SHG05頁(yè)巖氣水平井分段壓裂管柱受力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件

1、頁(yè)巖氣水平井分段壓裂管柱受力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件 北京雅丹科技開發(fā)有限公司一、 軟件概述頁(yè)巖氣藏的儲(chǔ)層一般呈低孔和低滲透率的物性特征, 氣流的阻力比常規(guī)天然氣大, 所有的井都需要實(shí)施儲(chǔ)層壓裂改造才能開采。直井單井產(chǎn)量低，生產(chǎn)周期不長(zhǎng)，水平井能夠穿過(guò)更多的儲(chǔ)層，捕獲更多的裂縫，單井產(chǎn)量高，生產(chǎn)周期長(zhǎng)。目前水平井是頁(yè)巖氣開發(fā)井的主要方式。近年來(lái), 水平井分段壓裂技術(shù)被廣泛應(yīng)用于頁(yè)巖氣藏的開發(fā), 取得顯著效果。水平井分段壓裂管柱作為聯(lián)系儲(chǔ)層與地面的機(jī)械系統(tǒng)在壓裂施工過(guò)程中傳遞載荷與動(dòng)力，管柱要承受多種載荷的聯(lián)合作用：自重、管內(nèi)外流體壓力、管內(nèi)外流體流動(dòng)時(shí)的粘滯摩阻、管柱彎曲后與井壁之間的支反力、摩擦力

2、及彎曲彎矩，這些載荷使管柱在一定的應(yīng)力下發(fā)生變形，若應(yīng)力或變形過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致管柱破壞、封隔器失效、控制頭上移等作業(yè)事故。壓裂過(guò)程中的管柱受力已經(jīng)成為影響措施施工成敗的關(guān)鍵因素之一。頁(yè)巖氣水平井分段壓裂管柱受力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件是基于三維井眼軌跡，運(yùn)用現(xiàn)代力學(xué)理論編制成的一套集井下工具數(shù)據(jù)庫(kù)、頁(yè)巖氣水平井分段壓裂施工管柱設(shè)計(jì)、管柱力學(xué)計(jì)算、強(qiáng)度和安全校核、變形計(jì)算等為主的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，軟件在油氣井管柱基本力學(xué)方程的基礎(chǔ)上考慮跨封段管柱的受力特點(diǎn)進(jìn)行建模，重點(diǎn)分析了不同工況及多（大于兩個(gè)）封隔器條件下各種效應(yīng)對(duì)跨封段管柱受力的影響，為管柱安全性的判斷提供可靠的理論依據(jù)，且為管柱設(shè)計(jì)、后續(xù)的施工及工具

3、選型提供重要的理論依據(jù)。形成了一套符合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求的井下管柱力學(xué)分析理論及安全強(qiáng)度計(jì)算、校核和評(píng)價(jià)體系。二、軟件功能三維井眼描述該模塊對(duì)任意井眼軌跡進(jìn)行描述，采用八種不同的數(shù)學(xué)方法分別求出：（a ）井眼曲率（b ）北向位移（c ）東向位移（d ）垂深（e ）水平位移等。計(jì)算結(jié)果可繪制成圖形并作為數(shù)據(jù)表格導(dǎo)出，并且該模塊能繪制直觀的井身三維軌跡。管柱結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)管串結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)： 包括如下4個(gè)部分：(1 施工管串工具組配：依次選擇施工井管串的主要工具。(2 管串結(jié)構(gòu)圖：將管串連接成圖。(3 參數(shù)確定：移動(dòng)光標(biāo)到管串組件，單擊打開工具庫(kù)，選定工具參數(shù)，主要參數(shù)自動(dòng)寫到下一頁(yè)的數(shù)據(jù)表中。(4 工具參數(shù)：

4、依次為前面選擇的工具串參數(shù)。管柱受力分析目前根據(jù)我國(guó)頁(yè)巖氣藏的實(shí)際情況, 主要有4種水平井分段壓裂管柱： 1）裸眼水平井分段壓裂管柱，2）雙封隔器單卡分段壓裂管柱，3）多級(jí)橋塞分段壓裂管柱，4）環(huán)空封隔器分段壓裂管柱。目前軟件主要針對(duì)這四種水平井分段壓裂管柱進(jìn)行力學(xué)分析和模型建立。(1根據(jù)不同壓裂管柱井下工具工作機(jī)理，建立合理的井下工具力學(xué)抽象模型。(2根據(jù)用于計(jì)算套管軸側(cè)向載荷的空間管段力學(xué)模型推導(dǎo)了適用于計(jì)算壓裂管柱軸側(cè)向力的軸側(cè)向耦合及非耦合力學(xué)模型。(3逐一分析不同工況的載荷和約束情況，把實(shí)際工況與力學(xué)模型準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)起來(lái)?？梢杂?jì)算的工況包括（a ）下放 （b ）上提 （c ）坐封前 （d

