研究表明在定向井的降斜井段，井身的上凸弯曲会造成 管柱屈曲载荷的下降，弯曲的程度越大，管柱屈曲载荷下降的幅度越大。2 0 0 7 年，窦益 华、董蓬勃1 2 0 取管柱微元体进行受力分析，在之前封隔器管柱屈曲分析没有考虑靠近封 隔器段非螺旋屈曲段管柱，没有给出非螺旋屈曲段管柱的变形表达式和封隔器对管柱的 约束载荷基础上，根据平衡条件和小挠度梁屈曲理论，导出紧靠封隔器段平面屈曲管柱 及螺旋屈曲管柱的屈曲变形微分方程如下： 3 西安石油大学硕士学位论文 日粤+ 魄一dx l 一：o d z , “。d z , 1 “ 口可d a y l d z + 纽一r = o , d z , t r y ) m 日鲁d z 2 + r 鲁椭访伽 e l d 血4 x 。2 + 鲁m 。s 伽 ( 0 z 厶) ( 0 z 厶) ( 厶 z 三) ( 厶 z 墨，胶筒变形受到套管内壁和封 隔器中心管的限制，此时，胶筒不但承受到轴向力作用，而且受到套管内壁与封隔器中 心管对胶筒约束从而产生的接触分布力和库仑摩擦力的作用，因为封隔器胶筒材料的特 殊性，在压缩力作用下其体积将会发生变化，其应力状况也因此发生变化，轴向应力以 2 7 一 o i l = 肛 忙 q u 为，、0解的f件条式、，9孓( 在式 ) 8 孓 西安石油大学硕士学位论文 及应变则会失去线性关系。 本文从能量守恒观点分析，假设变形中的摩擦力及热损不计，则在约束稳定变形阶 段，外力做的功应等于封隔器胶筒本身弹性变形的功、其与套管内壁产生接触应力做的 功以及胶筒摩擦力做的功三者之和，即 暖2 彬+ + ( 3 1 6 ) 式中，呒一轴向力做的功；取一封隔器胶筒弹性变形做的功：嵫一胶筒单位面积 贴紧套管内壁的接触力做的功；孵一胶筒摩擦力做的功。 因为同一胶筒内的位移量相同，故( 3 1 6 ) 式又可表示为 只= e + e + e ( 3 1 7 ) 式中，e 一作用在胶筒上的轴向力，n ；c 一使胶筒产生变形的弹性力，n ； c 一胶简单位面积贴紧套管内壁的接触力，n ；乃一胶筒受到的库仑摩擦力，n 。 其中，e = 互，则在e 作用下 由材料力学广义虎克定律可得封隔器胶筒的体积应变e 为 e = e r + + e z ( 3 1 8 ) 式中，q 、岛、乞分别为在c 作用下，封隔器胶筒的径向应变、环向应变、轴向 应变，无量纲。 由于套管内壁对胶筒的约束，有= 岛= 0 ，带入式( 3 - 1 8 ) ，e = 乞。由广义虎克 定律可得 p = 半 q + 叫 式中，q 、吒分别为在c 作用下，胶筒的径向应力， 由e = 乞和式( 3 1 9 ) 得 乞= 半【q + + 吒】 再由广义虎可定律得 乞= 去【吒一( q + ) 】 将式( 3 2 0 ) 带入式( 3 2 1 ) 得 旷：q 二丝丛生亟1 2 , u 根椐弹件力学厘壁筒理论式( 3 3 ) = f i - ( 3 1 9 ) 环向应力，轴向应力，n m 2 。 誓= 乞= 半【t + + 吒】舷也。 。 式中，一在接触力c 作用下胶筒的轴向位移，i l l 。 对于压缩式封隔器胶筒，n 为胶筒受到的接触分布应力， ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) q 2 0 - 0 = b ，因此 第三章大斜度高产气井完井管柱封隔器受力变形分析 吒2 掣2 半 将式( 3 2 4 ) 带入式( 3 2 3 ) 得 一d u , 二丝丝坐d ” ， d z 占t t 积分式( 3 2 5 ) 得 驴r 半警b 比= 半半岛易 ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) 热一撇，易= 一等擎卜肛 初始自身高度，。 