注水管柱力学分析及其应用_刘延鑫

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关于水平井注水管柱的受力分析

关于水平井注水管柱的受力分析作者：张雷来源：《中国新技术新产品》2012年第19期摘要：在石油的开采开发中，水平井开采技术作为开发的最基本和普遍应用的技术，在石油的开采中发挥了重要作用。

而注水是目前油田开采中保持地层能量的主要方式，注水方式是采油实现的稳产、高产的重要措施，，并且随水平井在各油田的普遍应用，水平井注水技术日趋成熟。

本文将从水平井注水工艺、注水管柱的概况来分析注水管柱受力状态的影响因素，通过注水管柱的力学模型和计算方式为实际操作提供技术指导。

关键词：水平井；注水管柱；平衡状态；受力分析中图分类号：TE35 文献标识码：A一、简述水平井注水和注水管柱1 简述水平井注水因为注水井与生产井之间存有径向流，巨压损耗降低采收，而将径向流转变为直线流的方式有垂直向压裂和水平井注采技术，水平井正常注水，管柱所受压力会分散在泄油井端上，界面压力小受到的形变小，降低了含水量的增加速度，油水界面距离增大。

水平井能达到泄油的均匀性使水驱前缘能够向前推进，流速较大。

根据以上特点水平注水在低渗透等地质复杂的油藏中可以提高其油田油层的开发率，提高产量，加速进程。

水平注水可提高水驱波和系数，减小了油层的压力，降低了生产成本。

2简述注水管柱注水管柱的工作原理是利用配水嘴的节流作用来控制不同底层的注水量。

水嘴的大小不同会影响注水的节流损失。

而根据地层的配注量来选择合适的水嘴，具有重要意义。

注水管柱会伴随注水工艺与生产工况的不同而有差别，通常情况下，根据注水管柱的结构特点不同形成多种分类。

根据支撑方式不同，分为底部支撑式、自由悬挂式。

前者难度大于后者，主要因为封隔器的准确度与其管柱的复杂程度有关。

组成管柱的工具结构在一定特点上具有相似性，分为固定注水管柱、偏心注水管柱、空心注水管柱、油套分层注水管柱、双段自调分段注水管柱等。

根据封隔器工作原理不同分为水力压缩式封隔器分段注水工艺管柱、水力扩张式封隔器分段注水工艺管柱、卡瓦式分段注水工艺管柱、支撑式封隔器分层注水工艺管柱。

水平井分段注水管柱技术探讨

水平井分段注水管柱技术探讨蔡凌【摘要】低渗透、薄层油藏由于天然能量不足，存在地层压力下降快、启动压力和注水压力高等问题，直井注水技术在其开发过程中逐渐暴露出一些不足。

水平井相对直井注水具有注水压力低、注入量大、波及效率高等优点，但水平井笼统注水时，水平段上渗透率的差异会导致高渗段超注与低渗段欠注。

针对上述问题，江汉油田提出了一种针对水平井的分段注水管柱，可实现水平井有效分段注水，保证注入水均匀推进，达到更好的注水效果。

%The shortage of natural energy in thin reservoirs with low permeability would lead to faster decreasing for‐mation pressure and higher starting pressure and water injection pressure .Compared to vertical well injection tech‐nology ,horizontal well injection technology has advantages of low injection pressure ,large injection rate and high sweep efficiency .However ,the permeability difference of horizontal sections would result in overinjection at high os‐mosis section and underpressure injection at low osmosis section if general injection into horizontal wells were done . The zonal water injection string technology for horizontal wells ,accordingly ,comes up .This technology contributes to effective zonal injection and even flow of injected water ,thus achieving a better flood result .【期刊名称】《江汉石油职工大学学报》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】3页(P20-22)【关键词】水平井;分段注水管柱;扩张式封隔器【作者】蔡凌【作者单位】中国石油化工股份有限公司江汉油田分公司石油工程技术研究院，湖北武汉 430035【正文语种】中文【中图分类】TE357.6目前，世界各类油田普遍采用直井注水来补充地层能量，但在低渗透、薄层油藏的开发过程中，直井注水逐渐暴露出由于天然能量不足，地层压力下降快、注水吸水能力低、启动压力和注水压力高等问题，如江汉油田王广、黄场与严河等低渗透油藏注水难度大，部分水井注水压力超过 32 MPa。

井下注水管柱力学测试系统设计

石油机械CHINA PETROLEUM MACHINERY2020年第48卷第6期—77—V油气田开发工程A井下注水管柱力学测试系统设计贾庆升1张福涛1任从坤1王旱祥2魏振彳姜浩彳刘延鑫$(1.中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院2.中国石油大学(华东)机电工程学院)贾庆升，张福涛，任从坤，等.井下注水管柱力学测试系统设计.石油机械，2020,48(6):77-82.摘要：分层注水已成为开采薄差层油气资源的重要手段，但由于其注水管柱结构、工艺流程和受力情况相对复杂，使得井下轴向力、内外压和温度难以准确掌握。

