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测试管柱受力分析设计分析软件简介


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测试管柱受力分析设计分析软件
一、软件的主要功能概述
《测试管柱受力分析设计软件》基于井眼轨迹,运用现代力学理论和最新算法编制 成的一套集测试井下工具数据库、测试管柱分析(包括管柱的力学计算,变形分析,安 全校核等) 、管柱设计为主的应用软件系统,并形成了一套符合现场应用需求的测试管 柱力学分析计算、安全强

度评价、校核和设计的体系。 《测试管柱受力分析设计软件》对井下管柱在受到温度/压力及其他因素影响时管 柱发生的复合受力和运动变化进行科学计算,校核井下工具和管柱的强度。其计算结果 在测试作业实践中得到检验和修正,具有较高的科学性,并为测试、完井、井下作业的 用户提供了较精确的理论指导。 该软件包括以下六个模块。 1、三维井眼描述模块 随着国内外水平井、大位移井、深井的迅速发展,对钻井、采油、措施作业和工艺 装备提出了更高的要求。井眼是井下管柱受力分析的基础,为了能更准确地计算井眼中 管柱轴向各种内力载荷的分布,该模块采用 9 种不同的数学方法对井眼进行了描述,分 别求出井眼曲率、北向位移、东向位移、垂深和水平位移;绘制井身三维轨迹图,水平 视图和测视图方便导入报告中使用。 2、测试管柱组合设计模块 管串结构设计: 包括如下 4 个部分: (1) 管串工具组配:依次选择测试管串的主要工具。 (2) 管串结构图:将管串连接成图。 (3) 参数确定:移动光标到管串组件,单击打开工具库,选定工具参数,主要参数 自动写到下一页的数据表中。 (4) 工具参数:依次为前面选择的工具串参数。单击“保存”按钮,管串图和工具 参数保存到 Word 文档。

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3、测试管柱静态分析模块 该模块采用了完善的摩阻分析模型进行力学分析,包括刚杆模型和软杆模型,然后 采用单元平衡分析法对管柱的各种内力进行准确计算。 软件考虑了管柱受到的各种外力因素,其中包括管柱自重、管柱弯曲接触、泥浆/ 作业液粘滞力等复杂因素的影响,其功能包括: (1)计算力学量:计算出了管柱随其自身轨迹的轴力,测向力,摩擦力和扭矩, 并且绘制出了直观的这些力学量与井深的关系曲线。 (2)管柱安全校核:为了保证管柱的安全,管柱受力应小于管材的极限拉力和极 限扭矩,另外还需考虑管柱的安全系数,由此对管柱进行强度校核,从而分析管柱的安 全性。为了反映管柱是否发生屈曲,包括正弦屈曲和螺旋屈曲,该软件在力学计算的基 础上进一步进行了管柱的稳定性分析。 因此该软件可以对用户提出的管柱组合方案进行 校核。基于三维井眼轨迹,考虑管柱与套管的摩擦力、弯曲所产生的附加力、管内流体 与管相对运动时产生的摩阻力以及振动载荷,软件分 1)下管柱、2)坐封、3)射孔、4) 采油、5)注入、6)上提解封、7)意外封堵等工况对管柱进行校核,通过求出管柱危 险点的安全系数,来判断管柱是否安全,来校核用户提出的管柱组合方案对于测试、生 产、井下作业或修井是否具有可行性。 (3)管柱变形分析:可以对管柱的压缩量,伸长量,扭转角进行辅助分析。 4、测试管柱动态分析模块

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软件考虑井口载荷的变化等动态变化因素,其功能有: (1)计算出管柱的各种对应力学量,并且绘出了管柱在不同深度时井口拉力和扭 矩曲线; (2)绘出对应不同摩擦系数取值的拉力/扭矩的上下限,即给出的是拉力/扭矩的 变化范围:由于摩擦系数取值的准确度问题,因此在此图中分别绘出对应不同摩擦系数 取值的拉力/扭矩的上下限,即给出的是拉力/扭矩的变化范围,这对于指导钻修井设计 和施工更具有实际意义; (3) 进行动态摩阻分析: 分析结果是井口拉力和扭矩随管柱在井内长度 (或钻头深) 的变化情况,主要用于考察设备的负荷容量是否满足需要等问题; (4)确定管柱与井眼之间的合理摩阻系数:确定管柱与井眼之间的合理摩阻系数是 进行管柱摩阻和扭矩数值分析的技术关键之一,也是一个比较复杂的理论和方法问题。 实践证明,利用现场实测数据反演计算不同工况下的管柱摩阻系数,是一种现实可行的 解决办法,本模块可以对管柱摩阻和扭矩数值分析,对定向井,水平井及大位移井等各 种钻修井工况下的摩阻和扭矩预测各种作业工况的管柱摩阻系数反演计算等。