由此可以得到在约束变形阶段，胶筒的高度为 h v i = hz i u z 妈2 7 ) 由( 3 1 7 ) 式可得封隔器胶筒约束变形阶段的轴向力为 f l = f t 七f i 七f | = a i t r y , a i o 七f f e = ( 7 r t i 2 - 7 州( 半一罱( 格肌2 万r , , + f 2 2 x 咖b 2 8 ， 式中，石一胶筒与套管之间的摩擦因数；石一胶筒与封隔器中心管之间的摩擦因数； 彳，封隔器胶筒被压缩后的横截面积。 3 2 3 封隔器胶筒稳定变形阶段力学分析 封隔器胶筒在轴向压缩力作用下，形变基本不再发生变化的阶段称为稳定变形阶段。 在这一阶段，胶筒工作面将完全和套管内壁接触，其轴向压缩量达到最大值。 在之前一些试验中，由于封隔器胶筒两端的挡环与套管内壁存在着5 毫米的间隙， 所以虽然已经处于稳定变形阶段，但胶筒还会产生微量突出，仍产生微量的轴向压缩量。 由于稳定变形阶段是约束变形阶段的特例，故它的应力计算表达式以及约束变形公 式同约束变形阶段相一致，可用式( 3 2 9 ) 来计算。 一半一罱1 ( 格) 协2 9 ) ( + ) lr 2 一r ，f 2j 。 2 9 西安石油大学硕士学位论文 3 3 大斜度高产气井完井管柱封隔器胶筒接触力计算分析 封隔器胶筒接触应力是指胶简单位面积贴紧套管内壁所产生的力。接触应力的大小 以及变化规律是反应胶筒质量和工作状态好坏的一个重要参数。 封隔器坐封后，胶筒在套管内承受轴向压缩力，压力差对接触应力有一定影响，根 据相关实验分析可知，约束变形阶段接触应力的计算公式为 b = i 仃一尚( 祷鹇 邻珈， 胪l 一葡l 亭剪j j 向 3 3 0 ) 在胶筒稳定变形阶段 弘币再硒 ( 3 引 万【足i 2 一尺1 2 ) 、7 所以稳定变形阶段胶筒与套管内壁接触应力计算公式为 所= l 右南一罱( 祷临 3 2 ， 胪【不f 丽一丽l 可哥j 再 刁” 式中，卜轴向力，仃一轴向应力。 在稳定变形阶段，如果考虑管内液柱压力对胶筒造成的影响，则此时封隔器胶筒在 液压作用下的接触应力由两部分组成，公式如下： 岛2 所+ 所l ； b l 2 f i 见 ( 3 - 3 3 ) 岛- i 右与一尚( 格h 南( 3 - 3 4 )矿l 不f 丽一雨l 可哥j + 见j 再 式中，岛一胶筒在管内液压作用下的接触应力；岛一胶筒轴向力坐封产生的与套 管的接触应力；所，一胶筒受管内液压压差作用产生的接触应力：见一胶筒承受压差时 高压端的压力。 3 4 大斜度高产气井完井管柱封隔器卡瓦受力分析 本章前两节中介绍了封隔器六大部分( 密封、锚定、扶正、坐封、锁紧、解封) 中 比较关键的密封部分，并对密封胶筒的受力变形进行了相关分析，得出了胶筒与套管接 触力计算公式。除此之外，锚定部分也相当重要。它将封隔器支撑在套管内壁上，防止 封隔器由于纵向移动而影响密封性能，或者引起封隔器过早解封，最重要的是它保证了 完井管柱的完整性。其中，卡瓦是一种常用的起锚定作用的机构，为了防止封隔器的纵 向移动以及解封，特别是在深井和高压井作业中，往往采用正、反多级卡瓦，或附加水 力锚。本文讨论的是大斜度高产气井，在管柱封隔器部分采用的正是正、反双卡瓦。以 第三章大斜度高产气井完井管柱封隔器受力变形分析 下对封隔器卡瓦受力做简要分析。 3 4 1 卡瓦受力状态分析 如图3 - 4 ，封隔器的卡瓦在井下套管内壁锚定后，由文献2 7 得单片卡瓦的受力平衡 条件应满足以下两个方程式： 由以上两式得： q ，= q r ( c o s o f t g 矽s i n a t ) q = 绋( s i n a r + t g c o s a t ) q r ：罴：蕊q ( 3 - 3 5 ) n t 。 