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1、1水平井分段压裂管柱受力分析研究及应用水平井分段压裂管柱受力分析研究及应用（1中国石油大学（北京） ，北京昌平，102200；2北京雅丹科技开发有限公司，北京昌平，102200）摘摘 要要：本文针对水平井分段压裂工艺的技术特点，在常规压裂管柱力学分析模型的基础上，考虑了水平井分段压裂时各种工况下跨封段管柱的受力，完善了相关方法与模型，开发了水平井分段压裂管柱受力分析设计软件，解决了水平井分段压裂工艺施工中的管柱及工具的受力、变形、强度校核及安全评估等。关键词关键词：水平井 分段压裂 管柱受力分析 软件研制1 引言引言水平井分段压裂工艺技术主要解决压力下降快、砂体联通性差、单井产量低等油气井增产
2、问题。目前，国内外水平井分段压裂工艺技术主要有如下几种：限流压裂技术、双卡上提多段压裂技术、分段环空压裂技术、液体胶塞隔离分段压裂技术、机械桥塞隔离分段压裂技术、套管内连续油管水力喷砂压裂技术和裸眼分段压裂技术等1,2。近年来，水平井分段压裂工艺在我国各油气田的应用越来越多，然而相关的理论研究与软件工具却相对滞后，特别是水平井分段压裂管柱受力分析总体上还是沿用不分段压裂管柱的力学分析方法。本文针对这一问题，从水平井分段压裂工艺的技术特点出发，完善了相关的分析技术方法，开发了水平井分段压裂管柱受力分析设计软件，用于解决水平井分段压裂工艺施工中的管柱和工具的受力、变形以及安全等问题。2 软件相关理
3、论软件相关理论2.1 多封隔器管柱力学基本方程多封隔器管柱力学基本方程为了建立三维井眼中带多个封隔器管柱（两个以上封隔器）轴向载荷的力学模型，首先考虑井眼轨迹上任意两点之间的一个管柱单元，在空间上对管柱单元建立平衡方程 3如公式（1）所示。（1）.3, 2, 1)cos(sinsincosarccos(cos2/2sin2sin2cos2cos2cos12212121332121122212FpnFpFpFpqdlmmqdlFqdlnTTqdlnTTFDFMMFFFFdlqTTnpndpnnpndpnn式中：单元下端的拉力，；单元上端的拉力，；单元全角变化，；1TN2TNrad2总侧向力，；单
4、元下端的扭矩，；单元上端的扭矩，；nFN1MmmN2MmmN全平面上主法线上的侧向力，；副法线上的侧向力，；单元长度，m；ndpFNnpFNdl单元在液体中的浮重，；管柱外径，；分别为管柱下端、上端和单qmNDmm,21元微段平均井斜角，；分别为副法向和主法向矢量；封隔器跨radnm,FpnFpFpFp.3, 2, 1封段在各种封隔器作用下的受力，其中 n 为跨封段数量，等于封隔器数减一，起、下管柱工况时，跨封段按普通管柱处理，坐封、压裂工况根据具体的施工条件计算，作为管柱总体受力的边界条件。2.2 工况类型划分工况类型划分本文主要针对下管柱、坐封、压裂、起管柱等工况进行研究，其中下管柱与起管
5、柱的工况与常规不分段压裂的受力分析方法相同，坐封与压裂工况分别根据跨封段的受力分析进行相关的计算与校核。2.3 跨封段受力分析跨封段受力分析2.3.1 坐封时跨封段管柱的受力分析坐封时跨封段管柱的受力分析假设：（1）采用液压坐封封隔器；（2）水平井分段压裂采用液压封隔器同时坐封。坐封时水平跨封段管柱受力如图 1 所示，结合管柱力学基本方程，主要考虑如下受力分析与计算。（1）根据坐封压力计算油管端部压力，即右封隔器（下封隔器）处管柱的受力；（2）由于坐封时，管柱内压大于外压，需要计算鼓胀效应导致的长度变化，进而计算鼓胀效应产生的载荷；（3）坐封工况计算时可以不用考虑温度效应的影响；（4）计算坐封