为了验证注水管柱力学分析理论研究的准确性，设计了基于应变测试技术、水下无线短传和存储回放模式的井下注水管柱力学测试系统。

该系统可进行井下数据检测、提取和远距离数据通信，通过拉压力试验和水下无线短传试验得到测量值。

分析结果表明：测量值与实际值的相对误差均小于5%,从而验证了井下注水管柱力学测试系统满足设计要求。

研究成果对于指导施工管柱的设计以及分层注水工作参数的合理选择具有重要意义。

关键词：注水管柱；力学测试系统；拉压力；数据通信中图分类号：TE934文献标识码：A DOI：10.16082/ki.issn.1001-4578.2020.06.012Design of the Mechanical Test System for Downhole Water Injection StringJia Qingsheng1Zhang Futao1Ren Congkun1Wang Hanxiang2Wei Zhen2Jiang Hao2Liu Yanxin2(1.Petroleum,Engineering Technology Research Institute of Sinopec Shengli Oilfield Company;2.College of M echanical and Electronic Engineering,China University of Petroleum,{Huadong))Abstract:Separate layer water injection has become an important means of exploiting oil and gas resources in thin layers.However,due to the complicated water injection string structure,process flow and stress conditions,it is difficult to accurately understand the axial force,internal and external pressure and temperature of the downhole tool.To verify the accuracy of the theoretical study of the mechanical analysis of the water injection string,the mechanical test system for the downhole injection string is designed based on the strain testing technology,underwater wireless short transmission and storage playback mode.The system can perform downhole data detection,extraction and long-distance communication・The measured values are obtained through the tension and compression force inspection and underwater wireless short transmission test.The analysis result shows that the relative error between the measured value and the actual value is less than5%,thus verifying that the mechanical test system of the downhole water injection string meets the design Tequirements.The study is of great significance for guiding the design of injection string,the selection of separate layer water injection working parameters.Keywords:water injection string;mechanical test system；tension and compression force;data communication施。

海上油田同心边测边调分层注水管柱研究及应用

罗昌华程心平刘敏吉洋李孟超刘闯
（中海油能源发展股份有限公司）
摘要基于陆上油田偏心边测边调技术发展与应用现状，结合海上定向井大排量注水井特点，通过同心边测边调分层注水管柱工艺设计和同心测调仪器与同心测调工作筒的重新设计，形成了一
６０。）和单层注入量大（２００～６００ｍ／ｄ）的要求。
其次，海上现有的空心集成技术虽然能满足大
斜度投捞对接和大排量注水的要求，但投捞次数多，
入密封完成。与原来的偏心分层注水管柱类似，所
针对现有偏心分层注水技术工艺开发的，配水堵塞
１同心边测边调分层注水管柱研究
１．１整体管柱工艺的改进
海上油田注水井特点使得现有的偏心边测边调
器是在现有的＋２０ｍｍ堵塞器的水嘴结构上进行改进而成的，与现有ＫＰＸ一１１４工作筒配合使用；投捞调节工具是在现有偏心投捞工具的基础上增加了电机和电路板，与偏心一样需要侧向张臂对接。实践
可，两相邻边测边调工作筒问由插入密封隔开［６］。原则上，由于Ｎ的数值大小不受限制，因此与现有
＊中国海洋石油总公司研发项目“ 斜井同心测调工具研制（编号：Ｃ＼ＫＪＦＪＤＣＪＦ００７ — ２００９） ” 部分研究成果。第一作者简介：罗昌华，男，高级工程师，１９９１年毕业于原石油大学（华东）应用物理专业，目前从事采油工艺及配套工具研究工作。地址天津塘沽区渤海石油路６８８号采技服（邮编：３００４５２）。

