水力压裂回接管柱受力分析_荣准

或许所有的美国人都在受益于“水力压裂法”，尽管半数以上的人可能没有听说过这个名词。

在今时今日，美国各级政府、企业对页岩油产业的发展寄予了厚望。

美国页岩油资源极其丰富，在科罗拉多州、犹他州和怀俄明州，被锁在页岩之中的油存量达上万亿桶以上，而正是凭借“水力压裂法”，以前根本不可能企及的大量页岩油正在被开采。

这种技术方法，在测量时首先取一段基岩裸露的钻孔，用封隔器将上下两端密封起来；然后注入液体，加压直到孔壁破裂，随之记录压力随时间的变化，并用印模器或井下电视观测破裂方位。

根据记录的破裂压力、关泵压力和破裂方位，利用相应的公式算出原地应力的大小和方向。

该方法于20世纪50年代就被科学家在理论上进行论证，60年代加以完善，在分析了压裂液渗入的影响后，开始作出大量野外和室内实验工作。

由于水力压裂法操作简便，且无须水力压裂法知道岩石的弹性参量，而得到广泛应用。

由于页岩油在美国的战略资源地位和自身需求，美国已进行很多水力压裂法地应力测量，德国、日本和中国现在也已相继开展此项工作。

资料显示，目前利用此法已能在5000米深处进行测量。

[1]页岩气开发过程中所采用的水力压裂法要加入化学物质，在每次压裂完成后，要对水进行获取和重新利用。

水力压裂法向来存在争议，但是这种页岩气开采技术在争议中却得到迅速发展。

当越来越多水体污染案例同水力压裂法相关联时，美国众议院能源和商业委员会出手了。

2010年7月19日，能源和商业委员会主席亨利·韦克斯曼联手该机构下属的能源和环境小组组长爱德华·马基联名致信给美国10个主要页岩气开发商，要求它们提交水力压裂法应用全程中涉及到的化学物质细节。

8月6日，限期“交卷”。

这个要求出台的背景是，全球天然气需求旺盛，美国引领页岩气开发技术并努力让页岩气开采遍地开花。

/a4_50_59_01300000955595129844599646376_jpg.html?prd=zhengwenye_ left_neirong_tupian美国宾夕法尼亚州一页岩气开采现场取水处当前，美国页岩气开采的热门地点是纽约州和宾夕法尼亚州，这两个地方也是美国马塞卢斯页岩（Marcellus shale）的集中区域。

工程背景国外在20世纪80年代中期开始研究水平井压裂增产改造技术，最初是沿水平井段进行笼统压裂。

近年来随着非常规油气资源的大规模开发和水平井的大规模应用，水平井分段压裂技术得到充分发展，压裂段数和精度都得到显著提高，目前水平井分段压裂改造技术逐渐成熟。

近年来，国内也已经建立起比较完整的水平井分段压裂技术与井网优化设计方法，同时目前国内对水平井分段压裂工艺技术的研究和试验一直在不断地探索。

在分段压裂过程中，整个井下压力，温度变化较大，会引起油管的伸缩，膨胀等变化，如不进行合理的力学校核，势必导致封隔器油管柱受力和变形发生变化,从而进一步影响到油管的强度和封隔器的密封效果,在高温高压深井、超深井作业中,这样的矛盾尤为尖锐和突出，所以目前压裂过程中的管柱受力已经成为影响压裂施工成败的关键因素之一。

本文对简化后的回接压裂油管的受力变形进行了分析。

略去封隔器上端水力锚的影=0）、忽略粘滞摩阻力、忽略回接插头与回接筒的响、忽略油套环空压力的变化（▽po阻力。

一.回接的压裂油管基本效应的力学模型建立上图是水平井分段压裂管柱示意图，图中悬挂器以下是水平段压裂管柱，由已知可知上部回接插头插入回接筒后下压300kN，并且管柱坐挂在井口，依据以上条件来分析回接油管的受力和变形情况，给出回接油管在不同地面泵压下管柱的轴向力和轴向变形。

回接压裂油管力学模型的建立主要考虑因素及其分析方法如下：1. 活塞效应由于回插管外径和油管外径不同，所以在环空存在面积差，由油管柱内外压力的变化引起油管的伸长或缩短的这种现象叫做活塞效应。

如图1-a 所示（油管的内径等于密封管的外径），p o 为环空压力，p i 为油管压力，A o 、A i 各为油管内外径截面积，A p 为密封管的内腔截面积。

因此有：向上的力： )()('1p i i i o o A A p A A p F -+-=向下的力：)(''1p i i A A p F -=假设向下的力为正， 向上的力为负。

