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射孔测试联作管柱受力分析及井下仪器保护技术尹洪东李世义(北京理工大学机电工程学院,北京 100081张建军y(华北油田公司采油工艺研究院,河北任丘 062552摘要结合现场实际,对射孔测试联作施工管柱进行了力学分析,重点分析了高压和射孔枪振动对管柱的影响,指出射孔瞬间在封隔段形成的高压是引起管柱振动的一种主要影响因素,提出管柱的减振方法。
指出高压也是压力计损坏的主要因素。
在此基础上,设计了管柱结构、井下仪器保护装置,提高了射孔测试联作成功率。
关键词射孔测试联作井下仪器减振器保护器油管输送射孔与地层测试联作(简称联作技术,是解决一些储层测试工艺的一种有效方法。
由于对管柱受力状况及压力计、时钟等仪器的损坏原因认识模糊,施工中虽使用了减振器,还是频繁发生压力计、时钟等井下仪器损坏现象,阻碍了联作技术的应用。
通过对射孔测试联作管柱受力状况分析发现,原来认为时钟、压力计等仪器损坏仅是由射孔枪纵向振动引起的认识是不全面的,得出射孔枪起爆瞬间在封隔段形成的高压引起管柱振动也是造成时钟、压力计等仪器损坏的一种主要影响因素,同时,这个高压造成了压力计因超压而损坏。
在此基础上,对管柱结构进行了改进,研制出新型压力计保护装置,并经试验验证,获得了成功。
1 管柱受力及仪器损坏原因分析1.1 工艺原理射孔测试联作是把射孔枪与测试仪器组合为一次下井管柱,射孔枪接在管柱的底部,测试仪器接在管柱的中部,采用油管输送的方式,把射孔枪和测试仪器送到预定位置,磁定位测得定位短节深度,调整管柱,使射孔枪对准油层,坐封封隔器并开井后,环空加压引爆射孔枪,然后按测试设计开关井,进行地层测试。
射孔测试联作管柱结构见图1。
1.2 管柱受力分析过去认为射孔枪的纵向振动是引起管柱振动的主要因素,认为压力计、时钟是振坏的。
但经对管柱受力分析发现,射孔枪起爆时枪膛内的高压气体向图1 射孔测试联作管柱结构封隔段释放,这部分高压气体会推动管柱向上强烈冲击振动。
《水平井杆管柱力学的有限元分析及应用》篇一摘要：随着油田开发的深入，水平井技术日益受到重视。
本文通过有限元分析方法，对水平井杆管柱力学进行了深入研究，探讨了其力学特性和影响因素，并提出了相应的优化措施。
本文旨在为水平井的设计、施工及后期维护提供理论依据和指导。
一、引言水平井技术是现代油田开发的重要技术之一，其特点是能够提高油气的采收率，减少钻井成本。
在水平井的开采过程中，杆管柱的力学性能对于保障生产效率和设备安全具有重要意义。
本文将采用有限元分析方法，对水平井杆管柱的力学特性进行深入研究。
二、水平井杆管柱力学概述水平井杆管柱力学主要研究的是在钻井和采油过程中，杆管柱所受的力学作用及其变化规律。
这些力学作用包括但不限于重力、浮力、内压、外压、摩擦力等。
这些力的综合作用将直接影响杆管柱的稳定性和使用寿命。
三、有限元分析方法有限元分析是一种数值计算方法，通过将连续体离散成有限个单元，求解各单元的近似解，从而得到整个结构的近似解。
在水平井杆管柱力学分析中，有限元分析可以有效地模拟杆管柱在各种工况下的受力情况，为设计提供可靠的依据。
四、水平井杆管柱力学的有限元分析1. 模型建立：根据实际钻井和采油过程中的工况，建立水平井杆管柱的有限元模型。
模型应包括杆管柱的几何尺寸、材料属性、边界条件等。
2. 网格划分：对模型进行网格划分，将连续体离散成有限个单元，以便进行有限元分析。
3. 加载与约束：根据实际工况，对模型施加相应的载荷和约束，包括重力、浮力、内压、外压等。
4. 求解与分析：通过有限元软件进行求解，得到杆管柱在各种工况下的应力、应变、位移等数据。
5. 结果解读：根据求解结果，分析杆管柱的力学特性，包括稳定性、强度、刚度等。
五、影响因素及优化措施1. 影响因素：水平井杆管柱的力学性能受多种因素影响，包括地质条件、钻井工艺、采油工艺等。
其中，地质条件如地层压力、地层温度等对杆管柱的受力情况有重要影响。
2. 优化措施：针对影响因素，采取相应的优化措施，提高杆管柱的力学性能。
