出砂、压实段射孔套管力学性能研究
2射孔对套管抗压挤压强度的影响.
2射孔对套管抗压挤压强度的影响
射孔作业是影响套管抗击压强度的重要因素，对于不同的套管管材用不同方法射孔后，引起套管破裂的程度是不同的。
一般射孔后孔壁周围往往产生射孔裂纹。
注采生产过程中在井下动载的作用下，将会使裂纹扩展，最终发生套管低载荷脆裂。
即使是射孔后未生产可观察的裂纹，由于孔眼周边的不规则性，也会产生应力集中，导致裂纹蒙生并随之扩展，然而，在目前套管管柱设计中，只安排射孔套管的承载能力来设计射孔井段的套管，致使射孔套管的实际承载能力低于设计能力，这就是射孔对套管损害的原因之一。
出砂、压实段射孔套管力学性能研究开题报告
出砂、压实段射孔套管力学性能研究开题报告一、选题背景和意义射孔是油井生产中不可或缺的一环，通过射孔可以有效地增加油井产量。
在常规射孔中，一般采用完整的套管进行射孔，然而随着射孔技术的发展，段式射孔套管越来越受到油田工程师的关注。
与完整套管相比，段射孔套管的射孔段可以分段进行射孔，使得射孔更加准确，同时还可以减少套管损坏的可能性，提高套管使用寿命。
然而，由于段射孔套管中间存在空隙，因此存在着出砂、压实等问题，这些问题会影响套管的力学性能。
因此，本文选取出砂、压实两个问题进行研究，以期通过对段射孔套管的力学性能研究，为油井生产提供技术支持。
二、研究内容和方案1. 出砂问题研究在液压压裂、钻探等作业过程中，易产生大量沙石颗粒和碎屑，这些物料会阻塞套管和井眼，影响油井的生产性能。
因此，本文将对段射孔套管中的出砂问题进行研究，主要包括：（1）分析不同射孔方案对出砂问题的影响；（2）建立数值模型模拟出砂过程；（3）进行实验室实验验证数值模型。
2. 压实问题研究在射孔过程中，射孔枪通过高压气体将弹丸发射进入套管内壁，使其产生撕裂现象。
射孔后套管内部会有一些裂缝和坑洞，从而导致沙层、地层破碎并进入套管内，使得透水性降低，从而影响油井生产。
因此，本文将对段射孔套管中的压实问题进行研究，主要包括：（1）建立数值模型模拟压实过程；（2）分析不同射孔方案对压实问题的影响；（3）开展实验室实验验证数值模型。
三、研究成果和预期目标通过对出砂、压实问题的研究，本文旨在为油井生产提供技术支持，使得段射孔套管在射孔过程中可以更加准确、有效地进行。
主要预期目标包括：（1）建立出砂、压实数值模型；（2）分析不同射孔方案的优劣；（3）提出针对出砂、压实问题的改进措施；（4）在实验室中验证数值模型的准确性和可行性。
四、研究方法和思路本文主要采用理论分析、数值模拟和实验室实验相结合的研究方法。
首先，通过文献调研和实地调查，分析出砂、压实问题的产生机制和影响因素，建立数值模型模拟出砂、压实过程，并设计实验室实验验证数值模型的准确性。
射孔对套管强度的影响
射孔对套管强度的影响刘雪梅张德瑜邹家林摘要：本文以弹塑性力学的有限元法为基本理论，采用大型通用有限元软件ANSYS，建立射孔参数的优化设计模型，针对不同的套管尺寸、布孔方式进行分析射孔对套管损坏的影响。
结合套管强度理论对有限元模拟结果进行了分析总结，分析研究结果为射孔段套管柱的合理设计选择提供了一定的理论依据。
关键词：有限元套管射孔The strength of the casing for the perforatingAbstract: Based on the finite element method of the elastic-plastic mechanics for basic theories, using large general finite element software ANSYS, establish perforation parameters optimization design model, in view of the different casing size, cloth analysis of perforating hole way the influence of the casing damage. Combined with the strength theory to the finite element simulation results were analysed, the research result for perforating casing string section of the reasonable design choice to provide a theory basis.Key Word: Finite Element Analysis casing perforating长期以来油田对射孔作业后套管强度降低程度没有足够的认识，虽然经过射孔后套管强度有所减弱，但未掌握明确的数量概念。
射孔参数对套管损坏规律研究
◀油气田开发工程▶射孔参数对套管损坏规律研究∗穆总结1,2㊀马博佳儿3㊀徐茂雅2㊀王镇全2(1.中国石油大学(北京)克拉玛依校区油气资源与探测国家重点实验室克拉玛依分室2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室㊀3.中国石油俄罗斯公司)穆总结,马博佳儿,徐茂雅,等.射孔参数对套管损坏规律研究[J ].石油机械,2023,51(3):102-110.Mu Zongjie ,Ma Bojiaer ,Xu Maoya ,et al.Effects of perforating parameters on casing damage [J ].China Petrole-um Machinery ,2023,51(3):102-110.