１ 钻孔周围应力分析
模拟， 单元力学参数如表 １ 所示 。
表１ｉ ｉ ｉ
称
取值
强
ｍ ｍ （ ） Ｍｐａ （ ）
强
Ｍｐ ａ （ ）
内
角 聚
１ ． ３
度
１ ． ４ ８
（ 。）
Ｍ ｐａ ｌ Ｏ ｋ （ ）（ ， ｄｍ ）
黄广 帅 ’ ， 李丙 广 ， 李 玉川 ２
（ １ ． 河南理工大学能源科学与工程学 院， 河南 焦作 ４ ５ ４ ０ ０ ０ ； ２ ． 平顶山天安煤业股份有限公司一矿 ， 河南 平顶 山 ４ ６ ７ ０ ０ ０ ）
摘 要： 井下水 力压 裂可有 效提 高储层 透 气性 ， 解 决低透 气性煤 层 瓦斯 抽放 难 问题 。 水力压 裂钻 孔起 裂位 置影 响 因素 较 多 ， 其中
第３ ３卷第 ３ 期
Ｖｏ １ － ３ ３ Ｎ ｏ ． ３
企 业 技 术 开 发
Ｔ Ｅ Ｃ ＨＮＯＬ ＯＧＩ Ｃ ＡＬ ＤＥ ＶＥ Ｌ ＯＰ ＭＥ ＮＴ ＯＦ ＥＮＴ ＥＲＰ ＲＩ Ｓ Ｅ
２ ０ １ ４年 １ 月
Ｊ ａ ｎ ． ２ ０１ ４
水 力压裂 钻 孔 起 裂 位 置 的 力 学分 析
ｍ＝ ０
ｏ
级上 ， 传统 的瓦斯抽采工艺瓦斯抽放半径小 ， 抽采率低下 ， 瓦斯超限频繁 ， 严重威胁煤矿 的生产安全。 低渗透率煤层 严重制约着瓦斯抽 放技术 的推广 。 因 此， 对于低渗透性煤层需要采取增透措施 ， 提高抽采效果。 水力压裂作为一项增产措施 ， 已经广泛用于油气领域并取 得显著的效果。 １ ９ ６ ５ 年由煤炭科学总院沈 阳研究院在全国 首次应用于煤层强化瓦斯抽放领域 。 井下水力压裂是将地 面水力压裂技术应用于井下 ， 通过 向钻孔 以大于储层滤失 的速率 向储层 中注入高压液体 ， 当液体压力达到钻孔最弱

三、主要公式
1. 应力计算公式 (1) 地应力 (2) 周向应力(3) 裂缝形成条件 2. 压裂液滤失系数 3. 裂缝尺寸计算(吉尔兹玛公式) 4. 压裂施工参数的确定
或支撑剂体积与压裂液体积之比。
5.平衡状态: 当液体的流速逐渐达到使颗粒处于悬浮状态的 能力时，颗粒处于停止沉降的状态。 6.平衡流速：
平衡时的流速，也即携带颗粒最小的流速。
二、基本理论与分析
1.压裂的定义、种类、原理与工艺过程 2.造缝条件（垂直缝、水平缝）
3.压裂液任务(前置液、携砂液、顶替液的作用)
裂缝几何参数计算模型二维pknkgd拟三维p3d和真三维模型麦克奎尔与西克拉垂直裂缝增产倍数曲线三主要公式1
第七章
水力压裂
一、名词解释
1.填砂裂缝的导流能力：
在油层条件下，填砂裂缝渗透率与裂缝宽度的乘积， 常用FRCD表示，导流能力也称为导流率。 2.裂缝内的砂浓度(裂缝内砂比)：是指单位体积裂缝内所 含支撑剂的质量。 3.裂缝闭合后的砂浓度(铺砂浓度)：指单位面积裂缝上所 铺的支撑剂质量。 4.地面砂比：单位体积混砂液中所含的支撑剂质量。
4.压裂液的性能要求 5.压裂液类型
6.压裂液的滤失性(受三种机理控制)
7.支撑剂的类型、性能要求
8.沉降型支撑剂在垂直缝高上的分布规律及随地面 排量的变化特征 9.影响支撑剂选择的倍数曲线
11.裂缝几何参数计算模型
二维(PKN、KGD)、拟三维(P3D)和真三维模型