长寿命分层注水管柱

辛17-21井油管的腐蚀情况
胜采3-3-6井3年油管及丝扣腐蚀照片
临盘的P1-46井油管内径变为井油管内径变为28mm。L13-24井下管柱临盘的井油管内径变为。井下管柱三年，起出管柱后在1000m以下有以下有300多个圆洞，最大多个圆洞，三年，起出管柱后在以下有多个圆洞孔径40mm。孔径。
注水层位空心配水器
封隔器
注水层位
空心配水器
循环凡尔筛管
丝堵
人工井底
2.油管和工具腐蚀结垢严重油管和工具腐蚀结垢严重
腐蚀
1. 普通油管、修复管抗腐蚀性能较普通油管、防腐涂料油管涂层脱落，差，防腐涂料油管涂层脱落，镍磷镀油管钳夹持处破损。磷镀油管钳夹持处破损。 2. 水质不达标、腐蚀严重。水质不达标、腐蚀严重。油管漏失、强度下降。油管漏失、强度下降。
3、封隔器方面、
40%
1.管柱结构不合理管柱结构不合理 2.封隔器结构和原理问题封隔器结构和原理问题 3.封隔器胶皮质量问题封隔器胶皮质量问题耐温性能、抗老化性能差
K344封隔器易层间串通； Y341封隔器洗井通道太小；上提解封封隔器易自动解封；下放解封封隔器解封不彻底。
配水器损坏
封隔器
管柱的支撑点：悬挂于井口，管柱的支撑点：悬挂于井口，没有锚定机构。定机构。注水井工作状态改变（注水、洗井、注水井工作状态改变（注水、洗井、关井等状态之间的相互转换）关井等状态之间的相互转换）往往会导致温度和压力变化，导致温度和压力变化，导致管柱伸长或缩短。或缩短。理论计算表明， 1000m（钢级N80）理论计算表明，每1000m（钢级N80） N80 油管温变20℃ 20℃时的伸缩量约有 27/8 油管温变20℃时的伸缩量约有 0.312m。 0.312m。

分层注水管柱技术分析

分层注水管柱技术分析崔江花【摘要】目前,江汉油田使用过的分层注水工艺管柱主要有油套保护分层注水管柱、锚定式分层注水管柱、高压注水管柱一和高压注水管柱二.这四种注水管柱在现场使用中常常会出现套管压力上升、油压波动大而套压波动小、油压套压同时波动大、起管柱困难和注入压力长期上升等问题.通过分析,注水压力、压力波动、层间压差、温度变化这4个因素是对注水管柱造成不利影响的主要因素.经研究,在注水层上部使用顶级封隔器的分层注水管柱,大多数情况下,压力变化所产生的总体作用力是向上的,即对管柱是上项力;分层注水管柱的受力是不平衡的,而且在各种效应的共同作用下,管柱一定会发生蠕动和变形,所以需要对管柱进行锚定,以保持管柱的总体受力平衡.【期刊名称】《江汉石油职工大学学报》【年(卷),期】2014(027)004【总页数】3页(P62-64)【关键词】分层注水管柱;注水压力;压力波动;层间压差;温度变化【作者】崔江花【作者单位】中国石化江汉油田分公司江汉采油厂,湖北潜江433123【正文语种】中文【中图分类】TE934+.1江汉油田自进入注水开发以来，其注水管柱主要使用的是偏心式井下分层注水工艺管柱。

该种工艺管柱在国内各油田使用量最大，配套工具最全，配套工艺最系统全面。

偏心式分层注水管柱一般由可反洗井的Y341型等封隔器、偏心配水器、底部循环凡尔（或球座）等组成，再配以钢丝投捞及测试工艺。

对于普通注水井，由于注入压力通常不是很高，且压力波动也比较小，因此管柱因温度和压力的变化所产生的螺旋弯曲效应、活塞效应、鼓胀效应等也都比较小，一般不会使管柱产生大的变形，所以对管柱和井下工具的要求不高，管柱的结构比较简单可靠，使用中问题少。

对于高温、高压注水井，管柱因温度和压力的变化所产生的螺旋弯曲效应、活塞效应、鼓胀效应都会使管柱变形，从而使封隔器发生位移，导致封隔器封隔失效，所以，必须对管柱进行锚定。

为了消除锚定后的管柱因上述效应引起的内应力，有时还需在管柱锚定位置的上方使用管柱补偿装置。

深井试油管柱力学分析及其应用

深井试油管柱力学分析及其应用
刘延鑫;王旱祥;侯乃贺;何建;郭建伟
【期刊名称】《钻采工艺》
【年(卷),期】2012(35)4
【摘要】针对深井管柱温度高、注液压力大,管柱受力复杂等特点,综合考虑井身结构、管柱组合、工况、施工顺序等因素,考虑封隔器的约束和温度、压力变化引起的温度效应、螺旋弯曲效应等四种效应对管柱受力、变形的影响,给出了试油井下管柱轴向受力、变形、应力计算方法,并结合油田现场实际对流体摩阻的计算方法进行了简化.根据理论分析开发了深井试油井下管柱力学分析软件,在管柱组合设计与强度校核、施工参数计算方面具有一定的指导意义,在胜利油田和大港油田已实际运用多次.
【总页数】3页(P71-73)
【作者】刘延鑫;王旱祥;侯乃贺;何建;郭建伟
【作者单位】中国石油大学机电工程学院·华东;中国石油大学机电工程学院·华东;中石化石油工程技术研究院;宝鸡石油机械有限公司广汉钻采设备厂;西南油气田公司输气管理处
【正文语种】中文
【中图分类】TE932+.2
【相关文献】
1.管柱力学分析在深井酸压施工中的应用
2.大庆油田高温深井试气井下管柱力学分析及应用
3.水平深井分段改造—试油—完井一体化管柱力学分析
4.深井压裂井下管柱力学分析及其应用
5.高温高压深井试油井下管柱力学分析及其应用
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不同注水情况下管柱受力分析与改进设计

