压裂管柱力学分析
分层压裂管柱失效原因浅析及治理对策探讨
分层压裂管柱失效原因浅析及治理对策探讨摘要：油田开发进入中、后期，层间矛盾越来越突出，油层污染越来越严重，而分层压裂是解除层间矛盾突出井油层污染最有效的措施之一，而在分层压裂过程中，分层压裂管柱失效是造成分层压裂失效的主要原因。
本文针对分层压裂管柱失效的问题油管、封隔器等方面，结合具体的典型井例进行了较详细分析。
关键词：分层压裂封隔器管柱失效随着油田开发的逐步深入，压裂作为油田开发最要的增产措施之一，对提高油田开发效果起着至关重要的作用。
油管和封隔器是分层压裂管柱最重要组成部分，它们直接决定着分层压裂的成败。
2013年我采油一队实施分层压裂45次，其中因管柱失效造成分层压裂失败24井次，占总压裂井次的53.3%，因此提高分层压裂管柱的有效性是解堵油层污染，增液增油前提条件之一。
对于油田实现长期稳产，高产具有十分重要的意义。
一、原因分析结合2013年分层压裂井，对管柱失效的原因进行了较深入的分析。
根据对压裂井失效的原因进行了统计分析，造成压裂管柱失效的原因主要由以下几个方面：1.油管刺漏管柱刺漏是造成压裂失败的主要原因之一，2013年，管柱刺漏造成压裂失败9井次，占压裂失败井次的37.5%。
分析管柱刺漏的主要原因：1.油管长期服役造成油管老化；2.在油井生产过程中，油管和抽油杆偏磨造成油管内壁存在磨损段；3.井下作业起下油管过程中，对油管丝扣造成了一定程度的损伤。
2.封隔器失效封隔器失效是压裂失败的最主要原因，2013年，封隔器造成失败15井次，占压裂失败井次的62.5%。
分析其主要原因如下：2.1封隔器密封件损坏随着压裂液对封隔器的侵蚀和封隔器在井下工作时间的延长，封隔器密封件的应力随时间逐步衰减。
应力衰减分两个阶段：第一阶段橡胶材料较松弛键的破坏和重新配置；第二阶段是牢固键的破坏和重新配置（化学衰减）；其结果导致胶筒弹性减小，塑性增加。
另外由于管柱蠕动造成胶筒损坏，导致封隔器不密封而管柱失效。
酸化压裂管柱力学分析及参数优化研究
由于不能掌握管柱在不同井况工况下 的受力状况，封隔器的蠕动情况不能很 好的把握，反过来影响了管柱中封隔器 位置的优化设计，封隔器易蠕动失效。
1.2 酸压管柱在应用中存在以下问题
(3) 缺乏对管柱最易破坏状况的了解
在施工中，不能找到油管在最恶劣工况条 件下可能发生破坏的原因及部位。
1.3 研究内容
(4) 计算单一、组合油管的强度，找到油管在最恶劣工
况条件下可能发生破坏的原因及部位，优选油管，提出增 加锚定、扶正或补偿的措施。
1.3 研究内容
(5) 通过计算管柱在封隔器坐封、解封及其压裂施工、 停压状态时的伸缩变形量和轴向应力，分析在不同工艺参 数下造成管柱及封隔器失效的原因，提出解决方案。 (6) 管柱中各工具之间相互作用，力与运动的传递关系 研究，提高工具动作及管柱可靠性研究。 (7) 在管柱力学分析的基础上，进行管柱优选和结构优 化理论研究。 (8) 建立酸化压裂管柱配套工具数据库。 (9) 编制酸化压裂管柱力学性能综合评价系统软件。
力平衡
力矩平衡
⎧ dM t ⎪ ds = μ t ⋅ R ⋅ N ⎪ ⎪ dM b = Qn ⎨ ⎪ ds ⎪τ ⋅ M b + K ⋅ M t = Q b ⎪ ⎩
3.5 物理方程
对于圆截面弹性管柱，假设管柱抗弯矩刚度 EI，则物理关系为
M b = EIK
dM b dK = EI ds ds
d 2M b d 2K = EI 2 ds ds 2