压裂施工管柱摩阻计算苏权生摘 要：压裂施工管柱摩阻计算对压裂施工过程中压力波动判断和压后净压力拟合具有重要意义。

目前对压裂液在层流状态下的摩阻计算比较成熟，计算结果可信度高，但对压裂液在紊流状态下性质还未找出一定的规律，摩阻计算结果误差较大。

本文以降阻比法为基础进行压裂管柱摩阻计算，通过理论计算与现场实测数据进行对比分析，提高计算精度。

关键词： 管柱摩阻 紊流 降阻比 计算精度压裂管柱摩阻计算是压裂施工过程中压力变化判断的基础，是进行井底压力和裂缝净压力计算的关键。

在实际压裂设计中经常采用经验估计法对管柱摩阻进行粗略计算，往往不能准确地预测实际管柱摩阻。

本文以降阻比法为基础，分别对HPG 压裂液的前置液、携砂液沿程管柱摩阻进行理论计算，并结合胜利油田现场施工井的实际数据进行对比分析，对影响管柱摩阻计算的影响因素进行修正，提高理论计算和现场施工数据的一致性，形成适合胜利油田压裂施工管柱摩阻计算的相关计算程序。

1、降阻比管柱摩阻计算Lord 和MC Gowen 等人在前人研究的基础上提出了HPG 压裂液前置液，携砂液摩阻计算的新方法，称为降阻比法，其基本原理是在相同条件（如排量、管径、管长相同）下，压裂液摩阻与清水摩阻之比称为降阻比，用公式表示为:wf p f P P )()(∆∆=δ (1)式中：p f P )(∆：压裂液摩阻，Mpa ；w f P )(∆：清水摩阻，Mpa ；δ：降阻比系数,无单位。

1.1 清水摩阻计算从公式（1）可以看出，降阻比法要首先计算清水摩阻，且其值的准确性对压裂液摩阻计算有较大的影响，水力学中伯拉休斯清水摩阻计算式:L Q D P ***10*779.775.175.461--=∆ (2)式中： 1P ∆：清水摩阻，Mpa ； D ：管柱内径，m ； Q ：施工排量m 3/s ； L: 管柱长度，m ；用车古201井数据进行清水摩阻验证，车古201井酸化施工管柱为Φ73mm 光油管，下深4505m ，施工前用20m 3清水正洗井降温，排量1.5m 3/min ，测得沿程管路摩阻为31Mpa ，用公式(2)计算管柱摩阻值为30Mpa ，计算值与实际值误差3.2%。

原地应力：重力应力 构造应力
孔隙流体压力
热应力 。
(1) 重力应力（上覆压力）
z 10
6

H
0
r (h) gdh
其中：r(h) 为上覆岩层密度，由密度测 井曲线获得。 有效垂向应力为
z z ps
为Boit孔隙弹性常数。
研究对象：地层中任意单元体。
由广义虎克定律计算总应变
（1） 矿场测量
— 水力压裂法(Page 245 ) — 井眼椭圆法（井壁崩落法） （2）岩心分析（实验室） —滞弹性应变恢复 （ASR） —微差应变分析 （DSCA） （3） 测井解释 （4） 有限元计算
第二节
压裂液
ห้องสมุดไป่ตู้
压裂液及其性能要求 压裂液添加剂 压裂液的流动性 压裂液的滤失性 压裂液对储层的伤害 压裂液选择
特点：与温度变化、岩石力学性质有关 产生环境：火烧油层、注蒸汽开采、注水
2 人工裂缝方位
原理：裂缝面垂直于最小主应力方向 当z最小时，形成水平裂缝； 当Y或x>z，形成垂直裂缝。
z
y y
x
x
显裂缝地层很难出现人工裂缝。 微裂缝地层 —垂直于最小主应力方向； —基本上沿微裂缝方向发展，把微裂缝串成显裂缝
构造运动的边界影响使其在传播过程
中逐渐衰减。
• 断层和裂缝发育区 — 正断层，水平应力x可能只 有垂向应力z的1/3。 — 逆断层或褶皱带的水平应力 可大到 z的3倍。
正断层
右旋走向滑动断层
逆断层
(3) 热应力 原因：地层温度变化引起的内应力增量。 计算方法
T ET x y 1
1 2 z Pi ( Pi Ps ) 1 1 2 v z ( Pi Ps ) t 1