简单、操作方便，具有承压高、密封性好的特点，可避免管脱和打捞等事故发生。锚定型管柱结构由Ｙ３４１
达到平衡，长度稳定。
在液压作用下，产生活塞和膨胀效应，由于套压
较小，管柱整体被压缩，增加压缩变形和螺旋弯髓变
形。同时，封隔器与套管的摩擦作用会减少管柱变
收稿日期：ＺＯ１２一ｌ１ —２５
不适应性主要表现在两个方面：一是随着注水
△Ｐ３一Ｐ井口＋０ｇｈ—Ｐ截－－Ｐｓｍ，作用面积Ｓ３＝丌
（１２４。一７３）／４，方向向上；
设受力方向向上为正，计算从注水初期一注水
稳定２种状况分析管柱受力。
２管柱受力分析
封隔器坐封，液压作用在各级胶筒上，Ｆ蠕动一
Ｆ１＋Ｆ２一Ｆ３，计算蠕动力：
开井初期管柱受力情况（ｋＮ）
注水压力（ＭＰａ）１８井深（ｍ）
．一
２０
９７８８
２２
不同注水压力产生的管柱变形量（ｍ）
设计支撑型和锚定型两种耐高压分层管柱，克
服不同注水状况下的管柱蠕动及变形，减少封隔器
胶筒的磨损，提高管柱使用寿命。支撑型管柱结构由
Ｙ１４１型封隔器＋调整短接组成，管柱下至人工井底，上下固定，减少管柱伸长及蠕动，具有管柱结构

分层注水工艺管柱应用及效果分析

为了提高注水开发效果，过不断的研究，通 “十五” 以来胜利油阳形成了适应不同油藏类型及井况条件的分层注水配套工艺技术，如铺定补偿式分层注水工艺技术、分层防砂、注水工艺技术等。这些注水［艺技术在应用中取得了较好的开发效果，田注水开发状况得到明显改善。但是由目前胜利油油田的大部分水井仍然以常规的分层注水技术应用为主，油瑚的整体分注：艺１：水平提高并不明显。因此，该有针对性地解决目前油田注水面临的实际问应题，采用集成配套的模式和思路进行整合应用，高油田的整体注水开发效提
应用技术
●Ｉ
分层注水工艺管柱应用及效果分析
朱明军
（利油现河采油厂山东东营胜２７６）５０８
［摘要］目前国内油田的分层注水工艺技术种类较多，文对胜利油田应用的多种注水工艺技术进行了分析，本对管柱的主要特点进行了分析，点分析了重不同管柱类型适宜应用的油藏类型。结合胜利油刚开展的水井专项治理治理工程，有针对性地对各项技术进行了集成配套应用。文章全面分析了各技术在水井专项治理中推广应用取得了效果，并提出了下步发展建议。［关键词］分层注水技术应用分析中图分类号：Ｑ２．Ｔ３０６文献标识码：Ａ文章编号：０９９４（００Ｏ３５Ｏ１０１Ｘ２，保证洗井畅通，并清除水质不合格引起的滤砂管堵塞：开式配水器和目分前应用工艺配套，可使用电磁流量计进行测试：柱设计为丢手结构，次作业管初不起出丢手管柱，工艺简单。 ②防反吐分层注水工艺管柱对于出砂较轻的水井，如果采用机械防砂技术完井，以采用常规分层注可水管柱＋防反吐工具的形式进行防砂。中，隔器可以采用扩张式封隔器，其封采用的防反吐工具主要包括防反吐井口单流阀、防反吐配水器、防反吐底球等配套工具。２应用及效果为提高水驱油效率，充分发挥注水在油田开发中的作用，２０年开始胜从０６利油田开始在全油田范围内开展水井专项治理工程，该项工程中，在通过技术集成、完善配套、严细管理等保障措施，行了这些分层注水工艺技术的应进用。过实施这些新技术，田的注水开发效果得到明显改善，通油形成了适用于不同类型油藏和井况的分层注水］艺技术系列，高了注水开发效果。：提