摘要:在油田开发过程中,套管变形已成为影响井筒完整性以及油田长生命周期的重要因素㊂为解决射孔套损问题,通过有限元方法对射孔套管进行非线性屈服分析,建立了不同射孔参数下的射孔套管三维弹塑性变形模型,模拟了套管在压裂时承受内压和塑性失效的全过程,研究了不同射孔参数下射孔套管屈服破坏的抗内压强度损害系数,通过多元回归方法建立了射孔参数与套管屈服强度损害系数间的预测模型并进行了精度检验,最后采用梯度下降算法进行参数优选㊂分析结果显示:在射孔参数中应选择少孔数㊁小孔径及高孔密射孔,以降低对套管的损坏;多元回归法能够满足套管损害预测的精度需求,结合梯度下降法可实现射孔参数组合的优选㊂研究成果可为现场射孔参数及参数组合优化提供参考㊂关键词:射孔套管;套管损坏;射孔参数;回归分析;参数优选中图分类号:TE348㊀文献标识码:A㊀DOI:10.16082/ki.issn.1001-4578.2023.03.014Effects of Perforating Parameters on Casing DamageMu Zongjie 1,2㊀Ma Bojiaer 3㊀Xu Maoya 2㊀Wang Zhenquan 2(1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting in China University of Petroleum-Beijing at Karamay ;2.State KeyLaboratory of Petroleum Resources and Prospecting ,China University of Petroleum (Beijing );PC International Russia Ltd.)Abstract :During oilfield development,casing deformation has become a critical factor affecting wellbore in-tegrity and oilfield long life cycle.In order to solve the problem of perforated casing damage,a nonlinear yield a-nalysis was conducted on perforated casing through finite element method,a three-dimensional elastic-plastic de-formation model of perforated casing under different perforation parameters was established,the whole process of casing bearing internal pressure and plastic failure during fracturing was simulated,and the internal pressure strength damage coefficient of perforated casing yield failure under different perforation parameters was investigated.The prediction model for perforation parameters and casing yield strength coefficient was established by multiple re-gression method,and its accuracy was verified.Finally,the gradient descent algorithm was used to optimize the parameters.The analysis of the results shows that the perforation parameters should be few holes,small apertureand high perforation density to reduce the damage to the casing.The research shows that the multiple regression method can meet the accuracy requirement of casing damage prediction,and the combination of perforation param-eters can be optimized by combining gradient descent method.The results in this paper provide reference for the optimization of field perforation parameters and their combination.201 ㊀㊀㊀㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械CHINA PETROLEUM MACHINERY㊀㊀2023年㊀第51卷㊀第3期∗基金项目:国家自然科学基金项目面上项目 基于井底形状的PDC 钻头切削力学模型研究 (51874327);新疆维吾尔自治区杰出青年科学基金项目 多元复合冲击钻井提速机理研究 (2021D01E23)㊂Keywords:perforated casing;casing damage;perforating parameter;regression analysis;parameter opti-mization0㊀引㊀言套管保护和套损井防治一直是油田开发管理的重要课题[1-3]㊂根据吉木萨尔页岩油现场对套套变形井的微地震㊁测井㊁压裂数据分析,水力压裂是套管变形的重要外因[4]㊂在水力压裂施工中射孔段套管套损问题突出,套损率高,造成大量经济损失[5-6]㊂射孔参数对套管损坏规律的影响亟待解决㊂GUO Y.