1 Cr
Cb
4.井壁上的最小总周向应力
在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力 应为地应力、井筒内压及液体渗滤所引起的
周向应力 之 和3 ：y x . P i P i P s1 1 2 25
二、造缝条件
（一）形成垂直裂缝的条件
当井壁上存在的周向应力超过井壁岩 石的水平方向的抗拉强度时，岩石将在 垂直于水平应力的方向上产生脆性破裂， 即在与周向应力相垂直的方向上产生垂 直裂缝。造缝条件为：
th
.
26
1）当有滤失时：
x x ps x x ps
y y ps y y ps
当产生裂 缝时，井 筒内注入 流体的压 力等于地 层的破裂 压力：
pi pi
3 y x P i P i P s1 1 2
3 y x(p ip s) 2 1 1 2
h t
PF
.
PS
伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭
合在支撑剂上，从而在井底附近
地层内形成具有一定几何尺寸和
导流能力的填砂裂缝，使井达到
增产增注目的工艺措施。 .
2
压裂材料
压
支
裂
撑
液
剂
.
3
水力压裂的工艺过程：
憋压 造逢
裂缝延伸 充填支撑剂
裂缝闭合
压力/砂比/(MPa/%) 排量/(方/分)
80
4
70
3.5
60
3
50
2.5
1.裂缝形成条件
2.裂缝形态(垂直、水平缝)
3.裂缝方位
造缝条件及裂缝形态、方位等与井底附近地
层的地应力及其分布、岩石的力学性质、压裂
液的渗滤性质及注入方式. 有密切关系。

第四章 水力压裂技术水力压裂是利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中， 在井底憋起高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层 产生裂缝。

继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在 支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，使井达到 增产增注的目的。

水力压裂增产增注的原理主要是降低了井底附近地层中流体的渗流阻力和改变了流体的渗流状态，使原来的径向流动改变为油层流向裂缝近似性的单向流动和裂缝与井筒间的单向流 动，消除了径向节流损失，大大降低了能量消耗。

因而油气井产量或注水井注入量就会大幅 度提高。

第一节 造缝机理在水力压裂中，了解裂缝形成条件、裂缝的形态和方位等，对有效地发挥压裂在增产、 增注中的作用都是很重要的。

在区块整体压裂改造和单井压裂设计中，了解裂缝的方位对确 定合理的井网方向和裂缝几何参数尤为重要，这是因为有利的裂缝方位和几何参数不仅可以 提高开采速度，而且还可以提高最终采收率。

造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层的地应力及其分布、岩石的力学性质、压 裂液的渗滤性质及注入方式有密切关系。

图4一l 是压裂施工过程中井底压力随时间的变化曲 线。

P F 是地层破裂压力，P E 是裂缝延伸压力，P S 是地层压力。

图4一l 压裂过程井底压力变化曲线a — 致密岩石;b —微缝高渗岩石 在致密地层内，当井底压力达到破裂压力P F 后，地层发生破裂(图4—1中的a 点)，然后在较低的延伸压力P E 下，裂缝向前延伸。

对高渗或微裂缝发育地层，压裂过程中无明 显的破裂显示，破裂压力与延伸压力相近(图4—1中的b 点)。

一、油井应力状况一般情况下，地层中的岩石处于压应力状态，作用在地下岩石某单元体上的应力为垂向 主应力σZ 和水平主应力σH (σH 又可分为两个相互垂直的主应力σx ，σY )。

2.地层压力（孔隙压力）
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
一般地层岩石含 有孔隙，孔隙中 含有流体，流体 承受的压力称为 孔隙压力。（石 油工程中称为地 层压力） 在油气藏开发过 程中，孔隙压力 是变化的。
中国石油勘探开发研究院廊坊分院
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
3.有效应力
' Pp
pb
3 2
1 2p T 2(1 )
(1 2 ) 2(1 )
岩石力学性质及其对压裂工 程的影响
σ2：水平最小主应力 σ1：水平最大主应力 Pp ：地层压力 γ：泊松比 T：岩石抗张强度
13
二、岩石力学
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③ 有效应力：作用在岩石骨架（颗粒）上的力。 ④ 地层破裂压力 ⑤ 裂缝闭合压力（闭合应力）：开始张开一条已存在的 裂缝所需流体压力。 ⑥ 裂缝延伸压力
⑦ 瞬时停泵压力 ⑧ 净压力 ⑨ 摩擦力：井筒摩阻，孔眼摩阻，裂缝内摩阻。
14
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σ’ ：有效应力，作用在岩石骨架（颗粒）上的力 σ ：地应力（总应力） Pp :孔隙压力（地层压力）
' Pp
α:孔隙弹性系数，表征油勘探开发研究院廊坊分院
4.地层破裂压力 使地层产生张性裂缝的压力 如果不考虑液体滤失
Pb 32 1 P T
如果考虑液体滤失
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❖1 基本概念
① 应力：作用在单位面积上的力，当面积无限趋于 零时的极限，成为作用在某点的应力，应力单位是 N/㎡，简称为Pa（帕）。
z
y x
σzz
σyy σxx
11
二、岩石力学
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KC f φ −3 C ΙΙ = 4 . 3 × 10 ∆ P µ f