培( 口+ 矽)g ( a t + 矽) 式中，q 一作用在封隔器卡瓦上的轴向载荷；q 一每片卡瓦所承受的轴向载荷； q ，一每片卡瓦与套管内壁接触的径向载荷；矽摩擦角；口卡瓦的倾斜角；级一为作 用于一片卡瓦上分压载荷；刀卡瓦片数。 如图3 5 ，假设q ，是通过卡瓦沿径向均匀分布在套管内壁上，则楔形卡瓦与套管接触 的均布径向载荷g 与q ，q 的关系为： q 2 f _ ；q l a t c o s o d o = 2 q l a s i n f l ( 3 3 6 ) 口：卫：一 ( 3 3 7 ) 1 2 1 as i nf l 2 n l a t t g ( a t + 簟o ) s i nf l 式中，一卡瓦牙齿外壁面的半角，度；z 一卡瓦牙齿外壁面的轴向长度，m ； 口一套管的内壁半径，m ；q 一卡瓦与套管内壁接触的径向均布载荷，1 v p a 。 图3 - 4 卡瓦受力示意图图3 5 卡瓦受力径向分布图 3 4 2 卡瓦锚定后卡瓦段套管应力分析 对卡瓦锚定后于套管的应力分析做如下假设： ( 1 ) 由于套管受力破坏的最恶劣影响因素是套管外水泥串槽，因此，假设套管外无 水泥环。 锤匦 西安石油大学硕士学位论文 ( 2 ) 卡瓦作用在套管内壁上的径向载荷g 是均匀分布的。 ( 3 ) 卡瓦挤压套管内壁时，认为在套管内所产生的应力只存在于被锚定的那段长度 为，的套管内部。 以4 片卡瓦( n 叫) 的卡瓦式封隔器为例来进行分析。取出套管段的1 4 圆环来进行 分析套管段圆环上的周向应力( 如图3 - 6 ) 。被去掉的套管段的圆环用周向内力q ，互 和弯矩m 。来平衡。按照超静 图3 石1 4 套管受力分布图 在q ，芝和m 。及g 的共同作用下，可得o 万4 范围内的套管段圆环上任意断面的 弯矩方程式。 当矽在。一( n - 4 - f 1 ) ：之_ f b - - j i t , j ，有 肘( 钆= 等s i n 乡+ 1 - c o s o ) 一m ( 3 - 3 8 ) 删) 2 _ 等s i i l 伊+ 万o r r ( 1 - c o s 力+ q r 2c o s ( 秒一署+ f 1 ) - q r 2 - m ( 3 - 3 9 ) 其中：m = i 4 rl l 忑p - i - c o s ) q + g 厂( s i n 一) 】 当卡瓦数n 为任意数值时，仍按照超静定系统原理推导出套管段圆环上任意断面的 弯矩方程式。 当口在o ( 万l n - f 1 ) 之间时，有 m ( 乡) 。= s i n o + 笔( 1 一c o s 乡) 一 乞 ( 3 - 4 。) 当p 在( 万4 一) 万4 之间时，有 心) 2 - 等s i l l 矽+ - ( 1 - c o s o ) + g ，2c o s ( 口一吾+ f 1 ) - q r 2 - 鸩( 3 圳 3 2 第三章大斜度高产气井完井管柱封隔器受力变形分析 其中鸩= 竺卜警q ，( c o s 兰+ s i i l 三一) + q r ( s i n 一) + 万z刀刀 牟q c 0 s p ( e o s 一7 + s i i l 三) + 卑q s h a p ( s i i l 三一c 。s 三) 】 z刀玎z刀刀 由以上各公式得出套管段圆环上任意点的周向应力的计算公式为： ：掣( 户一，) ( 3 4 2 ) 一。