1.5 技术思路
项目调研，资料收集 管柱结构、工作机理分析 管柱接箍受力研究 4in、5in、5½in、7in井 直井、斜井、水平井 自重、浮力、内外压差、 温度场、流体摩阻等 不同工况（下井、坐封、 工作等）
测试管柱力学分析
加载时轴向力分析
B区：在A、B两区的交界附近，管柱上下 端轴向力都有明显的下降现象，这是从平 面弯曲向空间弯曲转变的重要标志。在变 形形状改变时（由平面屈曲到螺旋屈曲）， 管柱发生瞬时跳跃，积累的变形能重新分 布，致使轴向力下降。
加载时轴向力分析
变为空间屈曲后，管柱在弹 性力作用下，仍然具有承载能力，所以整 段管柱并没有直接贴向井壁，而是处于悬 垂状态，偶尔有个别点接触井壁，接触力 也比较小，因此在B区管柱上下两端的轴 向力仍然基本平行，其高度差为管柱自重。 图中显示这一段轴向力上升幅度很小，位 移变化量比较大。
测试管柱分析
为了保证测试的安全性，在测试前，必须 对测试管柱进行强度校核和变形分析，得 出整个系统的综合安全系数，从而可以更 好的指导我们进行测试作业，确保整个测 试过程的安全性。
测试管柱力学分析
引言 垂直井眼中管柱的稳定性和螺旋弯曲分析 测试管柱静力学分析 测试管柱动力学分析
引言
油井管柱是油井试油作业的主要承载和动力 传递构件。在作业或生产过程中，管柱要承受内 压、外压、井底钻压、自重、粘滞摩阻、库仑摩 擦力、井壁支反力、活塞力等多种外载的联合作 用。在这些外力的联合作用下，管柱有可能发生 正弦或螺旋失稳弯曲；并进而使管柱与井壁之间 的法向正压力以及库仑摩擦力急剧增加，严重时 可能发生自锁。特别是在水平井、定向井中，摩
螺旋屈曲阶段
由于管柱较长，D点之后管柱出现螺 旋状变形。此后相当长一段时间，空间螺 旋处于发展阶段，轴向力与变形基本呈正 比（相当于一弹簧），直到E点。在E点附 近，摩擦力的影响又开始显现，从而影响 了变形的进一步发展，造成载荷浮动。
螺旋屈曲阶段
从E点到O点，尽管轴向力上下 浮动较大，但是平均值却变化不大。在这段，轴 向力反复出现峰值和谷值，反映了变形对轴向力 的影响。DE、GH、JK、N0段是能量积累阶段， 轴向力与变形近似呈正比。EFG、HIJ、KLMN 段是释放能量阶段，能量释放（摩擦释热），管 柱缩短（热胀冷缩），使变形向纵深发展阶段， 由于受到摩阻影响，中途出现台阶。可以想象， 如果没有摩擦力影响，E0段将是比较平滑的。
4 测试管柱的力学分析
4 测试管柱的力学分析测试管柱在井筒中要受到各种外力的作用，如内外压力、重力、井壁的反力等的作用。
这些作用力与温度共同作用在测试管柱上，造成管柱的变形，如拉伸变形和屈曲变形等，以及在测试管柱中产生内力，如轴向力、弯矩等。
如果这些变形或内力过大，就可能对测试管柱产生损坏。
在不同的操作中，这些外力是不同的。
因而，各种工况所产生的内力也不尽相同。
例如，下放测试管柱时，测试管柱受的外力为重力和完井液对管柱的浮力，上部则由钻机大钩吊着；在坐封时，大钩逐步加上钻压，即松弛力，使封隔器坐封；在开井时，测试管柱中有天然气流过，因而测试管柱内外压力会发生变化，此外，测试管柱的温度变化会使管柱伸长。
因此，在分析时必须根据不同工况进行具体分析。
管柱在受到外力作用时产生变形，根据不同的内力，变形有所不同。
众所周知，当管柱的轴向力是受拉时，管柱只是伸长，而当管柱的轴向力是受压时，除了轴向缩短外，对于这种长细比很大的管柱，管柱还会产生屈曲变形。
屈曲变形反过来又会影响内力。