分层注水管柱技术分析及现场应用

分层注水管柱技术分析及现场应用摘要本文通过常规分注管柱技术现状调查与力学分析,针对分注管柱寿命短的问题,研究制定了几种完善分注技术的方案。

通过试验取得了一定的效果及认识。

关键词分层注水;锚定;悬挂式;注水井0 引言现河庄油田分层注水井多采用悬挂式管柱技术。

管柱主要由Y341封隔器和空心配水器以及底筛堵组成。

因未采取有效的防蠕动措施,在注水过程中封隔器短期密封失效的情况十分普遍。

2006年常规Y341悬挂式分层注水技术使用45井次,针对上部停注层或套管漏失井实施卡封分层27井次,有效率仅48%。

1 常规分注管柱技术分析及管柱配套模式的确定常规分注管柱力学分析:理论研究表明,注水管柱的蠕动距离主要与油管长度、注水压力等因素相关。

分层注水井层位一般在1 800~3 300m,注水压力在5~40MPa范围。

管柱结构以一级两段和两级三段为主。

结合现场分注井的具体情况进行了分类研究。

以一级两段分注井为例,就不同配注性质的注水管柱(封上注下、封下注上、两层均注)在座封过程、注水过程、测试过程中的受力状况及长度变化进行了计算。

计算的理论依据为:注水过程中温度、压力的变化会产生四种基本效应,即温度效应、活塞效应、螺旋弯曲效应及鼓胀效应。

对于封上注下的井,随着注水压力和管柱深度的增加,分注管柱受到的上顶力由22 134N增加到221 340N,管柱纵向缩短距离由0.30m增加到5.41m。

对于两层均注井注水过程中管柱基本不发生蠕动,当投球测试(或在线验封)时,封隔器管柱出现受力不平衡情况,管柱将伸长0.29~1.62m。

温度变化主要表现为温度降低,当温度下降范围在20~50℃时,油管缩短0.768~1.92m。

2 分层注水管柱技术的试验应用2.1 锚定补偿式管柱技术2.1.1 管柱结构及工作原理主要由补偿器、Y341封隔器、水力锚、水力卡瓦等组成,工作压力≤35MPa。

Y341高压注水封隔器为核心部件,其中补偿器、水力锚、支撑卡瓦3种工具组成了管柱的锚定补偿机构,可有效减少或消除温度、压力效应引起的管柱蠕动,改善封隔器的工作条件,延长分层卡封管柱的工作寿命。

分层注水管柱力学分析及工况诊断技术现状及发展

南Ｉ科技２１年第１工０２期
学术研讨
分层注水管柱力学分析及工况诊断技术现状及发展
张瑞金王卫阳
中国石油大学（东）石油工程学院华２６５山东青岛６５５
摘要目前，分层水井分注井层段合格率较低，管柱有效寿命较短，管柱的安全性和封隔器失效问题日益突出，现有的封隔器管柱受力分析方法没有充分考虑各种井下工具的综合作用。由于缺乏科学的管柱优化故障诊断方法，影响了生产效益的进一步提高本文介绍了分层注水管柱力学分析及工况诊断技术的现状及发展方向ｊ
１分层注水管柱力学分析研究现状眼中管柱的正弦和螺旋屈曲问题进行了数值分析。１９年，Ｍｉｈｌ９６ｔｅ１ｃ分析了流体流动引起的弯曲管柱上的作用力。１９年，Ｍｉａｉ９６ｓ和Ｑｕｋ首次提出了考虑管柱分别处于直线稳定状态、正弦屈曲状态及螺旋屈曲状态时，水平井及斜直井中管柱的正压力及轴力分布的计算ห้องสมุดไป่ตู้方法。
近几年，随着对管柱蠕动危害认识的提高，为适应油田开发状况发展的需要，提高注水效果，降低生产成本和延长管柱的工作寿命，各油田都开展了对管柱结构、锚定支撑技术和补偿技术、细分技术、斜井分注技术的研究。如中原油田大斜度井分层注水管柱、江汉的锚定式高压注水管柱、河南大厚层、大庆的两小一防、大港地面三段多管分注等等。国外的注入水水质处理技术较为先进，注入水基本上不堵塞地层．洗井解堵周期比较长，注水过程中没有不动管柱洗井的要求，因此．分层注水工艺相对简单，主要是分层注水完井工艺，不配套专门的井下流量测试技术，管柱寿命可达３以上。年在国外，对管柱力学研究有重大影响的有以下两位学者，一位是Ｌｂｎｋ，在１６年与Ａｔｕｅ０ａ一起率先对带封隔器管柱的螺ｕｉｉｓ９２ｌｏｓ和Ｌｇｎｈ旋弯曲进行了研究，研究了鼓胀效应、活塞效应、温度效应以及螺旋弯曲效应这四个基本效应所引起注水管柱轴向位移的计算以及轴向载荷的计算提出了 “ 虚构力 ”的概念，利用能量法导出了注水管柱并发生螺旋弯曲后的螺距与所承受等效轴向压缩力之问的关系以及管柱轴向位移的计算公式。另一位是Ｈｍｅｌｄ，１８年在Ｌｂｓｉ旋ａｍｒｎｌ９０ｉｕｉｋｎ螺弯曲理论基础上进一步研究了带封隔器多级组合管柱的受力、应力、位移以及作用于管柱上的液压力的作用效应和 “ 中性点 ”的计算问题。在三维井眼注水井力学分析方面，１９年ＹＣｅ等人利用能量９０．ｈｎ法导出了管柱在水平井中发生正弦及螺旋弯曲时临界载荷的计算公式并通过实验证实了注水管柱在水平井眼中确实存在三种不同的平衡状态。１９年，ＹＣｅ和ＳＡｒｎ９３ｈｎ．ｄａ讨论了管柱在斜直井中的屈曲问题，ｉ．并给出了考虑自重沿轴向的分量时斜直井中注水管柱临界螺旋屈曲载荷的计算公式。１９年，ＪＢＳｌｓ９４．．ａｅ对垂直井眼中的正弦屈曲临界载ｉ荷进行了实验研究。１９年，ＲＦＭｉｈｌ９５．．ｔｅ对垂直井中通过发生螺旋ｃｌ状屈曲管柱的直杆的拉力计算进行了论述。１９年，Ｋｌｎｓｄ１９５ｙｌｇｔ￣用ｉａ］力和力矩平衡方程导出了临界螺旋屈曲载荷计算公式。１９年，９５Ｗｕｕｋｍｗｌ和Ｊｖａ — ｏ等人井眼弯曲对管柱屈曲和自锁的影响等问题进行ｄ了理论和实验研究１９年，Ｈ．ｓｉａ９６Ｈｉｄ等人用有限元方法对垂直井ｈ