6、过程中跨封段管柱所受合力与应力，进行安全系数的计算与校核。以上计算过程还可适用于地层被压开之前的受力分析。图图 1 跨封段管柱坐封时受力分析跨封段管柱坐封时受力分析2.3.2 注入液体压裂时跨封段管柱的受力分析注入液体压裂时跨封段管柱的受力分析结合管柱力学基本方程，对地层被压开以后压裂液注入过程的跨封段管柱进行受力分析，主要考虑如下受力分析与计算。（1）油管端部拉力：施工工程产生的高压通过滑套球座作用在管柱底端；（2）温度效应导致的受力：考虑压裂施工排量大的特点，水平井段的温度变化会显著下降，3在此过程会对管柱有明显的作用力；（3）鼓胀效应的相关计算与坐封工况相同；（4）计算压裂过程中跨封段管
7、柱所受最大合力以及相应应力；（5）计算管柱的各种安全系数（受拉、受压、压外、挤毁）以及封隔器的安全校核。本模块的计算可适用于各种形式的水平井分段压裂用的封隔器。图图 2 跨封段管柱压裂注液时受力分析跨封段管柱压裂注液时受力分析3 软件研发软件研发根据上文的模型，在课题组前期开发的井下管柱受力分析设计软件的基础上4,5，开发了水平井分段压裂管柱受力分析设计软件。该软件包括如下五个模块。（1）三维井眼描述模块。采油比较精确的空间曲线和圆柱螺线法描述三维井眼轨迹。（2）管柱设计绘图模块。包括套管结构的描述和油管柱与井下工具的结构图绘制。（3）流体温度压力计算模块。利用差值计算得出对应工况下全井段的流
8、体温度压力曲线。（4）管柱受力分析模块。计算出管柱随其自身轨迹的轴力、侧向力、摩擦力。（5）管柱变形分析模块。可以对管柱的压缩量，伸长量等进行辅助分析。（6）跨封段管柱受力分析。计算不同工况下各种效应对跨封段管柱受力大小的分析。（7）管柱总体的安全评估。评估现场施工管柱失效模式：脱扣、本体拉断、螺旋屈曲卡死、封隔器压差过大、工具失效等。 （8）管材以及工具数据库模块。常用的油管、套管、封隔器等技术数据的管理。4 软件算例分析软件算例分析选取东部某油田一口水平井进行试算，计算结果分析如下。4.1 封隔器坐封封隔器坐封管柱整体受力分析结果如图 3 所示，上部管柱变形分析结果如图 4 所示，跨封段管
9、柱受力分析结果如图 5 所示。综合分析图 3图 5 可以得出：坐封时跨封段受力比较小，相对比较安全。4图图 3 管柱整体受力管柱整体受力图图 4 管柱上部变形管柱上部变形图图 5 跨封段管柱受力分析跨封段管柱受力分析4.2 压裂注液压裂注液根据压裂过程中压裂液与地层的热交换规律，进行温度与压力分布计算的结果如图 6 所示，以最高压力注入时进行管柱受力计算的结果如图 7 所示，跨封段管柱受力分析结果如图 8 所示，从图8 中可得出在压裂注液时，滑套打开后跨封段管柱内外压力相等，鼓胀效应比较小。安全评估界面5如图 9 所示。综合图 6图 9 所示的计算结果，预计施工过程中封隔器的压差可能会超过一些
10、，建议适当提高环空背压，确保封隔器的安全。图图 6 压裂施工过程温度压力分布计算压裂施工过程温度压力分布计算图图 7 管柱整体受力管柱整体受力6图图 8 跨封段管柱受力分析跨封段管柱受力分析图图 9 安全评估安全评估5 结束语结束语水平井分段压裂管柱力学分析主要是在油气井管柱基本力学方程的基础上考虑跨封段管柱的受力特点进行建模。并在此基础上开发了水平井分段压裂管柱受力分析设计软件，该软件可用于解决水平井分段压裂管柱系统的受力与安全分析的相关问题。由于水平井分段压裂工艺以及相关的井下工具在不断地向前发展，因此相关的研究分析以及软件开发工作必须实时跟进，才能真正提高水平井分段压裂的经济效益。由于笔
11、者水平有限，文中不足与不妥之处，敬请广大读者批评指正。参考文献参考文献：1 马俯波等低渗透砂岩油藏水平裸眼井的多裂缝水力压裂技术J国外油田工程，2004，20（12）：13162 McDaniel B W，Willett R M廉抗利（译） 低渗透油气藏的增产技术没有水泥套管的水平完井J国外石油动态，2003，149（15）：14303 檀朝东等基于三维井眼轨迹的管柱受力分析研究J中国石油和化工，2009，2：575974 檀朝东等大位移水平井完井管柱力学分析J石油矿场机械，2008，37（2）：20245 张任良等井下管柱受力分析设计软件的研制及应用J中国石油和化工，2008，16：5456
