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压裂管柱力学行为仿真研究开题报告1. 工程背景什么是压裂？ （压裂技术是改造低渗层使其达到工业性开采的最经济有效的手段之一）压裂是指采油或采气过程中，利用水力作用，使油气层形成裂缝的一种方法，又称水力压裂。油气层压裂工艺过程用压裂车，把高压大排量具有一定粘度的液体挤入油层，当把油层压出许多裂缝后，加入支撑剂(如石英砂等)充填进裂缝，提高油气层的渗透能力，以增加注水量(注水井)或产油量(油井)。常用的压裂液有水基压裂液、油基压裂液、乳状压裂液、泡沫压裂液及酸基压裂液5种基本类型。压裂选井的原则：（1）油气层受污染或者堵塞较大的井；（2）注不进去水或注水未见效的井。 压裂技术按照压裂介质可分为水力压裂、高能气体压裂、泡沫压裂、纤维压裂、液化石油气压裂技术等。 随着各新老油田的不断开采，油气层的渗透率不断降低，采收率也随之降低，而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，压裂管柱是实现压裂作业的关键工艺管柱，不合理的压裂管柱设计和施工参数引起压裂管柱结构失效在油田时有发生，造成大量的物力和财力损失。因此压裂管柱不同工况下的力学行为分析是多数油田亟待解决的关键问题之一。2. 国内外研究研究现状2.1 国内外压裂技术发展现状简介2.1.1国外研究现状 自从 1947 年 7 月世界第一口压裂井在美国堪萨斯州大县 Hugoton 气田 Kleppr成功压裂以来至今，压裂技术已由简单的、低液量、低排量压裂增产方法发展成为一项成熟的开采工艺技术，其发展具有以下3 个特点：（1）由单井的增产增注进展到整个油藏的总体压裂优化设计最初的压裂改造，仅仅针对单井而言，缺乏对油藏非均质性、水驱采油效率与开采效益的综合考虑，80 年代后期，人们把油藏总体作为一个工作单元，将水力割缝与油藏进行匹配研究，使压裂技术与油藏工程结合起来。（2）低渗透油藏“压裂开采”进展到“压裂开发” “压裂开采”是在给定井网条件下进行，由于水力裂缝方位和井距已定，于是匹配的优化缝长就确定下来，这就制约了裂缝的长度和井数的设置。90 年代提出的“压裂开发”，是指在部署开发网前就考虑水力割缝方位、长度、导流能力等对油藏生产动态可能造成的影响，通过研究开发井网系统和水力割缝的优化组合，用获得总体优化的经济净效益和最终采收率的井网系统来部署开发井网，最大限度地实现低投入、高产出的目标，使压裂技术与油藏工程结合更加紧密，使低渗透油藏的高效开发成为可能。（3）压裂规模从小型进展到大型压裂作业最初的压裂作业，液量一般只有几立方米，而现代大型压裂作业，液量已达到30004000 m3。研究致密气藏发展大型压裂技术，现在已应用于各种低渗透油藏中。水力压裂技术从 50 年代开始以来，就技术而论已成为一项较成熟的石油工程技术。迄今为止，压裂技术是改造低渗层使其达到工业性开采的最经济有效的手段之一。目前国内外关于压裂管柱力学分析的主要技术现状如下：在 20 世纪 60 年代，A.Lubinski、W.S.Althouse、J.L.Logan 等人率先对封隔器压裂管柱进行了研究，他们研究了鼓胀效应、温度效应、活塞效应以及螺旋弯曲效应等 4 种效应所引起管柱轴向位移和轴向载荷的计算问题，提出了管柱内外流体压力对管柱弯曲的等效作用力“虚构力”(Fictitious Force)的概念，并利用能量原理对直井中带有封隔器管柱的螺旋弯曲等进行了研究，并推导出直井压裂管柱在4种效应作用下的变形公式，进而计算出压裂管柱的轴向位移的计算公式。20 世纪 70 年代末到 80 年代初，D.J.Hammerlindl在 A.Lubinski 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、应力和位移问题，讨论了作用于管柱上液压力的作用效应和“中和点”计算问题。