1/ 2
Cf—油藏综合压缩系数
图6-3 滤失后 地层中 压力分 布示意 图
压缩并使油藏流 体流动的压差 使压裂液滤失于 储层内的压差 裂缝壁面滤 饼的压力差
（三）具有造壁性压裂液滤失系数CⅢ
具有固相颗粒及添加有防滤失剂的压裂液，滤失速度受造壁性控制
三、压裂液流变性
(一)各类压裂液的流变曲线 1.牛顿压裂液(A曲线) . 压裂液( 曲线)
Cr α = 1− Cb
在地层破裂前，井壁上的最小总周向应力应为地应 地应 力、井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力之和： 井筒内压及液体渗滤所引起的周向应力
1 − 2ν σ θ = (3σ y − σ x ) − Pi + (Pi − Ps )α 1 −ν
二、造缝条件
（一）形成垂直裂缝的条件 当井壁上存在的周向应力达到井壁岩石的水平方向的抗 水平方向的抗 垂直于水平应力的方向上产生脆性破裂， 拉强度时，岩石将在垂直于水平应力 拉强度 垂直于水平应力 即在与周向应力相垂直的方向上产生垂直裂缝。 造缝条件为：
3.压裂液径向渗入地层所引的井壁应力 3.压裂液径向渗入地层所引的井壁应力 由于注入井中的高压液体在地层破裂前，渗入井筒 周围地层中，形成了另外一个应力区，它的作用是增大 了井壁周围岩石中的应力。 增加的周向应力值为：
1 − 2ν σ θ = (Pi − Ps )α 1 −ν
4.井壁上的最小总周向应力
滤失系数CⅢ是由实验方法测定
加压口
滤 失 量 ml
α
V sp
tg α = m
筛座 （含滤纸或岩心片） 出液口 图6-4 静滤失仪示意图

2008 年 第 37 卷 石 油 矿 场 机 械 第 8 期 第 28 页 OIL FIELD EQUIPMENT 2008 , 37( 8): 28 ～ 33 文章编号 : 1001 -3482( 2008 ) 08 -0024 -06
图 2 Y221 型封隔器坐封及锚定示意 1. 1. 3 坐封锚定时
施工过程中 , 井下管柱所受载荷主要由管串的自重 引起 , 同时由于工作液的注入导致油管和环空内温 度、 压力变化 , 会产生下列引起封隔器管柱受力和长 度变化的 4 种基本效应 : a) 活塞效应 由油管内 、外压力作用在管柱 直径变化处和密封管的端面上引起 。 b) 螺旋弯曲效应 由压力作用在密封管端面 和管柱内壁面上引起 。 c) 鼓胀效应 由压力作用在管柱的内 、外壁 面上引起 。 d) 温度效应 由管柱的平均温度变化引起 。 在受力分析过程中 , 把重点放在引起管柱受力 和长度变化的压力 、温度的变化上 , 而不是压力 、温 度最初值 。 所以 , 计算时 , 应从封隔器最初坐封的条 件开始 , 继而研究施工中条件的变化 , 而坐封前的管 柱自重伸长 , 下井时管柱随井温引起的长度变化 , 则 不在考虑之列 。 同时 , 由于高压流体的泵注 , 封隔器管柱要承受 内压 、 外压 、粘滞摩阻力等 ; 如果管柱发生屈曲变形 , 与套管有接触点 , 管柱还要承受套管支承反力 、弯矩 等 。 此外 , 坐封载荷依然存在 。
1. 1. 2 坐封锚 定前
压裂管柱坐封锚定前为一悬链形式 , 整个管柱 主要受自重 、 浮力的影响 , 其最大应力发生在井口 , 因此需对 井口 的 油管 和 螺纹 进 行受 力 分 析和 校 核[ 3] 。 首先计算管柱自重和浮力引起的合力 — — —浮 重 , 浮重引起的井口轴向力大小为 Fg = γ 1 - dx ∫ ρ来自ρ m( 1)