等[7]以墨西哥湾深水油藏为依据,进行高密度射孔试验,对射孔和未射孔套管进行了分析,采用有限元模拟分析,比较2种套管变形特性,并确定射孔对临界耗尽压力的影响;主要考察了射孔套管变形的特征,进行了轴向和周向强度降低程度对比,分析了套管内部拉伸应力和剪切应力对套管屈曲的影响;引入分层储层模型模拟地层变化对套管的影响,一定程度上解释了射孔套管的失效模式和失稳破坏机理㊂K.BELTRAN等[8]采用试验与有限元模拟相结合的方式,研究了外压作用下的射孔套管抗挤强度以及在防砂体系中多孔筛管的抗外挤性能;采用试验测试㊁数值模拟的方法,对不同几何构型的射孔套管和完整套管的破裂压力进行了评价,以对比二者之间破裂压力的差异,并估算出孔洞存在时套管坍塌压力的降低程度㊂F.YANY等[9]采用有限元方法研究由腐蚀造成的椭圆形腐蚀坑导致的应力集中对套管强度的影响,研究内容包括2个腐蚀坑的周向距离(相位)㊁轴向距离(孔密)和深度㊁形状(椭圆度)㊁大小与套管抗挤强度的关系㊂其研究结果表明:最大等效应力与孔眼轴向间距的关系服从高斯分布,峰值发生在2孔眼相交面积最小时;2孔的周向距离由2孔的角度(相位)表示,2孔在周向上相距越近,干涉越严重,套管抗挤强度下降程度越大,且在轴向上距离越小,影响越大㊂DOU Y.H.等[10]以试验的方式研究射孔套管的力学特性;通过全尺寸套管试验机向射孔套管施加轴向载荷,直至套管断裂破坏;通过孔眼周围的应变片测量应力集中系数并与理论计算值相对比,得到了套管孔应力强度因子及其修正系数的计算公式,然后用应力强度和应力强度因子双重标准判断射孔段套管的安全性;还应用杆管相似理论,对于薄壁套管考虑应力集中,得到了射孔套管剩余抗挤强度的计算公式㊂在现有的研究中,尚缺乏对射孔参数影响规律方程的描述和优选过程的研究,也缺乏对水力压裂施工中套管变形情况的分析㊂为此,笔者利用有限元分析的方法[11-14],建立射孔套管模型进行非线性屈服分析,以得到不同射孔参数㊁簇数和簇间距对套管抗内压屈服强度的影响规律,并采用多元回归模型拟合计算结果,得到射孔参数与套管抗内压强度的预测模型,最后结合梯度下降法进行最优射孔参数组合㊂研究将对减少套管变形,提高压裂效果具有一定的指导作用㊂1㊀套管射孔参数非线性屈服现场油层套管多采用ø139.7mm(5.5in)油层套管,壁厚为12.09mm㊂由于套管内部应力超过屈服强度引起塑性变形而发生失效,属于屈服强度失效[15]㊂故套管发生屈服失效前主要为线弹性变形,其失稳时的临界载荷可以运用有限元软件采用非线性屈服分析得到[16-21]㊂在有效内部压力逐渐增大的情况下,套管发生线弹性变形,其受力与变形情况如图1所示㊂当套管的最大等效应力达到材料屈服强度时则认为套管已失效,将此时对应的有效内部载荷定义为套管的抗内压强度㊂在线弹性变形的情况下,射孔套管临界载荷的变化能较好的反映其几何特征的影响㊂在压裂过程中,套管受到的有效压力主要为内压力,故笔者以套管抗内压的能力大小来评价套管质量好坏㊂图1㊀管线弹性变形受力与变形关系曲线Fig.1㊀Relationship between elastic deformation and stress为射孔套管建立有限元模型,具体参数如下:套管的钢级为S125,外径为139.70mm,壁厚为12.09mm,总长为10m;其钢材密度为7890 kg/m3,弹性模量为206GPa,泊松比为0.28,屈服强度为895MPa㊂采用双线性各向同性硬化本构模3012023年㊀第51卷㊀第3期穆总结,等:射孔参数对套管损坏规律研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀型[22],单簇射孔套管模型如所图2所示㊂在套管两端面施加固定约束,内壁面施加逐渐增大的均布载荷,过程中套管表面等效应力分布如图3所示㊂得到套管在内压作用下屈服失稳时的临界有效载荷P YP ,并与未射孔套管屈服时的临界载荷P 0进行对比,采用二者的比值α来评判射孔参数对套管变形的影响[23]㊂P YP 与P 0的关系如下:P YP =αP 0(1)式中:α为套管屈服强度损害系数,表示套管射孔后强度受到损害的程度,无量纲;P 0为未射孔套管屈服时的临界载荷,且本文所讨论的套管P 0为153.5MPa;P YP 为射孔套管屈服时的临界有效载荷,MPa㊂图2㊀单簇射孔套管部分模型与网格Fig.2㊀Single-cluster perforated partialcasing model and meshmodel图3㊀不同射孔参数下套管等效应力分布情况Fig.3㊀Casing equivalent stress distribution under different perforation parameters㊀㊀对于射孔螺旋,其主要特征参数有孔径φ(mm)㊁孔密k (孔/m )㊁相位θ(ʎ)㊁孔数m (孔)和射孔长度H (m),且有如下关系:kH =360N /θ=m(2)式中:θ为相位,(ʎ);k 为孔密,孔/m;H 为射孔长度,m;m 为射孔孔数,孔;N 为射孔圈数,无量纲㊂考虑到参数对屈服强度损害系数的影响可能不独立,故采用两两组合的方式设置射孔组合进行规律性分析,详细讨论不同射孔参数与套管抗内压强度㊁屈服强度损害系数之间的关系,参数范围如表1所示㊂表1㊀射孔参数试验范围2㊀射孔参数对强度系数的影响分析2.1㊀多元回归分析在试验中发现数据间线性拟合程度较好,方差401 ㊀㊀㊀㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械2023年㊀第51卷㊀第3期近似为1,可以针对射孔参数和套管屈服强度损害系数进行三元二次回归分析[24-25]㊂首先建立套管抗内压强度系数与射孔参数间的回归方程,回归方程如下式:α=β0+β1x1+β2x2+ +βk x k+ε(3)式中:x1㊁x2㊁x k等代表由射孔参数构成的影响套管强度的函数;β1㊁β2 βk为相关系数或权重系数,无量纲;ε表示随机误差且服从正态分布㊂取n组数据做拟合样本,则形成矩阵如下:㊀㊀㊀Y=(α1,α2,α3, ,αn)T A=(β1,β2, ,βk)Tε=(ε1,ε2, ,εn)T,㊀㊀㊀X=1x1,1 x1,k 1x2,1 x2,k ︙︙︙1x n,1 x n,k éëêêêêêùûúúúúú其中:Y=AX+ε(4)式中:Y为套管内抗压强度系数组成的向量;X为射孔参数组合构成的矩阵;A为权重系数向量;ε为随机误差向量㊂通过最小二乘法进行参数估算,使下式最小:Q=ðn i=1(αi-αɡi)2=ðn i=1εi2(5)存在所求回归系数组成的向量Aɡ使下式成立: Q=min[ðn i=1αi-β0-β1x i1- -βk x ik()](6)对上式求偏导,则有X T(Y-XAɡ)=0(7)Aɡ=X T X()-1X T Y(8)式中:Aɡ即所求向量㊂代入式(3)即可得到射孔参数与套管抗内压强度系数关系的描述方程㊂2.2㊀孔密与孔径对套管强度影响规律在相位角为120ʎ和孔数为12孔的情况下,得到了孔密8~20孔/m和孔径10~20mm范围内与屈服强度损害系数α的变化情况,如图4所示㊂由图4可知,随着孔径增加,屈服强度损害系数呈线性下降,反映了孔径与套管抗内压强度呈现强线性负相关㊂孔密与屈服强度损害系数的关系如图5所示㊂由图5可见,随着孔密增加屈服强度损害系数逐渐降低,二者呈二次负相关性㊂由上文孔径与孔密的相关数据,做出二者关于屈服强度损害系数的响应面,结果如图6所示㊂二元二次回归分析得到响应面的表达式:α=1.167-0.00332k-0.0197φ+9.951ˑ10-5k2-2.823ˑ10-5kφ+1.271ˑ10-4φ2(相关系数R2=0.9999)(9)㊀㊀通过式中孔径与孔密关联项的回归系数可以发现,孔径和孔密之间的关联性较低,可以认为是相互独立的㊂图4㊀不同孔密下孔径与屈服强度损害系数关系Fig.4㊀Relationship between perforation diameter and yieldstrength coefficient under different shoot densities图5㊀不同孔径下孔密与屈服强度损害系数关系Fig.5㊀Relationship between shoot density and yield strength coefficient under different perforationdiameters图6㊀孔径与孔密关于屈服强度损害系数响应面Fig.6㊀Response surface of perforation diameter andshoot density about yield strength coefficient2.3㊀孔数与孔密对套管强度影响规律在孔径为12mm和相位为120ʎ的情况下,得到5012023年㊀第51卷㊀第3期穆总结,等:射孔参数对套管损坏规律研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀了孔数(6~15孔)和孔密(12~24孔/m)范围内与屈服强度损害系数α的关系,如图7和图8所示㊂图7㊀不同孔密下孔数与屈服强度损害系数关系Fig.7㊀Relationship between shoot numbers and yield strengthcoefficient under different shoot densities图8㊀不同孔数下孔密与屈服强度损害系数关系Fig.8㊀Relationship between shoot density and yield strengthcoefficient under different shoot numbers㊀㊀由上述两图可知:随着孔数增加,套管抗内压强度迅速降低,孔密越大下降幅度越大,并趋近线性下降;随着孔密增加,套管屈服强度损害系数缓慢降低,孔数越多下降幅度越大㊂从图8还可以看出,孔密与孔数参数间在低孔密时与屈服强度损害系数有一定的相关性㊂绘出孔数与孔密关于屈服强度损害系数的响应面,如图9所示㊂图9㊀孔数与孔密关于屈服强度损害系数响应面Fig.9㊀Response surface of shoot number and shootdensity about yield strength coefficient响应面表达式为:α=1.102-0.0171m -0.00197k +3.860ˑ10-4-1.592ˑ10-4mk +9.399ˑ10-5k 2(相关系数R 2=0.9999)(10)㊀㊀二次项反映出孔数与屈服强度损害系数的强非线性关系㊂从总体上看,孔密与孔数之间有一定相关性但并不明显㊂2.4㊀孔数与孔径对套管强度影响规律孔数与孔径的关系曲线在孔密15孔/m 和相位角为120ʎ的情况下测定㊂如图10所示,在孔数6~15孔的范围内,屈服强度损害系数随孔数增加而下降的幅度越大;而在孔径10~20mm 的范围内,孔径越大,屈服强度损害系数的下降速度也越快,如图11所示㊂图10㊀不同孔径下孔数与屈服强度损害系数关系Fig.10㊀Relationship between shoot number and yield strengthcoefficient under different perforation diameters图11㊀不同孔数下孔径与屈服强度损害系数关系Fig.11㊀Relationship