p t 其中：，- f 似尝) c - ( 1 5 ，2 - 0 2 5 f ) h a 2 r ,筹+ o 5 刀+ 0 5 f ) ( ，_ o 5 f ) z ，一f 式中，私乞一套管内、外半径；。，二为套管壁厚；，一套管段圆环曲率半径。 一周向应力；m ( 9 ) 一套管段圆环上任意角度位置的弯矩。 3 4 3 算例分析 例：某井采用y 3 1 1 1 4 6 型卡瓦封隔器，已知套管外径为1 7 7 8 m m ，壁厚1 0 3 6 r a m ， 钢级p - 1 1 0 ，卡瓦牙面轴向长度为l = 7 0 m m ，卡瓦牙面角5 0 。，该封隔器有3 片卡瓦， 其楔角取1 2 。试确定套管上危险点的位置，并计算出应力值。 解依题意：d = 1 7 7 8 m m 、艿= 1 0 3 6 m m 、l = 7 0 r a m 、皖= 2 5 。、n = 3 、a = 1 2 。，= 9 0 ， 取e - - 2 1 x 1 0 1 1 p a 、a = 0 3 ，w = 1 0 s n 。 若不考虑地层或管内液体压力，则q o = q b = 0 。由表查得如值：内壁为- 5 0 5 6 6 6 ，外壁 为4 6 5 5 7 3 ，由表查得墨值：当a = 0 。时为一o 0 8 4 4 ，当a = 6 0 。时为0 0 9 3 4 。计算结果见 表3 1 。 表3 1套管内外壁危险点应力值 a 。 吒 m p a o z |m p a 盯m 【p a 内壁 外壁内壁外壁内壁外壁 o5 7 4 73 9 7 61 8 5 7一1 8 1 35 8 4 23 8 8 9 6 05 2 6 05 5 0 11 8 5 71 8 1 35 1 7 o5 5 9 3 由表3 1 可以看出： ( 1 ) 锚定后的套管内壁两卡瓦中间的应力最大，该点为危险点； ( 2 ) 套管受力破坏的最恶劣影响因素是套管坐封段无水泥环或水泥环串槽，所以此 时套管的强度决定于环向弯曲应力。 3 5 本章小节 本章在简要介绍了封隔器坐封原理的基础之上，详细分析了完井管柱封隔器六大部 分之中的两大部件受力情况( 密封和锚定部分) ，给出封隔器胶筒与套管接触力计算公式； 并对封隔器坐封后卡瓦与套管相互受力做初步性的研究，分析在考虑液体，水泥环或地 层压力的条件下套管壁上的受力情况，推导出卡瓦封隔器坐封后套管应力计算公式。 西安石油大学硕士学位论文 第四章大斜度高产气井完井管柱动力学分析 第二章进行了高产气井完井管柱屈曲分析、轴向变形分析、载荷分析及管柱强度分 析，上述工作为完井管柱静力学研究，实际在高产高速气流作用下，完井管柱还受动载 荷作用，因此，本章将进行完井管柱动力学分析。完井管柱动力学分析主要分为两部分： 一部分是完井管柱振动力学分析，另一部分是流体在完井管柱中流动对管柱的冲蚀作用 与影响。而两者之重点是管柱振动力学的分析，因此，本章着重对高产气井完井管柱振 动力学做以下阐述分析。 4 1 高产气井完井管柱振动原因简析 在大斜度深井完井过程中，管柱除了受到管内外压力、温度等变化引起的轴向伸长 和缩短运动外，由于井斜及管内流体等原因，同时还伴随着各种振动。管柱振动使井中 密封管脱出封隔器密封腔，或损坏套管、封隔器、测试阀以及井口设备等；当管柱剧烈 振动时，还有可能引起管柱连接螺纹松扣或发生疲劳断裂，导致管柱泄露，从而影响生 产。为此，研究管柱的振动对整个管柱的安全性和完整性分析具有重要的现实意义。 高产气井在开采过程中，多种原因会导致油管柱严重振动。其中主要诱因有p 6 j ： ( 1 ) 管柱截面变化诱使管内压力变化引起旋涡现象产生振动； ( 2 ) 油管弯曲( 包含轴向受压屈曲、定向井中随井眼的弯曲、井口装置中管汇的弯 曲等) 导致管柱振动； ( 3 ) 节流阀或阀门开关处流速变化或绕流引起流体压力冲击振动； ( 4 ) 高产气体在管内体积( 流速) 和压力急剧变化产生气压冲击引起管柱振动。 ( 5 ) 管柱内流体固有振动频率与管柱固有频率接近，产生共振。 其中，在高产气井生产过程中，天然气对油管柱的作用力为变载荷，当天然气流动 激励力的变化频率与油管柱某一阶固有频率偶合时，油管柱将发生共振，成为油管断或 爆裂的主要原因之一。2 0 0 1 年5 月某1 0 1 井高产气井完井管柱：油管3 1 2 ”p 1 1 0 3 s b x 9 5 2 x 3 0 3 1 8 3 m - - 6 2 1 6 3 6 m ，环空保护液密度：1 3 4 9 c m 3 ，在2 0 0 3 年修井起出油管， 发现4 2 0 0 - - - 6 2 1 6 m 井段油管( 主要是接箍一侧) 严重磨损，呈条带状，最严重的接箍已 经穿孔( 由于是特殊丝扣油管，暂不影响密封) 。说明高产气井完井管柱存在振动，管柱 振动导致油套管接触磨损严重，对管柱密封造成威胁，影响管柱结构完整性、密封完整 性和长期寿命性，因此需要给与高度重视。管柱磨损如图4 1 所示。 墨璺垩查塑堡煎兰墨茎塞茎壁壁塾盔堂坌堑 4 2 旋涡引起管柱振动 圄4 1 管柱振动磨损图 当高产气井中以天然气为主的气体流经营柱时，通过对天然气等气体的流动特性分 析，流体质点的运动通常可以分解为平移运动，绕某点旋转运动角变形运动和线变形 运动四种运动。气体流经管柱过程中由于管柱截面变化、管柱弯头以及各种井下工具 的影响，将会在特定位置产生旋涡，从而引起管柱振动。如削42 所示。卜面对产生的 旋涡的区域进行分析： 图4 2 油管柱截面变化与弯曲厦天然气在流动过程中产生的旋涡区域 4 2 1 管柱截面变化产生旋涡 油管柱是由一根根油管通过螺纹连接在一起的，因此，在两根油管接头处，由于接 箍的存在，流通截面会突然增大( 圈4 3 所示) 和突然缩小( 图4 4 所示) ；在突然增 大和突然缩小区域，气体流过时，将产生旋涡。 西安石油大学硕士学位论文 图4 3 流道截面的突然放大图4 4 流道截面的突然缩小 同时，在变截面管柱处不但会出现旋涡，而且还会诱发流体压力变化；根据贝努力 方程，在地层产出物脉动情况下，压力波动对管柱台阶面产生激振力，在激振力的作用 下管柱产生变形，进一步诱发管柱振动，如图4 5 所示。 喉部 2 l 封隔器 图4 5 变截面管柱 图中，4 1 - l 截面积；4 _ 2 2 截面积，当存在气流流动时， 对异径管的冲击力可简单表示为： 舻= a e ( 4 4 ) 不考虑流体流态变化 ( 4 一1 ) 其中：舯= 只一 根据上式可知，截面变化越大，冲击力越大，振动越剧烈。 4 2 2 油管柱弯曲产生旋涡 在大斜度井或定向井的开采过程中，由于油管柱弯曲或弯头的存在，气体经过弯曲 区域流动方向必然发生变化，这使同一截面上的速度不均匀，产生旋涡。( 图4 6 所示) 4 2 3 开关阀门处产生旋涡 在油气井开采过程中，油管柱及井口集输管线上安装有各种阀门( 如图4 7 所示) ， 在各种阀开关过程中，由于过流截面的突变，将产生旋涡。 在各个旋涡区域，由于旋涡的发生会产生脉冲载荷，使油管柱承受交变的动载荷， 第四章大斜度高产气井完井管柱动力学分析 油管柱产生交变应力，因此旋涡是诱发油管柱振动的主要因素之一d 并且当脉冲载荷的 频率与油管柱的各阶固有频率接近时，整个油管柱将发生共振。同时旋涡还会对油管柱 产生冲蚀。 图4 6 弯头处突然变向产生旋涡图4 7 针形阀调节过程中产生旋涡 4 3 气压冲击引起管柱振动 在高产气井管串中，当突然关闭