5、 ）注入 （e ）坐封后（f ）壓裂時(shí)。(4針對(duì)輸入的管串方案，計(jì)算軸向力、側(cè)向接觸力等主要力學(xué)量，考慮了管柱受到的各種外力因素，其中包括管柱自重、管柱彎曲接觸、壓裂液/作業(yè)液粘滯力等復(fù)雜因素的影響， 該模塊考慮井口載荷的變化等動(dòng)態(tài)變化因素，其功能點(diǎn)有：根據(jù)管柱結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)，對(duì)每個(gè)工作點(diǎn)（即下管柱、坐封，注液，解封，起管柱、排液）進(jìn)行力學(xué)分析，計(jì)算出管柱的各種對(duì)應(yīng)力學(xué)量，并且繪出了管柱在不同深度時(shí)井口拉力和扭矩曲線；繪出對(duì)應(yīng)不同摩擦系數(shù)取值的拉力/扭矩的上下限；確定管柱與井眼之間的合理摩阻系數(shù)。管柱安全性校核安全性校核主要包括兩方面：管柱強(qiáng)度校核及管柱穩(wěn)定性校核。(1強(qiáng)度校核的步驟是先按空間

6、管段法計(jì)算出管柱不同深度截面的軸向力，接著計(jì)算出相應(yīng)軸向、周向及徑向應(yīng)力，再將其折算為綜合應(yīng)力，最后由該綜合應(yīng)力與管柱的屈服應(yīng)力計(jì)算出管柱不同測(cè)深（包括管柱接頭）的綜合安全系數(shù)，由此判定這個(gè)管柱的安全性及危險(xiǎn)部位。軟件采用了壓力面積法及浮力系數(shù)法這兩種經(jīng)典方法對(duì)軸力進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用于頁(yè)巖氣水平井分段壓裂管柱力學(xué)分析；提出了真實(shí)軸向力及有效軸向力兩種概念，只有有效軸力才是管柱軸力中真正引起管柱破壞及失穩(wěn)的部分。(2管柱穩(wěn)定性校核是對(duì)管柱可能出現(xiàn)的屈曲形態(tài)（正弦彎曲、螺旋彎曲）進(jìn)行判斷，若管柱失穩(wěn)則分析失穩(wěn)段與井壁的摩擦力分布，以此為依據(jù)指導(dǎo)措施作業(yè)或?qū)苤M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。管柱組合設(shè)計(jì)優(yōu)化根據(jù)設(shè)計(jì)管串

7、的結(jié)構(gòu)，考慮了三維井眼軌跡下的井下管柱與套管的摩擦力、彎曲所產(chǎn)生的附加力、管內(nèi)流體與管相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩阻力以及振動(dòng)載荷等，通過(guò)在空間上對(duì)管柱進(jìn)行受力分析，建立了計(jì)算任意井眼中管柱軸向載荷的通用模型，可以用來(lái)設(shè)計(jì)優(yōu)化井眼軌跡井中的施工作業(yè)管柱。本模塊的目的在于：事前防止井下故障的發(fā)生。該模塊充分考慮井下管柱各種受力情況，考慮壓裂施工可行性，設(shè)計(jì)安全的管柱組合，保證施工安全，避免管柱發(fā)生強(qiáng)度破壞而造成井下復(fù)雜事故。封隔器管柱系統(tǒng)(1通過(guò)計(jì)算不同工況特別是坐封與壓裂工況條件下跨封段的受力，預(yù)測(cè)相鄰封隔器之間管柱的變形情況。將雙封壓裂管柱載荷分布規(guī)律推廣應(yīng)用到兩級(jí)以上的分段壓裂管柱；(2軟件考慮了壓裂過(guò)程中壓裂液與地層的熱交換規(guī)律及封隔器間距等影響因素；(3對(duì)跨封段進(jìn)行安全校核得到跨封段的安全性及穩(wěn)定性。區(qū)別管柱有效軸力與真實(shí)軸力，強(qiáng)調(diào)正確使用管柱強(qiáng)度校核及穩(wěn)定性校核準(zhǔn)則的前提條件；(4封隔器安全校核。計(jì)算不同工況條件下封隔器承受的壓差和軸向力，并與封隔器自身的強(qiáng)度校核圖版做對(duì)比，確定封隔器本體的安