深井压裂井下管柱载荷与轴向变形研究

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1、第10卷第1O期2010年4月科学技术与工程Vo1．10No．10Apr．20101671—1815(2010)10-2284-07ScienceTechnologyandEngineering@2010Sci．Tech,Engng．石油技术深井压裂井下管柱载荷与轴向变形研究毕博朱卫新白晶(中国石油集团海洋工程有限公司，北京100176)摘要根据深井高温高压条件下的压裂施工过程，综合考虑井身轨迹、管柱和井下工具结构，建立压裂管柱综合力学模型；研究深井压裂管柱在自重、内压、外压、各种效应力、粘滞摩阻力、套管支承反力、弯矩和锚定、坐封压力等多种载荷联合作用下的变形，并进行强度分析和校核。给出了

2、一套实用的压裂管柱力学计算步骤、方法与公式，为准确地掌握压裂过程中管柱的受力及变化规律提供理论依据，从而优化管柱组合与施工参数，提高作业效果和成功率。关键词压裂管柱高温高压力学分析轴向变形中图法分类号TE245；文献标志码A压裂过程中，井下管柱要承受自重、内压、外此带来的活塞效应的增大使得管柱轴向效应增强，压、各种效应力、粘滞摩阻力、套管支承反力、弯矩施工风险增大。和锚定、坐封力等多种载荷的联合作用。施工泵(3)施工参数受限，为保证压裂效果提高施工压、排量、流体性质的改变，将直接引起管柱内、外排量(2—6m。／min)和砂液比的同时，管路摩阻增温度和压力变化，势必导致封隔器油管柱受力和变加

3、、鼓胀效应增强、砂卡事故几率增加。形发生变化，从而进一步影响到油管的强度和封隔(4)施工风险大、成本高，尤其是海上油田的施器的密封效果，在高温高压深井、超深井作业中，这工，安全至关重要。样的矛盾尤为尖锐和突出】]。所以，压裂过程中的在高温高压深井的压裂施工过程中，会出现如管柱受力已经成为影响压裂施工成败的关键因素下问题：之一。(1)封隔器胶筒与密封盘根等橡胶件出现高温软化、强度降低等现象，导致封隔器密封性能下降。1深井压裂及井下管柱特点简析(2)管柱和套管之间产生较大的接触支反力和摩擦阻力，有可能导致压裂管柱“自锁”。压裂是利用地面高压泵组将超过地层吸收能(3)管柱受高压作用及压力波动的影

4、响，发生力的高粘液体泵人井内，以克服岩石抗张强度，从漏失和脱扣；内外压差过大导致外鼓胀效应较强，而产生裂缝，因此是一项风险较大的高压作业。尤甚至会将管柱压劈。‘其在具有高温高压特点的深井中进行作业，给压裂(4)管柱产生较大的轴向变形，有可能导致密管柱带来一系列新的难题和挑战：封插管脱出密封筒或密封丝扣滑脱而造成解封、脱(1)地层破裂压力高，因此施工压力高，对压裂封、漏封。管柱的承压要求很高。(5)管柱产生较大的弯曲应力，有可能导致管(2)为降低摩阻考虑采用大直径油管作业，由柱破裂或永久性螺旋弯曲。如果以上问题不能很好解决，将会导致严重的2010年1月1413收到事故。在我国新疆、四川等探区

5、的高温高压深井、第一作者简介：毕博(1984一)，男，E—mail：bi—bo@163．com。超深井压裂过程中已发生多起由于油管受力变形10期毕博，等：深井压裂井下管柱载荷与轴向变形研究和封隔器密封失效造成的压裂施工失败，其产生的设：在温度、压力变化前的初始状态，管柱是竖直作业事故造成了巨大的经济损失。的；在温度、压力变化后的终了状态，管柱将在有限因此为了研究管柱在不同工况下的受力和变的环形空间中产生屈曲变形，即管柱下部发生螺旋形情况，必须建立比较科学合理的管柱综合力学模弯曲。研究表明，这一理论计算也适用于计算具有型，研究管柱和井下工具在多种载荷联合作用下的一般微小倾斜的竖直井筒内的管柱

6、。变形，并进行强度分析和校核。2．2泵注前管柱力学模型2．2．1坐封锚定原理[]2深井压裂管柱综合力学模型Y221系列封隔器管柱，采用水力锚和单向卡瓦组合的锚定方式，水力锚在封隔器上部，防止上顶；针对传统封隔器管柱在深井高温高压条件下下部采用单向卡瓦支撑防止封隔器下滑。坐封时，进行大型压裂施工时存在胶筒耐温、耐压较差，管下井到设计位置，上提一定高度，正转管柱，滑块从柱蠕动、变形，坐封、解封不可靠的问题，国内外研轨迹管上短槽下死点滑人长槽上死点，下放管柱，制了多套深井压裂工艺管柱，从而解决这类油井压摩擦块靠与套管的摩擦力保持不动，下锥体下行，裂施工遇到的工具难题。以Y221系列封上压下封使下

7、卡瓦张开，胶筒膨胀，继续下放管柱，按要求施隔器管柱(图1)为例，建立最基本的深井压裂管柱加坐封重量，完成坐封程序(见图2)。综合力学模型。—÷{E一油层甘lI一—————==●窿———÷柙喜善三暖；裂层——÷I窿卜—自图1Y221系列封上压下封隔器管柱不意图图2Y221封隔器坐封及锚定不意图2．1力学模型的主要内容及基本假设施工时，向油管内通入高压液流，在油管与套根据压裂作业流程以及管柱在不同工况下的管之间形成(2～2．