随着定向井、水平井采油技术的发展，在 20 世纪 80 年代，J.B.cheatham等人对定向井、水平井和管柱螺旋弯曲又进行了研究，其研究的基本思想仍同 A.Lubinski，从管柱屈曲出发，应用能量原理推导了管柱在单一变形的计算公式；E.E.Maidle等人通过微元体平衡，用矩阵传递法对定向井摩擦阻力进行了分析。到了 20 世纪 90 年代，J.Wu和 H.C.Juvkam-wold 对管柱在大位移井和水平井中管柱的摩擦阻力的计算进行了研究，针对不同情况下管柱的轴力分布进行了讨论和研究，并给出了管柱在不同情况下的“自锁”条件。2.1.2国内研究现状 我国在这一方面的研究起步比较晚，八十年代初才开始这方面的工作。1993 年，冯建华依据 A.Lubinski 等人的管柱受力分析理论，建立了双封隔器符合管柱受力分析的数学模型，并结合油田实际，介绍了封隔器受力及其承受压差的计算方法；1998 年刘巨保、张学鸿等教授采用“多向接触摩擦间隙元法”对水平井压裂管柱的受力变形状态进行了描述，考虑水平井压裂管柱在井眼曲率作用下产生初始弯曲，弯曲后的压裂管柱在温度、自重、内外压力和局部集中力的综合作用下再次发生变形，变形后的压裂管柱必将与套管内壁产生接触，其接触状态随井深和井眼圆周方向随机分布，并结合大庆油田水平井分流压裂管柱工程实例，对压裂管柱进行了受力计算，得出了在不同工作状况下压裂管柱与套管内壁的接触状态、管柱整体变形量、井口载荷以及管柱任一截面处的内力和应力。2003 年，孙爱军、窦益华等结合 A.Lubinski 等人的文献对封隔器压裂管柱的受力、应力以及变形状态作了系统的介绍； 2007 年，王祖文等人在文献中运用微元体法和静力平衡方程、小挠度梁弯曲理论建立了井下管柱屈曲变形微分方程，得出管柱螺旋弯曲变形量，同时得出管柱在单一效应（活塞效应、温度效应以及鼓胀效应）作用下变形量的简化计算公式，并将 4 种效应产生变形量的代数和作为压裂管柱整体的变形量。迄今，据有关管柱力学研究文献介绍，现有方法由于各种假设和力学简化上存在差异都有局限性，在定向井、水平井中，没有充分考虑管柱与套管内壁的间隙和接触状态，尤其是将管柱在 4 种效应单独作用下变形的“代数和”作为压裂管柱整体的变形量，使管柱受力变形分析精度不够高、合理性较差，对一些工程问题（分次压裂管柱在施工中的上提距离，封隔器、水力锚在不同工况中的封隔力、锚定力等）还不能够很好解决，有待于近一步研究和探讨。2.2石油钻采管柱力学研究现状2.2.1国外研究现状国内外研究钻柱力学的文献较多，钻柱静力学研究始于20世纪50年代，钻柱动力学分析始于20世纪60年代的钻柱稳态动力分析，主要选择直井中的钻柱作为研究对象，采用微分方程法作为研究方法，对其纵向和扭转振动进行理论分析与实验研究上世纪80年代，国内外学者通过理论和试验方法开启了近代钻柱动力学研究，微分方程法和有限单元法是其常用的理论方法。由于微分方程法受到求解限制，需对井下钻柱结构、力边界与位移边界条件和钻井液阻尼等做出各种假设与简化，因此导致研究方法、工程应用结论各不相同；有限元法不受方程解法限制，已成为钻柱动力学分析的首选方法。 在 20 世纪 60 年代，A.Lubinski、J.L.Logan、W.S.Althouse 等人率先对压裂管柱进行了研究，他们研究了鼓胀效应、活塞效应、螺旋弯曲效应以及温度效应等引起压裂管柱轴向位移和轴向载荷的计算问题，提出了管柱内外流体压力对管柱弯曲的等效作用力“虚构力”的概念，并利用能量原理对直井中带有封隔器管柱的螺旋弯曲等进行了研究，推导出直井压裂管柱在 4种效应作用下的变形公式，进而计算出压裂管柱的轴向位移和变形。 20 世纪 70 年代末到 80 年代初，D.J.Hammerlindl在 60 年代理论的基础上进一步讨论了多级封隔器组合管柱的受力变形问题，研究了液压力对压裂管柱的作用效应和管柱的“中和点”问题。