卸载时轴向力分析
Ft
Ff
Ff
W
Fb
由静力平衡知：Fb Ft Ff W
卸载时轴向力分析
F区：本段的特点是，在相当长的一段卸 载过程中，管柱上下端轴向力基本相等。 这段对应管柱从完全贴向井壁的螺旋屈曲 慢慢变直，并趋向离开井壁过程。此段摩 擦力正好等于自重，两端的轴向力等于管 柱的弹性恢复力。
加载时轴向力分析
B区：在A、B两区的交界附近，管柱上下 端轴向力都有明显的下降现象，这是从平 面弯曲向空间弯曲转变的重要标志。在变 形形状改变时（由平面屈曲到螺旋屈曲）， 管柱发生瞬时跳跃，积累的变形能重新分 布，致使轴向力下降。
加载时轴向力分析
变为空间屈曲后，管柱在弹 性力作用下，仍然具有承载能力，所以整 段管柱并没有直接贴向井壁，而是处于悬 垂状态，偶尔有个别点接触井壁，接触力 也比较小，因此在B区管柱上下两端的轴 向力仍然基本平行，其高度差为管柱自重。 图中显示这一段轴向力上升幅度很小，位 移变化量比较大。
测试管柱分析
为了保证测试的安全性，在测试前，必须 对测试管柱进行强度校核和变形分析，得 出整个系统的综合安全系数，从而可以更 好的指导我们进行测试作业，确保整个测 试过程的安全性。
测试管柱力学分析
引言 垂直井眼中管柱的稳定性和螺旋弯曲分析 测试管柱静力学分析 测试管柱动力学分析
引言
油井管柱是油井试油作业的主要承载和动力 传递构件。在作业或生产过程中，管柱要承受内 压、外压、井底钻压、自重、粘滞摩阻、库仑摩 擦力、井壁支反力、活塞力等多种外载的联合作 用。在这些外力的联合作用下，管柱有可能发生 正弦或螺旋失稳弯曲；并进而使管柱与井壁之间 的法向正压力以及库仑摩擦力急剧增加，严重时 可能发生自锁。特别是在水平井、定向井中，摩

水压力下管柱沉降的计算分析研究一、介绍在海上油田钻井作业中，为了保证钻井安全，钻井船需要不断加强稳定性，这就需要对管柱沉降进行计算分析研究。

本文将对水压力下管柱沉降的计算分析研究进行探讨。

二、管柱沉降的定义管柱沉降是指在钻井过程中，受到水压力作用后，使得管柱自身产生弯曲形变，从而导致管柱某一点高度差的现象。

三、水压力对管柱沉降的影响1. 悬重力和浮力的作用：在水压力作用下，当管柱深入海底时，管柱受到两个相互作用的力：悬重力和浮力。

悬重力是由于管柱自重，在深入海底的过程中不断增加，而浮力则是由于水的浮力作用，随着管柱深入海底而逐渐减小。

2. 管柱的自重：在水压力作用下，管柱的自重会对管柱的弯曲形变产生影响，从而影响管柱沉降的大小。

3. 管柱的材料：不同材料的管柱，由于其刚度的差异，也会影响管柱沉降的大小。

四、水压力下管柱沉降的计算分析方法1. 基本假设：为了进行计算分析，首先需要进行基本假设，如管柱只在纵向方向产生弯曲；管柱的截面形状是圆形等。

2. 管柱受力分析：当管柱受到水压力的作用时，力的平衡条件为浮力等于管柱单位长度的重量。

将管柱分为微小段，进行相应的受力分析，确定管柱的曲率和挠度。

3. 管柱沉降计算：根据管柱受到的水压力大小、管柱自身的材料、截面积，以及管道的长度等因素，进行沉降计算。

4. 实际效果验证：进行计算得出的结果，需要进行实验验证，以确定计算分析的准确性。

五、结论钻井过程中需要对管柱沉降进行预估和分析，在实际油井作业中，以指导海上设备的实际安装。

需要根据水压力的大小、管柱的材料、长度等因素进行计算分析，并进行相应的实验验证，以保证分析结果的准确性。

233吴起油田地处鄂尔多斯盆地陕北斜坡（伊陕斜坡），目前生产层位主要为侏罗系延安组和三叠系延长组，属“低压、低渗透、低空隙”油藏，尤其是三叠系下组合油藏储层物性较差，在油水井投产、措施改造必须采用水力压裂工艺措施，油田压裂工艺为油田稳产提高采收率做出了突出贡献。

