钻井工艺高温高压深井试油井下管柱力学分析及其应用窦益华1,张福祥2窦益华等.高温高压深井试油井下管柱力学分析及其应用.钻采工艺,2007,30(5):17-20,26摘要:分析了高温高压深井试油及其管柱的特点,考虑井身结构、管柱组合、管柱载荷、高温高压及联作等因素,进行管柱轴向屈曲分析,得到了屈曲临界载荷;然后,综合考虑屈曲状态、井口和封隔器的约束给出了井下管柱载荷、变形、应力计算方法与公式。在此基础上,经多年、数十口井的实践,摸索出了一套实用的试油管柱力学计算步骤、方法,已形成“做法”或“惯例”,据此进行管柱力学分析,可以得到实用的结论和可操作的建议。关键词:井下管柱;试油;高温高压;力学分析;应用:TE353文献标识码:A:1006-768X(2007)05-0017-04对于试油作业来说,井下管柱是地面与井下联系的通道,坐封封隔器和MFE测试时,它又是载荷传递的桥梁。作为一种特殊的机械构件,井下管柱的工作载荷为自重、钻压、内外流体压力、管内流体流动时的粘滞摩阻、管柱弯曲后与井壁之间的支反力、库仑摩擦力及弯矩,这些载荷使管柱在一定的应力水平下变形;若应力或变形过大,将导致管柱破坏等作业事故。根据国际高温高压井协会的建议和行业惯例,试油作业前,要有针对性的进行管柱力学分析,通过计算,合理组合管柱,选择合适的井口(采油树或控制头),选择合适的封隔器及其它辅助工具,并了解管柱在试油过程中的载荷、应力、变形情况,了解管柱的强度储备(安全系数),确定操作(压力)界限。本文作者及其合作者自1995年参与原中国石油天然气总公司“九五”重点科技攻关项目“高温高压深井测试技术研究”起即致力于高温高压深井测试技术及测试管柱力学研究与实践。经过多年的理论研究、室内实验研究、现场实验研究及数十口高温高压井的现场技术服务,目前,已形成了一套严密的理论体系,一套完整、实用的计算方法。与一般的“学院派”管柱力学理论不同,本文所述井下管柱力学分析在严密的理论与实验研究的基础上,突出实践性、实用性、可操作性即紧密结合单井井身结构、管柱结构及作业特点,在管柱力学理论指导下,进行管柱下深、载荷、强度、轴向变形等必要的计算,在此基础上,提出实用的结论与可操作的建议。一、高温高压深井试油及其管柱特点简析国内高温高压深井试油及其管柱的特点可归纳为:“高深联复”。“高”指高温高压高产,井底温度在150℃左右,个别井高达170℃(古深1井);“深”指井深,一般在5000～6000m左右个别可达8400m(塔深1井);“联”指射孔、测试、酸化、抽汲、气举、转采等多种作业两项或多项联作;“复”指管柱尺寸复合,井下测试阀、安全阀、封隔器等工具组合复杂。“高深联复”试油及井下管柱力学分析的特殊性简析如下:(1)随着井深增加,管柱受力和变形对温度、压力、流体密度、粘滞摩阻、油管与或井壁之间的库仑摩擦力等因素的敏感性增大。也就是说,管柱的温度效应、鼓胀效应和活塞效应导致的变形对管柱工作安全性的影响必须考虑。如6000m井管柱自重伸长是3000m井的4倍,而不是2倍。(2)封隔器坐封后,管柱内外流体密度、压力不同,没法计算“浮力系数”,传统的“中和点”、“虚构力”的概念和计算方法也需重新考虑。(3)以测试酸化联作为例,大排量注入时,管柱收稿日期:2007-06-08;修回日期:2007-08-09作者简介:窦益华(1964-),1984年、1987年、1998年先后毕业于华东石油学院、西南石油学院、西北工业大学,分获学士、硕士博士学位,从事石油机械及石油工程教学与科研工作。地址:(710065)西安石油大学26-401号,电话:(029)85275243,E-mail:yhdou@vip1sina1com2007年9月钻采工艺·18·Sep.2007DRILLINGPRODUCTIONTECHNOLOGY为。其中,θ、α、β、γ3、m为由管柱几何参数、井身结构参数、外载决定的无因次参数。(2)应用非线性微分方程理论分析井下管柱屈曲变形微分方程;了解管柱在井下的屈曲行为,压缩距不够,酸化时因管柱轴向缩短变形转化为轴向拉力,会影响封隔器密封性能,甚至引起封隔器移位失封;压缩距过大,测试产出时温度升高,管柱轴向伸长变形转化为轴向压力,既影响封隔器的密封性,又加剧下部管柱的螺旋弯曲。二、试油井下管柱屈曲临界载荷分析除了常规的载荷、变形、应力分析外,对井下管柱来说,最基...