在 20 世纪 80 年代，随着定向井、水平井的钻井、采油技术的发展， J.B.cheatham等人对定向井、水平井的管柱螺旋弯曲进行了研究，其研究基本思想是从管柱屈曲出发，考虑管柱的单一变形，应用能量原理推导了计算公式；E.E.Maidle等人通过微元体平衡，用矩阵传递法对定向井摩擦阻力进行了分析。到了 20 世纪 90 年代，J.Wu等人针对不同情况下管柱的轴力分布进行了讨论和研究，计算了管柱在水平井和大位移井中的摩擦阻力，给出了管柱在不同情况下的“自锁”条件。2.2.2国内研究现状 我国从上世纪八十年代开始压裂管柱力学方面的工作。1993年，冯建华依据A.Lubinski等人的管柱受力分析理论，建立了双封隔器管柱受力分析模型，结合油田实际，给出了封隔器受力及其承受内外压差的计算方法；1998年，张学鸿、刘巨保等人采用“多向接触摩擦间隙元法”对水平井压裂管柱的受力变形状态进行了分析，压裂管柱在水平井眼中的大位移问题用管柱的初始弯曲来考虑，弯曲后的压裂管柱在自重、内外压力、温度和局部集中力的综合作用下再次发生变形，变形后的压裂管柱必将与套管内壁产生接触，应用间隙元来模拟随井深和井眼圆周方向随机分布的管柱接触摩擦状态，并对水平井分流压裂管柱进行了受力变形计算，得出了在不同工作状况下管柱压裂整体变形量、井口载荷、管柱与套管内壁的接触状态以及管柱任一截面处的内力和应力。2003年，孙爱军、窦益华等对压裂管柱的受力、应力以及变形状态作了的介绍与分析；2007年，王祖文等人中运用微元体法和静力平衡方程、小挠度梁弯曲理论建立了井下管柱屈曲变形微分方程，求解管柱螺旋弯曲变形量，能够分别计算管柱在温度效应、活塞效应以及鼓胀效应的单一作用下的变形量，将各种效应产生变形量的累加后即得到压裂管柱整体的变形量。生丽敏选取压力、温度变化显著的酸化压裂管柱作为研究对象进行了力学分析和计算，计算分析了管柱载荷的变化规律、管柱的变形及强度，从而确定出各工况下的工艺参数。杜现飞以深井高温高压条件下的压裂管柱为研究对象，考虑井眼轨迹、管柱结构等因素建立了压裂管柱力学模型，研究了深井压裂管柱在内压、外压、自重、套管支撑反力、流体粘滞摩阻力等多种载荷复合作用下的变形。3. 压裂管柱力学行为研究意义随着开采油气层的不断变化和井下工具的日益完善，分层分次压裂技术被广泛应用于油气井增产作业，而压裂管柱是压裂作业的唯一承载构件和动力传递件，其管柱变形分析和强度评价直接关系到压裂作业的安全性。作为一种特殊的机械构件，在压裂管柱施工过程中，管柱在自重、井眼曲率、温度、内外压差、粘滞摩阻力、弯矩以及封隔力、锚定力等多种载荷组合作用，使管柱在一定的应力水平下发生变形。在不同的井下条件和作业工况，管柱的受力、应力和工作状态也不断发生变化，若应力或变形过大，将会导致管柱破坏等作业事故，尤其是在高温高压深井压裂过程中，由于管串长、沿程阻力大，造成施工泵压高，最高泵压可达到 80MPa；井底温度高、施工时间长，使得压裂管柱常处于不同的平衡状态或在不同平衡状态之间转换，导致油管受力变形和封隔器密封失效，从而造成严重的井下作业事故。 研究压裂管柱在不同压裂方式中的摩阻、载荷、应力和变形等力学行为，可为分层分次压裂管柱组合的合理配置以及作业参数的合理选择等提供科学依据。这对于提高作业质量、保证井下作业安全、降低生产作业成本、提高劳动生产率等有着非常重要的实际意义。 由于管柱在施工过程中，受到不同环空间隙的套管内壁约束，接触点是随机的，发生接触的点又对其它点的位移产生影响，因此属于多向接触非线性问题。同时，封隔器、水力锚以及滑套喷砂器在下井、坐封以及压裂工况中的运动状态和受力状态比较复杂。因此，研究压裂管柱的受力、应力和变形状态不仅对压裂作业具有重要的实际意义和应用价值，而且也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。4.