但在压裂施工作业中经常会遇到很多问题，现对油田压裂施工中常见问题进行分析及处理措施。

1 储层压不开原因分析（1）地质因素：因地层物性较差，目的层无注入量或注入量较低达不到设计要求。

处理措施：在安全压裂施工范围内，井下管柱或地面设备不超压的情况下进行瞬间多次起停泵憋压压开地层、或挤酸预处理再进行压裂。

（2）井下压裂管柱、工具因素：①压裂封隔器下入位置与设计不符或压裂工具组配错误；②压裂管柱不通；处理措施：封隔器位置错误可以现场调整隔器位置后在进行压裂，如组配错误则起出后重新按设及进行下入，或大排量反洗出油管中堵塞物后在进行压裂。

（3）井身因素：①射孔炮眼污染严重（主要为钻井泥浆污染）；②射孔质量问题；③旧井结蜡结垢严重炮眼被堵；处理措施：对于射孔炮眼污染严重压开目的层后地层吸入量较低可以先进行挤酸预处理，因射孔质量问题可以重新进行射孔后在进行压裂，对于旧井压裂改造前先进行套管刮削洗井后在进行压裂见图1。

图1 压裂施工曲线2 封隔器不座封原因分析（1）封隔器损坏：固井后套管壁有水泥块或在下压裂管柱速度过快。

处理措施：在压裂措施作业前先进行套管刮削控制下钻速度。

（2）封隔器上部管柱有裂缝或穿孔：使用旧井油管压裂时因油管磨损腐蚀被损坏。

处理措施：利用旧油管压裂时先进行清蜡对油管试压、检查油管丝扣是否完好。

（3）下入喷砂器或直咀直径不符合设计要求：修井技术员未按设计选取合适的喷砂器或直咀。

处理措施：现场排查无其他原因后起出原压裂管柱检查直咀及封隔器是否完好，重新下入进行压裂。

3 压窜的原因分析（1）层间窜：同时射开两层，上下夹层比较薄，压裂时易窜层；处理措施：下入三封或选择两层合压。

第四章 水力压裂技术水力压裂是利用地面高压泵组，将高粘液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中， 在井底憋起高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在井底附近地层 产生裂缝。

继续注入带有支撑剂的携砂液，裂缝向前延伸并填以支撑剂，关井后裂缝闭合在 支撑剂上，从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和导流能力的填砂裂缝，使井达到 增产增注的目的。

水力压裂增产增注的原理主要是降低了井底附近地层中流体的渗流阻力和改变了流体的渗流状态，使原来的径向流动改变为油层流向裂缝近似性的单向流动和裂缝与井筒间的单向流 动，消除了径向节流损失，大大降低了能量消耗。

因而油气井产量或注水井注入量就会大幅 度提高。

第一节 造缝机理在水力压裂中，了解裂缝形成条件、裂缝的形态和方位等，对有效地发挥压裂在增产、 增注中的作用都是很重要的。

在区块整体压裂改造和单井压裂设计中，了解裂缝的方位对确 定合理的井网方向和裂缝几何参数尤为重要，这是因为有利的裂缝方位和几何参数不仅可以 提高开采速度，而且还可以提高最终采收率。

造缝条件及裂缝的形态、方位等与井底附近地层的地应力及其分布、岩石的力学性质、压 裂液的渗滤性质及注入方式有密切关系。

图4一l 是压裂施工过程中井底压力随时间的变化曲 线。

P F 是地层破裂压力，P E 是裂缝延伸压力，P S 是地层压力。

图4一l 压裂过程井底压力变化曲线a — 致密岩石;b —微缝高渗岩石 在致密地层内，当井底压力达到破裂压力P F 后，地层发生破裂(图4—1中的a 点)，然后在较低的延伸压力P E 下，裂缝向前延伸。

对高渗或微裂缝发育地层，压裂过程中无明 显的破裂显示，破裂压力与延伸压力相近(图4—1中的b 点)。

一、油井应力状况一般情况下，地层中的岩石处于压应力状态，作用在地下岩石某单元体上的应力为垂向 主应力σZ 和水平主应力σH (σH 又可分为两个相互垂直的主应力σx ，σY )。