5、测试管柱组合设计优化模块 根据设计管串的结构,考虑了三维井眼轨迹下的井下管柱与套管的摩擦力、弯曲所 产生的附加力、管内流体与管相对运动时产生的摩阻力以及振动载荷等,通过在空间上 对管柱进行受力分析,建立了计算任意井眼中管柱轴向载荷的通用模型,可以用来设计

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优化井眼轨迹井中的测试、生产与作业管柱。 本模块的目的在于:事前防止井下故障的发生。该模块充分考虑井下管柱各种受力 情况,考虑完井、测试作业或修井可行性,设计安全的管柱组合,保证井下作业的安全, 避免管柱发生强度破坏而造成井下复杂事故。 6、封隔器管柱系统模块 封隔器系统在井下工作的条件—主要是温度和压力, 往往因井的工艺方式的变更而 改变,因而引起系统的受力和管柱长度发生变化,导致封隔器过早解封、错封或窜封, 乃至无法起出封隔器及其他更为严重的恶性故障。因此,从理论上了解和分析温度、压 力的变化如何影响封隔器系统的受力状况,则是至关重要的。 1)软件能够准确计算在完井、生产和作业中油管和环空内的温度变化和压力变化。 2)准确计算油管由于压力和温度的变化引起的油管柱长度的变化(包括活塞效应, 温度效应,膨胀效应,螺曲效应)以及所产生的附加应力。 3) 封隔器在实际使用中,为了使封隔器避开套管接箍并达到工艺设计要求,准确确 定封隔器坐封位置显得尤为重要,软件可以准确确定封隔器坐封位置 4) 计算初始油管压缩量,它不仅能够对封隔器坐封时现场施工提供指导,而且还 是后续施工或完井过程中计算管柱的受力和变形的基础。 5)自动移动封隔器管柱受力分析:确定密封段的最小长度保证管柱下端的插管密 封段在上下移动过程中不能移出密封腔; 校核管柱能否出现永久性螺旋弯曲或张力过大 而损坏的情况。 6)对于不可移动封隔器确定封隔器对油管的作用力;校核管柱能否出现永久性螺 旋弯曲或张力过大而损坏的情况。 7)求出中和点的位置,提示中和点是在管内还是在管外。 8)求出在压力和温度变化后封隔器对油管的作用力,进而求出管柱危险点(包括 井口)的拉力,计算出管柱危险点的安全系数,校核封隔器管柱的安全性。

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二、应用效果预测
在油气井测试过程中,为了保证测试安全,必须准确掌握油管的轴向力与变形情况。 测试油管下部因受压会发生螺旋屈曲,并与套管接触产生摩擦力。屈曲后油管进一步变 形时,油管轴向力与变形的关系非常复杂。 常规计算方法没有考虑摩擦力对变形的影响, 其结果不适用于高温高压井测试管柱安全分析。 该软件对测试管柱在受到温度/压力的改 变以及其他因素影响下所引起的管柱受力、 应力和变形状态的改变进行复合受力和运动 变化的科学计算;根据管柱的拉力、扭矩、安全系数、稳定性和管体伸长量等优化出测 试管柱设计方案;校核测试工具和管柱的强度,从而对测试管柱状态(稳定状态、正弦 屈曲状态、螺旋屈曲状态)进行准确、及时判断。以此指导测试管柱的设计和施工参数 的合理选择,避免发生管柱失效事故。 本软件至少可以完成以下工作:首先,防止测试管柱井下故障的发生。充分考虑井 下管柱各种受力情况,设计安全的测试管柱组合和对现在管柱组合进行分析校核。保证 井下作业的安全,避免管柱发生强度破坏而造成井下复杂事故。如果在测试井阶段,管 柱可旋转下入或倒划眼起出那么就需考虑套管或尾管是否需要旋转才能下入,生产油 管、连续油管或其它测试管柱能否下入等问题。 其次,对测试作业提供方案。其一,如果管柱卡阻,最理想的方法是用活动管柱法 解除卡阻,即在原被卡工艺管柱许用提拉负荷下反复提拉,下放,使卡点处产生疲劳破 坏,达到解除卡阻。在活动管柱过程中,应注意上提负荷应保持在管柱许用拉力内,尽

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量不使管柱拨断脱落,在下放时,应采用快速下放,使管柱急速回缩,给卡点以震击力, 以此解除卡阻。软件可以计算出轴向力沿井深的分布,求出井口的最大载荷。因为下放 速度影响轴向力沿井深的分布和井口的最大载荷,为了保证管材在许用拉力内,软件可 以给出一个合理的下放速度。其二,地面装备(顶驱功率和扭矩,起升能力、泵功率和 排量压力)的选用,根据受力分析拉力和扭矩预测来选用,并考虑到预测误差需留有足 够的富余能力。

技术支持:

中国石油大学(北京) 北京雅丹石油技术开发有限公司 www.Petrosoftonline.com www.yadantech.com 010-69706217 69706536

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