深水钻井管柱系统动力学分析与设计方法研究廖茂林;周英操;苏义脑;连志龙;蒋宏伟【摘要】深水钻井过程中,从平台延伸到井底的钻柱会在不同深度处与隔水管或井筒发生多点碰撞和摩擦,呈现出接触非线性特征.为了准确掌握深水钻井管柱系统的非线性动力学特性,将其简化为管中管结构,并提出了对应的管柱动力学模型.采用Abaqus有限元软件,对建立的管柱动力学模型进行动态响应模拟,并将模拟结果导入Isight优化软件,进行基于可靠度分析的多目标优化设计,确定出在工程可行性和安全可靠性方面都满足要求的设计参数组合.研究发现,相比于单独考虑隔水管的模型,提出的管中管模型所模拟的管柱系统整体变形程度较小,说明内外管柱之间的相互作用对深水钻井管柱系统的整体偏移有抑制作用;此外,提出的基于可靠度分析的多目标优化设计方法,可以避免优化设计结果因靠近约束边界而在参数波动情况下失效的问题.【期刊名称】《石油钻探技术》【年(卷),期】2019(047)002【总页数】7页(P56-62)【关键词】管柱力学;深水钻井;动力学分析;管中管结构;多目标优化【作者】廖茂林;周英操;苏义脑;连志龙;蒋宏伟【作者单位】中国石油集团工程技术研究院有限公司,北京 102206;中国石油集团工程技术研究院有限公司,北京 102206;中国石油集团工程技术研究院有限公司,北京 102206;中国石油集团工程技术研究院有限公司,北京 102206;中国石油集团工程技术研究院有限公司,北京 102206【正文语种】中文【中图分类】TE921+.2深水钻井与陆地钻井最大的区别是，钻具和钻井液要通过几百甚至数千米长的隔水管系统到达海底实现钻进[1]。
隔水管系统上端连接钻井平台，下端通过海底防喷器与井筒相连。
钻井过程中，隔水管和井筒与钻柱不断发生碰撞、摩擦等相互作用。
因此，对这一管中管系统进行准确的动力学分析和优化设计是确保深水钻井安全的关键，具有重要的工程实际意义。
第34卷 第5期2010年10月测 井 技 术W ELL LOGGING T ECH NOLOGYV ol.34 N o.5Oct 2010作者简介:国家科技重大专项/大型油气田及煤层气开发0项目的/超深超高压高温油气井试油、完井及储层改造配套技术研究0(2008ZX05046O 04)作者简介:陈华彬,男,1982年生,工程师,主要从事射孔研究工作。
文章编号:1004O 1338(2010)05O 0487O 05超深井射孔管柱动态力学分析陈华彬,唐 凯,任国辉,廖志开,欧跃强(中国石油集团川庆钻探工程有限公司测井公司,重庆400021)摘要:超深井射孔完井过程中,射孔瞬间形成的动态载荷对射孔管柱产生影响,严重时会使射孔管柱弯曲、断裂。
通过管柱动力学理论分析,利用PulsFr ac 射孔工程软件对射孔管柱在超深井井况下进行力学仿真。
利用A N SYS/LS -DY N A 有限元分析软件对射孔管柱进行隐-显动力学分析。
认识到射孔管柱受到口袋长度、井液密度、管柱长度、射孔厚度、井深以及枪弹变化等因素影响,射孔时受约束的封隔器下端面处射孔管柱受力最大。
提出了提高油气井射孔管柱安全性的6项措施。
关键词:石油射孔;超深井;射孔管柱;动态力学;仿真;有限元分析;安全性中图分类号:T E256.2 文献标识码:AString Dynamic Mechanics Analysis on Ultra -deep PerforationCH EN H uabin,T A NG Ka i,R EN Guohui,LI AO Zhikai,OU Y ueqiang(W ell L ogging Company,CNPC Chu anqing Drill &Exploration Engineering Corporation ,Ch ong qin g 400021,China)Abstract :In ultra -deep perfo rating com pletion process,the for med in instantaneous perforatio ns dynamic load has influence on the perforating string ,and causes the string bend and rupture.PulsFrac pro fessional eng ineering so ftw are w as used to do perforating string mechanical simula -tion in ultra -deep w ell after theoretical analy sis of string dynam ic mechanism.The perforatingstring im plicit -ex plicit dynam ic analy sis w as performed by A NSY/LS -DYNA finite element ana-l y sis so ftw are.It is found that conditio ns of the perforating string ar e influenced by the po ckets length,w ell liquid density,string length,perforatio n thickness,w ell depth,the bullet chang es and so on.The m ax imum perforating string load is in the low er end of bo unded packer.6m eas -ures to improv e the security of perforating string ar e given.Key words :petraleum perforation,ultra -deep w ell,per for ating str ing,dynam ic mechanics,sim -ulation,finite element analysis,security0 引 言勘探开发的超深井特点[1]是储层埋藏深,一般在5000~6500m 之间,最深达到7000m 以上;储层温度较高,龙岗地区井底温度一般在140e 左右,九龙山地区达到150e 以上,塔里木油田的超深井温度高达170~200e ;储层压力高,龙岗地区地层压力一般在70~90M Pa,九龙山地区达到131MPa;塔里木油田大北区块的超深井压力普遍在140MPa 左右;储层普遍含硫;完井方式一般采用射孔酸化测试三联作或射孔酸化(测试)联作等。
1 超深井射孔管柱动力学效应超深井射孔井下情况较为复杂,射孔管柱是一个关键部位。
射孔冲击波形成的动态载荷使射孔管柱产生振动,促使管柱轴向拉伸或压缩,严重情况下会使射孔管柱弯曲,甚至断裂[2]。
一般情况下,超深井射孔都会结合封隔器一起作业,以便缩短试油周期和降低成本。
井筒内的射孔管柱上端受到封隔器约束,周围受到套管的限制,射孔管柱可当成单自由度运动体系。
利用达朗伯原理建立运动方程mx &(t)+cx .(t)+kx (t)=f (t)(1)式中,kx 为恢复力;m x &为惯性力;c x.为黏性阻尼力;f (t)为振动外力。
运动方程的标准形式x &(t)+2F X n x .(t)+X 2nx (t)=f (t)m(2)无阻尼固有频率X n =k m(3)阻尼比F =c 20X n m =cc r(4)临界阻尼系数c r =2X n m(5)结合封隔器作业的超深井射孔管柱,上端被封隔器约束,X 、Y 、Z 方向不能产生移动,下端则悬在井筒内,它属于一端固定、一端自由的细长杆,通过推导计算得到频率方程X l a =n P 2(n =1,2,3,,)(6) 固有频率X n =n P a 2l =n P 2lE Q(n =1,3,5,,)(7)主振型U(x )=A c sin (n P 2lx )(8)振动全解u(x ,t)=E]n=1,3,5,,A c n sin (n P2lx )sin (X n t +U n )(9)将方程解u(x ,t)代入N =A R =AE E =AE 9u 9x(10)进行求导,可求出构件在动态载荷作用下t 时刻的力学情况。