浅谈压裂施工中常见问题及处理方法作者：刘文来源：《活力》2010年第08期[摘要]压裂工艺是油层改造的一项重要技术措施,为油田高产稳产做出了突出贡献。

但随着外围油田及低渗透油层的开发,压裂施工难度不断增大,本文从五个方面对压裂施工中常见问题进行分析,并提出处理及预防措施。

[关键词]压裂工艺;砂堵;沉砂水力压裂是油气井增产、注水井增注的一项重要技术措施,不仅广泛应用于低渗透油气藏,而且在中高渗透油气藏的增产改造中也取得了很好的效果。

它是利用地面高压泵组,将高黏液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中,在井底憋起高压,当此压力大于井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度时,便在井底附近地层产生裂缝;继续注入带有支撑剂的携砂液,裂缝向前伸展并填以支撑剂,关井后裂缝闭合在支撑剂上,从而在井底附近地层内形成具有一定几何尺寸和高导流能力的填砂裂缝,使井达到增产增注目的。

一、地层压不开的原因分析(一)地质因素地层可能由致密的碳酸盐岩石组成,地层物性较差,吸液困难,在地面设备及井下工具所承受的压力范围内无法把地层压开,形成裂缝。

处理方法:先对地层施行酸化处理,起到软化地层的作用,再进行压裂施工。

(二)管柱因素1.喷砂器被砂埋:压裂施工中替挤量不足,导致喷砂器堵塞,造成上提管柱后第二层压裂施工地层压不开。

2.下井压裂管柱有误:由于施工队下管柱时疏忽大意,将卡距卡在了未射开的井段上,造成压不开。

(三)射孔因素射孔质量问题:射孔枪身未达标,或射孔发射率未达到100%。

处理方法:射孔质量员严格监督射孔质量,保证射孔发射率达到100%。

二、压窜的原因分析1.压裂过程中地层窜槽引起的套喷。

2.压裂过程中由于封隔器损坏引起的套喷。

3.压裂过程中由于油管倒扣脱落、断裂引起的套喷。

三、砂堵的原因分析(一)压裂液性能1.压裂液滤失量过大,会大幅度降低前置液在裂缝中利用效率,使裂缝尺寸几何达不到设计的规模。

加砂过程中,压裂液粘度突然变低,导致携砂能力变差也是发生砂堵的主要原因。

第12卷第2期重庆科技学院学报（自然科学版）2010年4月收稿日期：2009-09-06作者简介：孙翠容（1982-），女，四川遂宁人，西南石油大学石油工程学院在读硕士研究生，研究方向为油气藏开发工程。

闭合压力是指已存在裂缝张开的最小缝内流体作用在裂缝面的平均压力［1］。

它有别于地层最小主应力，但是又与最小主应力有关。

在均质、单层内进行压裂时，闭合压力就等于压裂层的最小主应力。

当裂缝穿过无论在横向或纵向非均质的多层时，由于各层及其内部的最小主应力不同，作用于裂缝高度剖面上的应力也不相同，这时裂缝的闭合应力就是穿过各层的最小主应力的平均应力；因此，闭合应力是裂缝（在无支撑剂条件下）自由闭合的整体特性参数。

在此介绍几种闭合压力的矿场测试确定方法。

1矿场测试方法1.1阶梯注入测试首先以阶梯变化的方式注入足够排量的液体以造成一条裂缝，紧接着以恒定的速率返排，返排率用油嘴、调节阀或速率控制器控制［1，2］。

阶梯注入测试中，各个注入阶段的持续时间应该相等而且可以相对较短，如图1所示。

在整个连续注液阶段中，注液增量应该大致相同。

当阶梯注入测试作为回流或递减测试的一部分时，最后的泵注阶段持续的时间应该较长（通常为5～10min ），从而确保形成尺寸足够的裂缝。

最后根据各泵入阶段末期的井底压力与注入速率的交汇曲线推断出裂缝闭合压力和延伸压力。

1.2回流测试回流测试与阶梯注入测试相结合可以很好地确定闭合压力（见图2）［1,2］。

回流测试是指以恒定速率回流一段时间，该速率为最后注入速率的1/6～1/4。

由于阶梯注入结束时裂缝已经形成，回流期间裂缝正在闭合及闭合后的压力响应呈两条明显不同的剖面。

闭合压力正是由表示这两个阶段的两条直线（或两条曲线的切线）的交点来确定。

该测试方法的关键在于，压力下降期间保持稳定的回流速度。

所以，需要有一个现场流量调节器测量并控制回流速度。

1.3平衡试验法用于确定裂缝闭合压力的新型平衡试验是一种与常规泵注/关井/压力递减试验方法类似的泵注试验［3,4］。