between perforation diameter and yieldstrength coefficient under different shoot numbers结合已有数据绘制孔数与孔径关于屈服强度损害系数的响应面图,如图12所示㊂响应面表达式为:α=1.232-0.0142m -0.0116φ+4.573ˑ10-4m 2-5.961ˑ10-4φm +9.240ˑ10-5φ2(相关系数R 2=0.9999)(11)从式(11)可以看出,孔数与孔径对套管的影响不具备相关性,且孔径的影响大于孔数㊂2.5㊀相位对套管强度影响规律相位产生的影响相对独立且特殊,故单独进行601 ㊀㊀㊀㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械2023年㊀第51卷㊀第3期讨论㊂保持孔径12mm和孔数12孔不变,分别得到了15㊁20孔/m孔密下相位与屈服强度损害系数α的关系,如图13所示㊂图12㊀孔径与孔数关于屈服强度损害系数响应面Fig.12㊀Response surface of shoot number and perforation diameter about yield strength coefficient图13㊀不同孔密下相位对屈服强度损害系数的影响Fig.13㊀Relationship between phase and yield strengthcoefficient under different shoot densities从图13可以发现,除0ʎ(360ʎ)和180ʎ特殊相位对套管有较大程度的不利影响外,其余相位对套管的影响较小,套管屈服强度损害系数随相位变化的波动范围保持在1%以内㊂显然,180ʎ和0ʎ相位是要尽量避免的情况,可通过改变相位㊁孔密的方式来减少射孔对套管的损害㊂因为相位对屈服强度损害系数影响不明显,故可以采用回归直线代表趋势的变化,也便于在综合分析孔径㊁孔密㊁孔数㊁相位影响时,给出相位参数影响套管损害系数的表达式㊂结合在120ʎ相位下对孔密㊁孔径㊁孔数的研究中得到的结论,将剩余数据以120ʎ相位为基准进行归一化处理,并要求回归线必过120ʎ相位下的数据点㊂采用y=A(x -120)+1进行回归拟合分析,如图14所示㊂最终得到孔密与相位对套管屈服强度损害系数的表达式:α=(3.818ˑ10-6θ+0.999)α120(12)式中:θʂ0ʎ,θʂ180ʎ;α=0.986α120时,θ=0ʎ;α=0.972α120时,θ=180ʎ;α120表示在120ʎ相位下的套管屈服强度损害系数;θ为相位角,(ʎ)㊂图14㊀基于120ʎ相位的相对屈服强度损害系数回归分析Fig.14㊀Regression analysis of relative yieldstrength coefficient based on120ʎphase3㊀建立套损规律模型3.1㊀参数响应面分析和函数模型为了具体描述参数之间的相关性,笔者建立了孔径㊁孔密㊁孔数与相位之间关于屈服强度损害系数的响应面,并通过回归分析得到响应面的表达式,由此分析各参数间的关系㊂从系数中可以发现,若不包括特殊相位各射孔参数对屈服强度损害系数的影响权重,将4个射孔特征参数按对射孔套管抗内压强度的影响程度由大到小排列为:孔径>孔数>孔密>相位㊂孔数对孔径㊁孔密造成的影响有较明显的推动作用,即随着孔径㊁孔密的增加,屈服强度损害系数降低;孔数越大,屈服强度损害系数下降程度越大[26-28]㊂依据前文中两两参数间响应面的拟合方程,可将二次回归多项式写为如下形式:α=β0+β1m+β2k+β3φ+β4m2+β5mk+β6mφ+β7k2+β8kφ+β9φ2+ε(13)㊀㊀由上式,结合前文得到孔密㊁孔径㊁孔数和相位对屈服强度损害系数的表达式:α=y(1.2216-0.0080758m-0.001377k-0.012055φ+3.0144ˑ10-4m2-1.9161ˑ10-4mk-6.0181ˑ10-4mφ+8.4207ˑ10-5k2+1.6326ˑ10-5kφ+9.5828ˑ10-5φ2)(相关系数R2=0.9999)(14)式中:y为修正系数;y=3.81844ˑ10-6θ+ 0.9995418,θʂ0ʎ,θʂ180ʎ;y=0.985983,θ=0ʎ;y=0.972168,θ=180ʎ㊂3.2㊀模型验证和射孔参数优化为检验模型的准确性,构建了如表2所示的新7012023年㊀第51卷㊀第3期穆总结,等:射孔参数对套管损坏规律研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀射孔参数组合进行交叉检验,结果如图15和图16所示㊂表2㊀回归模型交叉检验试验的参数组合Table 2㊀Parameter combination of the regression图15㊀A 组预测曲线与计算结果Fig.15㊀Prediction curve and calculation results for Group A图16㊀B 组预测曲线与计算结果Fig.16㊀Prediction curve and calculation results for Group B㊀㊀结果表明,在可接受的误差范围内,回归模型较好地拟合了孔数㊁孔径㊁孔密㊁相位与屈服强度损害系数的影响㊂由于原始拟合数据范围的限制,在孔数较多时,孔数与孔密㊁孔径间的相关性没有被较好地拟合,体现为A4组误差率上升;且对于相位造成的影响描述还不够精确,在一定程度上增大了误差,体现为A2组误差率上升㊂多元回归分析的方法适用于有足够数据的情况,可以快速得出参数之间的相互关系,在拟合数据范围内回归模型具有较好的准确性㊂但孔数与孔密之间的相关性使得在孔数较多时预测结果会有较大的偏离㊂梯度下降法是求解优化复杂预测模型时的常用方法,适用性较广㊂针对射孔参数与套管屈服强度损害系数的多元线性回归预测模型:α=β0+β1x 