南堡油田大位移井注水管柱力学分析

南堡油田大位移井注水管柱力学分析注水管柱是实现分层注水的重要部分,是联系地面和地层的重要通道,良好的管柱结构和工具组合能为分层注水施工带来良好的效果,保证施工的安全性、可靠性与有效性。

而在作业过程中,注水管柱通常会受到管柱自身重、流体粘滞阻力、管柱内外流体压力、温度效应、井壁与管柱间的支反力和摩擦力、井内液体浮力等多种载荷的综合影响,不同工况条件下的摩阻、载荷、应力及变形,直接影响到管柱及井下工具的安全性和可靠性。

因此一直以来,注水管柱在井下的力学行为特征都是工程界和学术界的重要研究课题。

而在冀东南堡滩海油田的大位移井中,由于井身结构的复杂性,管柱在井下的受力状况更加复杂,因此不同工况条件下的受力条件和力学行为特征也更加复杂,从而导致作业过程中安全性和可靠性问题更为突出。

鉴于此,亟需在管柱力学的基础上,针对冀东南堡油田大位移井分注管柱管柱的工艺、管柱结构及井身结构特点,开展大位移井分层注水管柱管柱力学研究,分析分注管柱在不同工况条件下的的稳定性、摩阻、受力和变形等力学行为特征,并借助计算机仿真技术,编制相应的仿真计算软件,从而为现场提供一套全面有效的大位移井分层注水管柱力学行为管柱分析工具,指导现场管柱结构、工具组合、施工参数等方面的优化设计。

将石油工程、油气井工程、力学、数学和计算机等多学科相结合,在考虑各种井况及井身结构的前题下,针对不同井段的井眼曲率特征对管柱受力影响的差异,建立了注水管柱力学理论模型;首次采用超静定求解方法,建立了多封隔器工况下的注水管柱和井下工具受力计算模型；研制了注水管柱受力测试仪器,用现场实测数据对理论模型进行了验证：采用管柱力学模型分析了大位移井注水管柱各种工况下工况下的受力特征,分析了井斜角、方位角等因素对注水管柱受力的影响,得到了一些新的认识；并开发了大位移井分注管柱力学分析软件；为南堡滩海油田分注作业管柱设计优化提供理论指导和有效工具。

(1)在全面考虑实测井眼轨迹、摩擦力、粘滞摩阻、管柱自重、浮力、内外压力等因素对大位移井分层注水管柱受力的综合影响基础上,针对不同井段的井眼曲率特征对管柱受力影响的差异,建立了大位移井注水管柱的三维“刚杆”和“软绳”力学分析模型；根据大位移井分注管柱的受力特点,详细分析了管柱在井筒内的各种效应,建立了大位移井分注管柱变形计算模型,该模型更能体现大位移井内注水管柱的受力特征。