2 超深井井况因素对管柱的影响利用射孔工程软件PulsFrac [3]对井况条件下管柱进行影响分析,将油气井基本数据包括地层岩性、杨氏模量、泊松比、孔隙度、渗透率等参数输入到软件中,通过计算模拟出射孔管柱受力变化情况(见表1)。
在这些基本参数不变的情况下,分别开展针对5in(非法定计量单位,1ft =12in =0.3048m,下同)、5"-in 套管的口袋长度变化、井液密度变化、射孔管柱长度变化、射孔厚度变化、井深变化、套管枪弹类型变化等对射孔管柱受力影响仿真,并获取数据形成数据曲线。
5in 套管内外径5108mm/5127mm ,枪弹型指标为86枪型、装药25g 、孔径59.7mm 和穿深538m m 。
5"-in 套管内外径5121mm /5140mm,枪弹型指标为102枪型、装药45g 、孔径512.5m m 和穿深1038mm 。
表1 油气井基本参数储层参数井况参数地层:长兴组H 2S:34mg #L -1井斜:0b岩性:灰岩和云质灰岩地层压力:61M Pa 泊松比:0.30孔隙度: 2.0%~5.9%地层温度:140e 杨氏模量:48G Pa 渗透率:0.0020~0.7005mD *流体敏感度:NO*非法定计量单位,1mD =9.87@10-4L m 2,下同2.1 口袋长度变化对管柱的影响井深大于6000m 的5in 或5"-in 套管超深井,射孔管柱长30m,射孔井段(厚度)5968.5~5998.5m(30m),密度1.0g/cm 3,装配86型枪弹或102型枪弹,口袋由1~100m 变化,井深对应由6000~6099m 变化,得出口袋与射孔管柱受力变化曲线(见图1)。
图1 5in 套管和5"-in 套管口袋长度与受力关系曲线#488#测 井 技 术 2010年计算结果:拉伸力、压缩力趋势一致。
口袋在10m 以内,管柱受拉伸压缩力随口袋长度增加而呈抛物线走势;口袋在10m 以上,管柱受拉伸压缩力随口袋长度增加而近似平缓递减。
2.2 井液密度变化对管柱的影响井深为6500m 的5in 或5"-in 套管超深井,口袋长4m 、射孔管柱长30m 、射孔井段(厚度)6465~6495m(30m)、装配86型枪弹或102型枪弹,井液密度由1.0~ 2.3g/cm 3变化,得出密度与射孔管柱受力变化曲线(见图2)。
图2 5in 套管和5"-in 套管密度与受力关系曲线计算结果:密度<1.7g/cm 3,压缩力随密度增加而平缓增加;密度>1.7g/cm 3,压缩力随密度增加而陡增;拉伸力始终随密度增加而近似线性增加。
2.3 射孔管柱自身长度变化的力学影响井深为6003m 的5in 或5"-in 套管超深井,口袋长4m 、射孔井段(厚度)5968.5~5998.5m (30m )、装配86型枪弹或102型枪弹,密度1.0g/cm 3,射孔管柱长由10~150m 变化,得出射孔管柱自身长度变化的受力变化曲线(见图3)。
计算结果:管柱<50m 内,管柱拉伸力、压缩力表现突出,随射孔管柱的增加而线性递减;管柱>50m,管柱拉伸力、压缩力随射孔管柱长度的增加而平缓递减。
2.4 井深变化对管柱的影响井深由5000~7500m 变化的5in 或5"-in图3 5in 套管和5"-in 套管管柱长度与受力关系曲线套管超深井,射孔井段(厚度)由4965~4995m (30m )至7465~7495m(30m )变化、口袋长4m 、密度1.0g/cm 3,射孔管柱长30m,装配86型枪弹或102型枪弹,得出井深与射孔管柱受力变化曲线(见图4)。
图4 5in 套管和5"-in 套管井深与受力关系曲线#489# 第34卷 第5期 陈华彬,等:超深井射孔管柱动态力学分析计算结果:拉伸力、压缩力始终近似线性增加。
2.5 射孔厚度变化对管柱的影响井深为6003m 的5in 或5"-in 套管超深井,射孔井段(厚度)对应由5993.5~5998.5m (5m )至5898.5~5998.5m (100m )变化、口袋长4m 、密度1.0g /cm 3,射孔管柱长30m,装配86型枪弹或102型枪弹,得出射孔厚度与射孔管柱受力变化曲线(见图5)。