压裂管柱4.1压裂管柱按组配方式压裂管柱按组配方式可以划分为 3 种：单卡压裂、双卡压裂、分次压裂管柱。4.1.1单卡压裂 单卡压裂一般为笼统压裂，可用于井深30004000m、工作压力 70MPa、工作温度150的井，该压裂方式不仅承压高，施工过程方便、可靠，而且还能适应高砂比，大砂量的压裂。在进行单卡压裂施工之前，下入带有安全接头、防磨接头、水力锚、Y344-115 封隔器、节流嘴等组成的直井单卡压裂工艺管柱（见图 1.1），装好井口，进行试压，小排量替入一定量的压裂液基液，压裂液经节流嘴产生节流压差，使水力锚及封隔器同时胀开，卡住套管，密封油套环空。对压裂层进行压裂，压完后，压力放掉，即可上提起出压裂管柱。4.1.2双卡压裂 双卡压裂一般为分层压裂，可对不同压力、不同渗透率地层分别进行压裂改造，这 种管柱需组配多个封隔器和水力锚，可采用上提法使一趟管柱选压 23 个地层，同时压裂过程中出现砂堵，可利用导压喷砂器立即反洗冲砂，冲砂后可继续压裂作业，卡距内采用高强度油管连接，抗拉强度高，避免压力过高而拉断。水平井进行压裂施工作业时，下入带有安全接头、水力锚、K344-110 封隔器、扶正器、导压喷砂器、K344-105 封隔器、导向丝堵等组成的水平井双卡压裂工艺管柱（见图 1.2）， 压裂时，压裂液经导压喷砂器内的节流嘴在油管内外产生节流压差，使上下封隔器坐封，隔离所要处理的层段，同时水力锚爪伸出，卡住套管。压裂液由导压喷砂器两侧进入地层，压裂完后卸压，封隔器和水力锚爪自动收回。4.1.3分次压裂管柱 分次压裂管柱组合见图 1.3 所示。分次压裂工艺可以实现不移动管柱进行分层分次压裂作业，不仅可处理多层压裂地层，而且可使渗透率不好的层段得到改造，克服了多次压裂，施工复杂，周期长，难度大的缺点。插入压裂管柱的压裂方式分为一次压裂和二次压裂，其压裂工艺过程如下： 将Y433-114 封隔器下至井内预定深度，释放后起出投送工具，下入带有安全接头、水力锚、Y344-115 封隔器、滑套喷砂器、插入密封段等组成的插入分层压裂工艺管柱（见图 1.3），联接好井口，即可进行压裂施工。首先压裂下层，压完后，依次投球并活动节流嘴打开滑套喷砂器，封闭下层，压裂液经节流嘴产生节流压差，使 Y344-115 封隔器坐封，压裂完上层后排液。4.2压裂管柱构件 封隔器：系指具有弹性密封元件，并借此封隔各种尺寸管柱与井眼之间以及管柱之间环形空间，并隔绝产层，以控制产(注)液，保护套管的井下工具。在采油工程中封隔器用来分层，封隔器上设计有采油通道，坐封时，活塞套上行，采油通道被打开;坐封后，上层压力作用在平衡活塞上，向上推胶筒，使解封销钉免受剪切力;解封时，靠胶筒与套管的摩擦力剪断解封销钉，活塞套下行，关闭采油通道。水力锚：油管内憋压，水力锚锚爪在液体压力的作用下向外伸出，卡紧套管内壁，实现锚定动作。当油套压力平衡后，锚爪在挡板内弹簧的弹力作用下收回，解除锚定作用。防止井下工具产生轴向位移。用于5 1/2套管油(气)井水力压裂、水井增注改造、水力喷砂、切割(或喷砂射孔)等井下作业管柱的锚定。压裂管柱在压裂工况中的受力状态为：封隔器在端部较高压力作用下，轴向发生微小滑动，同时水力锚也承受较大的压力，水力锚的锚爪在高压作用下压缩弹簧，并被推向套管内壁，卡在套管内壁上，压力愈高，卡紧力愈大，以此来克服作业时管柱产生的轴向推力，起到固定井下管柱的作用套管：用来保护管道或者方便管道安装的铁圈。安全街头：在油井中下入地层测验器进行中间试验时，其上部也需连接安全接头，当地层测验器被严重卡死时便于从安全接头处卸开而提出全部钻杆。压裂液：压裂液是流体矿(气、汽、油、淡水、盐水、热水等)在开采过程中，为了获得高产而借用液体传导力(如水力等)压裂措施时所用的液体。节流嘴：节流嘴是用固定流通面积来控制流体流动的一种元件。导压喷砂器：进行分层压裂或有选择性的单层压裂，施工中起节流、导压和导流作用。丝堵：丝堵用于管道的末端，防止管道的泄露，起到密封的作用4.3压裂管柱工作状态描述 压裂是靠水（液体）传导压力的，故也叫水力压裂。