注水管柱蠕动机理分析及蠕动量计算

注水管柱蠕动机理分析及蠕动量计算
刘延鑫;苑得鑫;王旱祥
【期刊名称】《钻采工艺》
【年(卷),期】2016(039)003
【摘要】注水管柱在工作过程中可能会发生蠕动现象，影响了封隔器的使用寿命
和注水开发的效果。

对坐封后的封隔器进行受力分析，从力学角度探讨了注水管柱蠕动现象产生的机理，为合理设计注水管柱和防止蠕动现象的发生提供了理论依据。

以管柱力学分析为基础，提出了注水管柱蠕动量计算的方法，并进行了实例计算，研究成果对准确分析注水管柱力学性能、优化施工工艺参数、提高注水作业有效期有重要意义。

【总页数】4页(P50-52,73)
【作者】刘延鑫;苑得鑫;王旱祥
【作者单位】中国石油大学机电工程学院·华东;中国石油大学机电工程学院·华东;中国石油大学机电工程学院·华东
【正文语种】中文
【相关文献】
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引言
目前，油田现场广泛使用注水来补充和保持油层压力，而在注水过程中，由于压力、温度等参数的变化，特别是在高温、高压注水条件下，常常会引起管柱和封隔器受力的变化以及管柱的伸缩，这些变化容易造成管柱承受较大的应力，从而引起管柱失效或者封隔器解封失效，导致无法正常注水。因此，合理地计算注水管柱的受力，准确地掌握注水管柱的应力和轴向变形，可以保障注水管柱安全有效工作。目前，国内外学者在管柱力学分析方面做了大量工作，形成众多理论，如［12 ］［3 ］、纵横弯曲梁法、加权参数法、经典微分方程法［4 ］有限元法等。本文采用有限差分法的思想，建立注水管柱受力分析模型，开发注水管柱力学分析软件，以。方便计算分析及现场应用
* 20110106 收到初稿， 20110519 收到修改稿。国家重大专项课题（ 2011ZX0503804 ）和中国石油科技创新基金（ 2010D50060206 ）资助。＊＊刘延鑫（通信作者），1985 年 7 月生，山东莒县人，汉族。中国石油大学（华东）在读博士研究生，主要从事油气井管柱力学方面的研究。通信地址：山东省青岛市经济技术开发区长江西路 66 号中国石油大学（华东）机电工程学院博 10 级。
（ 1）
Ai 、 A o 分别为注水管柱内、其中，外截面面积（单位为 m2 ）， A c 为油套环空面积（单位为 m2 ）， ρi 、 ρ o 分别为注
3 H oc 为环空流水管柱内外液体的密度（单位为 kg / m ），体作用于单位长度套管上的黏滞摩阻（单位为 N / m ），
图1 Fig． 1
固定坐标系及自然坐标系
Fixed coordinate system and natural coordinate system
{
dF i = A i ρ i g k － δ 1 H i τB ds dF o Ao = － A o ρ o gk + δ2 （ H o + H oc ） τB ds Ac
图2 Fig． 2
管柱在三维井眼中的变形几何关系
String deformation in threedimensional borehole
g 为重力加速度（单位为 m / s2 ）。通过以上分析，可得如图 3 所示。到注水管柱受力模型图，
上。其中 r w 为井壁内径，r to 为注水管柱外径，r 为有效间隙，则 C 点相对 O 1 点的位置可由其偏离主法线 n
In order to solve the safety problems of injection string，threedimensional mechanical model was set up． With
energy method，load expressions of different steady states were calculated． Meanwhile，restriction of the packers and four effects including temperature effect，ballooning effect，axial force effect and helical buckling which were caused by the change of temperature and pressure are considered． On the basis of mechanical analysis，the strength of injection string was checked in order to judge its safety in different conditions． The mechanical software of injection string was developed in Visual Basic for field application． It is shown that the result can significantly help to choose string combination and select operation parameters． Key words Injection string； Mechanical model； Software development； Application Corresponding author： LIU YanXin，Email： liuyanxin1985@ yahoo． com． cn The project supported by the National Major Projects Subject （ No． 2011ZX0503804 ），and the Innovation Fund of China National Petroleum Corporation （ No． 2010D50060206 ）． Manuscript received 20110106 ，in revised form 20110519.