1+β2x 2+ +βk x k =ðβi x i(15)采用梯度下降算法对射孔参数的选取进行优化㊂假设以下场景,在确定相位为120ʎ㊁孔数为10孔㊁限定最小孔密为15孔/m 的情况下,选定α不能小于0.85作为寻优标准,要求寻找到此标准下的最优孔密㊂从φ(0)=10mm 和k (0)=10孔/m 出发,每次下降步长为n =0.1,每次迭代孔径和孔密参数沿其梯度下降方向进行移动,移动方式如下:φ(j +1)i =φ(j )i-n α φk (j +1)i=k (j )i -n α k ìîíïïïï(16)由于函数值会随着最快梯度方向下降,故需要对最小孔密做出限制㊂在孔密小于15孔/m 时,则只增大孔密参数进行迭代,避免函数值沿孔径参数快速下降㊂每次迭代后判断α-0.85ȡ0.0001是否成立,成立则沿梯度方向继续移动参数,直到导出结果㊂根据式(16),在上述场景下,其梯度下降寻优迭代过程如图17所示㊂最终得出的最优孔密为15.27孔/m,最优孔径为18.04mm㊂图17㊀梯度递减算法寻优过程Fig.17㊀Optimization process of gradient descent algorithm4㊀结㊀论(1)利用有限元分析软件,建立单簇射孔套管的参数化模型,采用控制变量法对相位㊁孔密㊁孔径3个射孔参数进行试验设计并求解㊂对结果进行分析对比发现:孔径越大,孔眼应力集中越严重,对套管损坏影响越大;孔密越大,越能缓解孔801 ㊀㊀㊀㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械2023年㊀第51卷㊀第3期眼的应力集中,有利于减小孔眼应力集中和套管变形;相位对于套管的影响规律性较小,但周向上孔眼越接近,对套管的损坏越严重㊂综上可知,对套管屈服强度损害系数的影响由大到小的排列顺序为:孔径>孔数>孔密>相位㊂(2)通过多元回归分析方法,得到高精度的拟合函数,表达了射孔参数与套管强度间的影响规律;结合梯度下降算法在回归方程的值域空间,寻找到了满足人为给定条件下的最优射孔参数组合,给出了射孔参数的规律描述方法和参数寻优流程㊂(3)在仅考虑套管失效的情况下,应当选择小孔密㊁小孔径㊁少孔数的射孔参数组合㊂实际情况中由于生产开发的需要,射孔参数要服务于产能,则按照射孔参数对套管屈服强度的权重分析,应当采用小孔径㊁中孔数㊁高孔密射孔的射孔参数组合㊂部分参数确定情况下,可依据建立的回归模型,采用梯度下降算法进行射孔参数组合的优选㊂参㊀考㊀文㊀献[1]㊀刘合,刘伟,王素玲,等.水平井体积压裂套管失效机制研究现状及趋势初探[J].中国石油大学学报(自然科学版),2020,44(6):53-62.LIU H,LIU W,WANG S L,et al.Research statusand development trend of mechanisms of casing failurecaused by volume fracturing in horizontal wells[J].Journal of China University of Petroleum(Edition ofNatural Science),2020,44(6):53-62. 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射孔套管强度的有限元分析
射孔套管强度的有限元分析范薇，张光伟（西安石油大学，西安 710065）摘要：在水力喷砂压裂作业的实施过程中，水力喷射过程中需刺穿套管，产生圆形的孔眼，从而引起套管强度下降的问题。
而不同的孔径和布孔方案对套管强度的影响不同，研究射孔对套管强度的影响就显得十分重要。
本文对几种典型的水力喷砂压裂工艺中的布孔方案，利用 Solidworks进行三维建模，然后导入ANSYS软件对井下水力喷射后造成的套管强度问题进行了有限元分析，得出该布孔方案对套管强度的影响，从而得出符合套管强度的布孔方案。
关键词：水力射孔；套管；强度；有限元引言水力喷砂压裂工艺在二十世纪90年代末以来，在国外油田不断的发展和应用。
近几年来，国内油田也开始采用水力喷砂压裂工艺进行水平井增产改造。
但是在该工艺的实践中，水力射孔时应注意布孔问题，射孔太多会对套管强度产生影响，甚至会破坏套管，造成油田的损失。
本文通过ANSYS 对该工艺中出现的布孔方案进行了研究，得出了合理的布孔方案。
1三维模型的建立1.1 基本假设（1）忽略套管的椭圆度及壁厚不均匀度。
（2）假设所射孔眼均未堵塞,射孔孔眼不存在偏心，孔眼中心轴线与套管轴线垂直并相交。
（3）每个孔眼都是圆柱形，孔眼的直径、长度均分别相等，不考虑孔边毛刺及裂纹。
（射孔套管抗挤强度综合因素有限元分析）1.2 套管的特性参数取井下2m长的一段套管进行研究，表1是该套管的几何和材料参数。
表 1 套管的几何参数和材料参数材料名称 外径（mm）厚度（mm） 弹性模量（GPa） 泊松比 密度（kg/m3）屈服强度（MPa）N80套管 139.7 7.72 200 0.3 7850 550 1.3 布孔方案和模型的建立本文主要有四种布孔方案，且孔径都为8mm。
1-1 剖面示意图 1-1 剖面示意图图 1 第一种布孔方案图2 第二种布孔方案基金项目：中石油股份公司“水平井低渗透改造重大攻关项目”重大攻关项目，陕西省教育厅专项科研计划项目（07JK368）作者简介：范薇(1984-),西安石油大学机械制造及其自动化专业硕士研究生。
射孔围压对储层出砂砂岩力学特性的影响
体运动对砂岩颗粒的作用力要大， 砂岩的破坏 由围压决定， 而流体运动主要携带 砂岩颗粒． 该成果为不同赋存环境的砂岩储层出砂预测提供 了重要的理论依据．