其过程是：在地面采用高压大排量泵，利用液体传压原理，将具有一定黏度的液体以大于油层吸收能力的排量向井内注入，使井筒内的压力逐渐提高。当压力增高到大于油层破裂所需要的压力时，油层就会形成一条或几条水平或垂直裂缝。当继续注入液体时，裂缝也会向油层深处延伸与扩展，直到液体注入速度等于油层渗透速度时，裂缝才会停止延伸与扩展。如果地面停止注入液体，油层由于外来压力消失，又会使裂缝闭合，为了防止停泵后裂缝闭合，在挤入的液体中加入支撑剂（如石英砂、核桃壳等），使油层中形成导流能力很强的添砂裂缝。4.4不同压裂工况下压裂管柱的受力状态分析 压裂施工过程中，压裂管柱是重要的组成部分，主要包括油管、封隔器、水力锚、扶正器、滑套喷砂器等。压裂管柱在下入井内到封隔器坐封以及进行压裂等过程中的受力和变形状态也比较复杂，且在不同工作过程中其变形和受力状态也不相同。因此，将压裂管柱的计算工况分为下井、坐封、压裂三种工况。下井计算工况就是将整体压裂管柱下入预定井深工况，压裂管柱在下入井内的过程中，除所承受的自重外，内外液体对管柱产生压力，同时管柱内外壁的温度在地层温度及介质液温度作用下急剧升高，温度的变化使管柱产生轴向伸长或缩短。管柱在自重、液柱压力以及温度作用下产生初始变形，当井眼类型为水平井或斜井时，管柱在井眼曲率的影响下同时还产生初始弯曲变形。坐封工况是压裂管柱封隔器在压差作用下逐渐坐封的过程。将压裂工艺管柱下入预定井深后，向管柱内注入少量的压裂液，使封隔器的内外表面产生一定的压差，封隔器胶筒在压差作用下逐渐膨胀，当胶筒的外径与套管内壁没有间隙、发生接触时，此时封隔器完全坐封，同时封隔器承受一定的静摩擦力，整体管柱在坐封压力作用下再次发生变形。压裂工况是管柱压裂施工过程。在压裂过程中，由于封隔器端部作用着较高的活塞力，可能引起管柱弯曲或窜动，致使封隔器失效和压裂施工失败，因此管柱组配中需在封隔器附近安放水力锚，水力锚能够有效地控制管柱的轴向串动，确保压裂管柱的安全。压裂管柱在压裂工况中的受力状态为：封隔器在端部较高压力作用下，轴向发生微小滑动，同时水力锚也承受较大的压力，水力锚的锚爪在高压作用下压缩弹簧，并被推向套管内壁，卡在套管内壁上，压力愈高，卡紧力愈大，以此来克服作业时管柱产生的轴向推力，起到固定井下管柱的作用。另外在分次压裂工况中，当压裂上层时，由于滑套喷砂器受到较大的且方向向下的活塞力，活塞力导致滑套喷砂器轴向伸长，当滑套喷砂器产生的轴向伸长量达到一定程度时，就会与固定在套管上的封隔器发生接触，同时也伴随着接触力的产生，当伸长量小于预留量时，就不产生接触。4.5插入式压裂管柱的四类边界条件 插入式压裂管柱的井下工具主要有水力锚、封隔器、滑套喷砂器和固定封隔器，单卡压裂管柱的井下工具主要有水力锚、单个封隔器，而双卡压裂管柱的井下工具主要有水力锚和两个封隔器。所以研究插入式压裂管柱包括了单卡压裂管柱和双卡压裂管柱，研究更加具有代表性。 在插入式压裂管柱的模型中，主要有如下的四类边界条件： (1)第一类边界条件：井口和井底处已知力或已知位移边界；一次压裂与二次压裂井口处为已知位移边界，井底处为已知力边界。 (2)第二类边界条件：压裂管柱及配套工具与套管内壁的接触摩擦边界，属移动位移边界，压裂管柱及配套工具与套管内壁未接触时，在套管内壁内自由运动，没有附加力存在；当压裂管柱及配套工具一旦与套管内壁壁接触，其变形将受到阻力的影响，不仅有接触反力的存在，还有摩擦阻力、阻力矩存在。 (3)第三类边界条件为水力锚锚定时、封隔器座封时与套管内壁之间的接触摩擦边界。当压裂管柱压裂时，水力锚锚定、封隔器座封，所以水力锚、封隔器与套管内壁之间存在接触反力和摩擦阻力。 (4)第四类边界条件为固定封隔器与滑套喷砂器的接触边界，若接触则需计算两者的接触力。 管柱的载荷主要有压裂管柱及配套工具的自重及流体浮力及流体粘滞阻力等作用，这些载荷为线载荷。配套工具(封