［5 ］1617 ［6 ］
[
]（ 2）(源自)830机
械
强
度
2012 年
lo 、 T o 分别为井眼的曲率与挠率； F τ 为注水管柱式中， F b 为注水管柱在 n B 、 bB 向的轴向力（单位为 N ）； F n 、 Mn 、 M b 为注水管柱在 τB 、的剪切力（单位为 N ）； M τ 、 nB 、 b B 方向的弯矩（单位为 N · m ）； F eτ 为等效轴向在位置为 s 处的表达式为 F eτ = F τ + P i （ s） A i －力， P o （ s） A o ，单位为 N； α、 φ 分别为井斜角、方位角（单位为 rad）； r 为井壁内径与注水管柱外径之差（单位为 m）； q e 为注水管柱在液体中的浮重（单位为 N）。将式（ 2 ）进行推导，可得管柱的屈曲方程 d4 θ d F eτ d θ － 2 dθ 4 + d s EI ds ds ds
1
1. 1
注水管柱力学分析
空间坐标系选择选取井口处井眼中心 O 为原点建立直角坐标系 Oxyz，如图 1 所示。x 轴指向正北，单位矢量为 i； y 轴
指向正东，单位矢量为 j； z 轴垂直向下，单位矢量为 k。（ τ， n， b）为自然坐标系， n、 b 分别是井眼轴线其中 τ、 s表切线方向、主法线方向和从法线方向的单位矢量，示弧长坐标，用于表示距井口某一位置管柱的长度。注水管柱轴线轨迹与井眼轴线轨迹一般是不重合的，严格来说是两条独立的空间曲线。如图 2 所示，取井眼轴线轨迹在 O1 点处的法平面 O1 nb 截管柱轴线于 C 点，假设管柱始终与井壁保持连续接触，那么，C 点必须在以 O1 点为圆心、r = r w － r to 为半径的圆环面
［5 ］1314 。的偏转角 θ 完全确定 1. 2 注水管柱力学分析模型的建立
在管柱 s 及 s + ds 之间截取管柱微元段，长度为 ds，上端点 B 处的井斜角和方位角为 α i 、 φi ，下端点 J 处的井斜角和方位角为 α i +1 、 φ i +1 ，通过分析可知注水管柱受力如下：（ 1 ）作用在注水管柱截面上的内力 ①作用在 s 处注水管柱截面上的内力 F （ s ）和内力矩 M（ s）。 ②作用在 s + d s 处注水管柱截面上的内力－ F（ s + ds）和内力矩－ M（ s + ds）。（ 2 ）作用于注水管柱微元体上的分布外力 ①单位长度管柱自重 Q = qk，单位为N / m。 ②井壁作用于单位长度管柱上的法向接触力 N = Ncos（ θ） n B － Nsin（ θ） b B ，单位为 N / m。 ③单位长度管柱内外流体流动黏滞摩阻力（ δ 1 H i + δ 2 H o ） τB ，单位为 N / m。 ④井壁作用于单位长度管柱上的库仑摩擦力 δ3 fNτB ，单位为 N / m。为作受力分析图方便，令 F λ （ s） = （ δ3 fN + δ1 H i + （ τB ， nB ， b B ）为在微元段 B 处建立的自 δ 2 H o ） τB ，其中，然坐标系； f 为注水管柱与井壁之间的库仑摩擦因数； Hi 、 H o 为管柱内、外流体作用于单位长度管柱上的黏 2， 3）； q 为滞摩阻； δ η 为符号函数（ δ η = ± 1 或 0 ， η = 1，管柱的线密度（单位为 kg / m）。（ 3 ）作用于注水管柱微元体内外侧壁上的流体压 P P o （ s）力 i （ s）、内压的等效作用相当于分别在 s 和 s + ds 截面处作用一向下分布的体积力（ dF i ）和一对轴向压缩载荷
摘要针对目前油田存在的注水管柱的安全问题，建立注水管柱力学分析数学模型，结合能量法求出注水管柱处于
王旱祥
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房
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不同稳定状态时所受载荷的表达式，同时考虑轴力效应、弯曲效应、温度效应、鼓胀效应等各种效应以及封隔器的约束对对注水管柱进行强度校核，判断其在不同工况下的安全性。为方注水管柱受力的影响。在注水管柱受力分析的基础上，开发注水管柱力学分析软件，对注水管柱管柱组合和施工参数选择有一定的指导意义。便计算分析及现场应用，关键词 Abstract 注水管柱力学模型软件开发应用中图分类号 TE357. 8
图3 Fig． 3 管柱三维受力分析图 Threedimensional force analysis of string
根据管柱的受力平衡， Σ F = 0， Σ M（ F） = 0 ，整理后可得如下公式 dFeτ ds － l o Fn = qe cos α + δ3 fN + δ2 Ho + Ao δ2 （ Ho + Hoc ） Ac dFn + l F － T F = Ncos － q sin α dα θ o eτ o b e ds l o ds dFb sin2 α dφ + To Fn = q e － Nsin θ l o ds ds dMτ － l o Mn = r Fn d（ sin θ） + Fb d（ cos θ） d s ds ds dMn d（ sin θ） + l o Mτ － To Mb = Fb － Feτ r d s ds dMb d（ cos θ） + To Mn = － Feτ r － Fn ds ds