关键词 ： 砂 岩储 层 ； 围压 ； 三维颗粒流数值模型 ； 力学效 应 ； 控制作用 ； 出砂
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ ０５ － ０３ － ： 修 订 日期 ： ２ ０ １ ３ ０７ － － １ ５
基金项 目： 国家 自然科学基金（ ５ １ １ ０ ９ ２ ３ １ ） ； 重庆市 自然科 学基金 （ ｃ ｓ ｔ ｃ ２ ０ １ ２ ｊ ｊ Ａ ９ ０ ０ ０ ５ ） ； 武汉 大学水资 源与水电工程 科学国家重点实验室开放基金 （ ２ ０ １ ２ Ｂ １ ０ ０ ） ； 中央高校基本科研业务费（ １ ０ ６ １ １ ２ ０ １ ３ Ｃ Ｄ Ｊ Ｚ Ｒ ２ ０ ０ ０ ０ ４ ） 作者简介 ： 刘先珊（ １ ９ ７ ８ 一） ， 女， 博士 ， 副教授． Ｅ ・ ｍａ ｉ ｌ ： ｌ ｚ ｍ ｏ ｕ ｍ ｏ ｕ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｎ ｒ
或理论模型考虑生产压差 、 产能与出砂之间的关系， 在考虑 围岩压力的过程 中， 一些学者 着手研究采油过程中围岩对岩石渗透性的影响 ， 如任和爱 Ｊ 、 郑玲丽 等基于试验研究不 同围压对低渗砂岩渗透性的影响 ， 试验结果间接反映了围压和渗流对砂岩力学特性的影响． 由于 实际储 层赋 存环 境 的复杂 性 ， 油藏 开采 过程 的地 层压 力 、 流体条 件等 的改变 都会 对储层 砂 岩受力 产 生直接 的影 响 ， 而单 一 室 内试 验结 果 的通用 性较 差． 为 了更 准确地 反 映 储层出砂机理 ， 随着数值计算理论和计算机性能的提高 ， 从细观角度分析不同条件对砂岩
地层出砂及射孔对套管屈曲损坏的影响分析
出砂 引起套 管 临界 屈 曲载荷 的影响 ，从 而确定 合 理 的射 孔参 数 ，提 高 套 管 临界 屈 曲载 荷 ，为 预 防 出砂 引起 的套管 屈 曲损坏提 供理论 支撑 。计算 结 果表 明 ，在 出砂严 重 的地层 ，应 选 择 合理 的射孔 孔 密和相位 ，避 免选 用相位 １０ 射孔 。如果 出于产 能考 虑 ，必须 要采 用 １０ 相位 射 孔 ，射孔 孔 密 ８。 ８。
１ 套管屈 曲损坏 有 限元力 学模型
１ １ 建 立 模 型 ．
步 被掏空 ，从 而使套 管失 去侧 向约束 力 ，原来 作用
在地 层上 的上覆 地层 重力转 移 到套管 轴 向上 ，从 而
根 据 出砂套 损 机 理 分 析 ，应 用 Ａ Ｓ Ｓ软 件建 ＮＹ 立 了如 图 １ 示 的套管 屈 曲力 学模 型 ，模 型 为实体 所 仿 真 模 型 。套 管 外 径 Ｄ 为 １９ ７ ｍｍ，壁 厚 ｔ为 ３ ． ７７ ． ２ｍｍ，套管 长度 为 ２ｍ （ 虑细长 结构 ） 考 。 射孔 采用射 孔 作 业 中 常用 的 ６ 、９ ０ ０和 １０ 相 ８。 位 ，孔 密 为 ０ １ 、２ 、２ 、３ 、４ 、５ 和 ６ 、 ６ ２ ８ ６ ４ ４ ２ 孔／ ｍ，共建 立 了 ２ ２个模 型。 图 １为 ６ 。 位 模 型 ， ０相 右 图为剖面视 图 ，射孔 孔径为 １ ｍ。 ２ｍ
使得 套管轴 向上 的载 荷增加 ，当超过 此段套 管 临界
屈 曲 载 荷 后 ， 套 管 发 生 屈 曲 ， 即 套 管 弯 曲 损
坏 一 。
在 结构 的屈 曲 理 论 中 ，细 长 构 件 （ 细 长 套 如 管 ）在 轴 向载 荷 的作 用 下 具 有 屈 曲 的性 质 ，即 结 构失稳 。当作用在 构件 上 的载荷 相 当小 的时候 ，载
射孔过程中套管强度分析赵友红
射孔过程中套管强度分析赵友红发布时间：2023-05-27T02:44:11.653Z 来源：《中国科技信息》2023年6期作者：赵友红[导读] 目前，石油钻井过程中，射孔完井已经作为完井方式中的较常用的一种。
油气井射孔的主要作用是建立井眼与储层的油气流通通道，便于储层的流体流入井筒，最终流向地面。
中石化江汉石油工程有限公司钻井二公司湖北武汉 430074摘要：目前，石油钻井过程中，射孔完井已经作为完井方式中的较常用的一种。
油气井射孔的主要作用是建立井眼与储层的油气流通通道，便于储层的流体流入井筒，最终流向地面。
射孔作业时射孔弹在爆炸的瞬间产生极大的射流速度并产生上万度的高温，套管不可避免会产生一定的损坏，损坏的形式包括套管变形、出现裂纹等，套管的完整性失效问题严重威胁着后续的安全生产。
针对此问题，本文主要研究了射孔作业时套管强度分析的研究。
关键词：地层；射孔参数；套管强度1.背景在整个射孔的过程中，射孔弹的爆炸产生的能量穿透套管进入储层，进一步在储层中开辟裂缝，建立储层-井筒之间的油气流通通道。
通过调研生产数据表明，射孔的过程中会对套管强度，裂纹，腐蚀等产生较大的影响，目前射孔过程中造成的套管损坏占整个套管损坏的比重较大，严重的影响钻井施工进程，增加了钻井成本，所以目前在射孔对套管的损坏的影响研究越来越多，减少套管损坏有利于快速提升钻井技术的发展。
射孔弹在爆炸的瞬间产生极大的射流速度，高达7000～9000m/s，同时产生100000C的高温，形成极大的压力脉冲，对套管的强度安全产生较大的影响，目前对套管在压力脉动作用下的动地应力释放机理和套管安全强度影响尚有待深入研究。
通过研究在不同的射孔方式、参数的条件下对套管强度的影响分析，探索在不同的射孔参数条件下射孔对套管强度的影响。
2.射孔作业下套管强度计算当前，研究射孔过程中套管强度影响，由于套管埋藏较深，套管强度的影响因素较多，各因素之间的关联与相互作用复杂，假若只考虑地层的边界条件对套管的影响，将地层作用等价成均匀载荷作用于套管，未将地层与水泥环的综合作用因素影响。
射孔对套管的影响
射孔对套管损坏的影响研究1.1射孔对套管损坏的影响分析1.1国内外油田射孔套管损坏现状由于长期注水开发, 加之频繁的措施作业及井身结构、完井固井质量、套管材质及腐独等诸多因素的影响, 近几年, 各油田套管损坏速度呈直线上升趋势。
70年代以来，我国油田套管损坏十分严重。
据不完全统计，从1979年初到1983年底，全国套管损坏油气井数已达到3000多口。
到1991年底，全国套管损坏油气井数已超过4500口，1993年底已达10800多口。
近年来，套管的损坏在国外油田也呈上升趋势。
油、气井套管损坏，最早是在玉门油田发现的。
80 年代前期，大庆、吉林、江汉等油田先后出现了不同程度的套管损坏。
80 年代后期，华北、中原、胜利、青海、长庆、辽河、四川等油田也出现了不同程度的套管损坏。
90 年代以来，上述大部分油田套管损坏呈直线上升趋势。
而且，我国西部的吐哈、塔里木等油田也出现了套管变形。
可见，我国多数油田都出现了严重的套管损坏，截至1994年，套管损坏并已达13500多口，给油气生产带来了严重的损失。
为什么我国各油田会出现如此多的套管损坏井呢？不少油井建成不足 1 年的时间，有的刚建成1个月就出现了套管严重变形，甚至错断，被迫停产，这些问题值得从理论上和在实际工作中加以总结与研究。
而美国1989年的统计表明，过去10年中，每年美国钻井花费总额平均超过220亿美元，而用于套管的约35亿美元，占年平均开支的16%左右，在所有钻井项目中居第二。
套管的损坏严重妨碍了油田的正常生产，已成为目前国内外石油开采中的一个急需解决的重要问题。
1.2套管损坏的影响当套管损坏井数达到一定数量后，就会给油田正常开发带来难以弥补的损失。
（1）导致注采井网层系布局越来越不合理虽然多数套管损坏井尚能带病工作，但难以进行增产、增注措施，使开发方案的规划和实施常受井况限制。
（2）导致原油产量下降套管损坏影响油田生产有三种情况：①油水井套管损坏严重的关井停产；②套管损坏轻微的带病生产；③注水井套管损坏不能正常注水，影响油并生产。
连续油管喷砂射孔套管分段压裂新技术的应用
连续油管喷砂射孔套管分段压裂新技术的应用基于非常规油的勘测与开发工作逐步拓展，压裂增产技术的应用范围不断拓宽，所以，研究以及分析连续油管喷砂射孔套管分段压裂新技术的应用，是确保非常规油开发与应用的有效手段。
本文以压裂增产技术的应用原理以及应用流程为理论依据，重点对压裂增产新技术的现场应用进行重点分析，希望通过对油管封隔器的分级设定、作业周期以及操作工艺选择等方面的研究，可以为致密气藏、多级增产等方面提供微薄帮助。
标签：喷砂射孔；封隔器；应用0 引言连续油管喷砂射孔套管分段压裂新技术的应用，其实质是采用多级压裂的方式，对非常规油开采方面进行作业，该项技术的应用主要以封隔器进行分层开发，并利用不同的排管对连续油管进行精确定位，这是实现多层油管压裂的有效途径。
在对连续油管喷砂射孔套管分段压裂新技术进行针对性研究的过程中，需要从技术应用、分层设计等方面进行综合分析，在落实喷砂射孔的基础上，实现压裂增产技术的应用效果提升。
在利用新型技术对连续油管进行定位的过程中，需要注重喷砂射管的有效套用，这是实加砂压裂的有效途径。
之所以对连续油管喷砂射孔套管分段压裂新技术的现场应用展开讨论，是因为非常规油的勘测以及开发仍然需要进一步提高，这是本次对压裂增产技术现场应用方面进行针对性研究的核心目的。
1 技术应用原理及流程1.1 技术应用原理在利用连续油管喷砂射孔套管分段压裂新技术实非常规油勘测与开发阿德过程中，其工艺原理主要以喷砂射孔设定为主，并利用贝努利原理，对喷嘴进行节流设定，以此确保喷射冲蚀的有效控制。
连续油管喷砂射孔套管分段压裂新技术在具体应用的过程中，是利用压裂车泵进行高压输送，通过混砂车对实现射孔液的地层注入。
在对喷射孔道进行设计的过程中，其孔道直径控制以25mm为基本参数。
在落实射开套管后，需要对套管进行压裂，以此实现施工排量的有效提升[1]。
1.2 技术应用流程首先，连续油管喷砂射孔套管分段压裂新技术的工艺流程是从连续油管开始，其油管主要以机械式的套管定位为中心，充分利用套管喉箍对其管道位置进行定位。
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出砂、压实段射孔套管力学性能研究
储层出砂在射孔炮眼附近形成空洞,空洞的形成改变了射孔段套管的载荷,加剧了射孔段套管的应力集中以及射孔段套管所受外挤载荷的非均匀性。
随着空洞持续扩大和储层压实作用,射孔段套管将承受轴向压力作用,并出现轴向失稳弯曲,加大了射孔段套管毁坏的风险。
为此,本文主要考虑储层少量出砂、大量出砂及套管外部形成空洞的不同形态,分析了射孔段套管的载荷和强度安全性。
首先,简要分析储层出砂压实机理、储层出砂压实引起套管损坏机理和出砂压实段射孔套管的空洞形态。
随后,通过分析储层出砂压实对套管轴向力的影响,考虑不同出砂程度在套管外围形成空洞的大小、形状,分别建立套管出砂形成空洞的三维有限元力学分析模型,考虑轴向压力、内压和外压对套管的联合作用,考虑不同出砂程度有限元模型的加载面积与形式,得出不同空洞大小、不同出砂程度和出砂分布对射孔段套管强度安全性的影响;得出不同生产压差及改造压力与射孔参数和射孔套管等效应力间的关系,并确定出砂压实段射孔套管的临界压差。
为了直接求得套管的抗挤强度,将未射孔套管作为轴对称的圆柱壳体,将射孔套管孔边应力求解作为无限大圆柱壳体的孔口问题,运用板壳理论分析了弯矩和压差作用下未射孔套管抗挤强度计算公式和射孔套管孔边应力分布公式,并用有限元分析进行了验证,得到压差作用下套管孔边应力理论解和有限元解很吻合,误差仅在1.12%以内。
分析表明本文给出的未射孔套管抗挤强度分析计算公式和射孔套管孔边应力分布计算公式可以辅助工程研究。