因此，对测试管柱在井筒中的力学分析有助于合理地设计测试管柱及其测试操作。
在本章中，我们研究井眼中管柱的受力分析、受压部分的屈曲分析和测试管柱的强度分析。
4.1 测试管柱各工况的受力分析在地层测试过程中，需要进行测试管柱的下放（简称为下钻）、用低比重流体替代测试管柱中的流体（简称为低替）、封隔器坐封（简称为坐封）、打开井口关井阀诱喷（简称为开井）、井下关井阀关井（简称为1关）、井口关井阀关井（简称为2关）、高比重泥浆循环压井（由井口油管将高比重泥浆压入，从环形空间流出；简称为循环）或高比重泥浆反循环压井（由井口环形空间将高比重泥浆压入，从油管流出；简称为反循环）和压裂与酸化（简称为高挤酸）等操作。
在这些操作中，测试管柱受力是不一样的。
下面我们根据不同工况分析测试管柱的受力情况。
4.1.1 下钻完 测试管柱在下放的过程中，井眼中存在有完井液。
测试管柱此时受有重力、悬挂力和液体的作用力（浮力）。
连续油管水力喷射环空压裂管柱受力分析及校核
束 条 件 下 对 不 同弯 曲程 度 的 油 管 进 行 轴 测 向力 耦 合 分
析， 建 立 三 维 空 间 管 柱 轴 侧 向载 荷 的力 学 模 型 ， 将 管
柱分为ｎ 段， 依 次从下 向上进 行计算 ， 如 图３ ． １ 所示 ：
（ １ ） 环 空 摩 阻
／ 一
图３ １三维空 间管柱单元圆弧 曲线
当压 裂 液只在管 中流动 时压力分 布：
ｄ Ｐ
：ｐ ￣ ｇ ｃ ｏ ｓ 一 ｆ
（ ２ ． ５ ）
建立 管柱单元平衡 方程 ：
ｑｄ ｌ ｃ ｏ ｓｆ
一
一
一
＃ （
２
＋
，
式中： Ｐ ： 管压 ， Ｍｐ ａ ； Ｐ ： 注入 液体密 度 ， ｋ ｇ ／ ｍ ； ， ： 井
‘ ３ ・ ’
压 裂 过程 中， 压 裂液 流 经 射孔孔 眼泵 入 地 层 ， 摩阻计
算公 式 ：
ｎ ２
Ｆ ＝ １ １ ． ３ ＥＩ Ｋｊ
式中： ： 测段平均井斜角， ＝ （ ． ＋ 。 ） ／ ２ ， 。 ； ， ： 管
０ ・ ０ ２ ２ ４ ４ —
△
空摩 阻和近 井摩 阻， 近 井摩 阻主要 为射孔 孔眼 摩 阻和近 井 弯 曲摩阻 。 基 于工 程流体力学 、 岩石力学 等相 关理论 ， 建 立 环 空 摩 阻、 射 孔孔 眼摩 阻和 近 井迂 曲摩 阻 的数学 模 型 ， 并
对 模 型 参 数 及 物理 意义 进 行分 析 和 求 解 。 准 确 计 算压 裂 过程 的压 力对 于压 裂 裂 缝扩展 模 拟 、 压 后产 能评 价、 压 裂 管柱 受力 分析乃至施 工 成功 完成具 有 重要意义 。
大斜度井压裂管柱力学分析与下入性分析_张...
河南科技2011.12 下72工业技术INDUSTRY TECHNOLOGY对于大斜度井，尤其是中短半径井眼，曲率较高，压裂管柱在下入井眼弯曲段的过程中会受到管柱自重、残余钻井液浮力、钻井液流体摩阻、内压力、与套管（裸眼处为井壁）接触产生的摩擦力和正压力等作用，产生较大的变形和弯曲应力，依靠压裂管柱的自重无法顺利下入。
对此，笔者通过对大斜度井压裂管柱的受力分析、管柱弯曲强度分析，并考虑管柱自锁情况，以此来判定压裂管柱能否顺利下入。
一、压裂管柱下入性分析及下入准则1. 基本假设。
物体受力后实际表现的力学性能非常复杂，若精确考虑各种因素，将难以导出其力学方程。
因此需对井眼中压裂管柱受力情况适当简化：压裂管柱各向同性；压裂管柱和套管（裸眼处为井壁）连续接触，管柱轴线与井眼轴线一致；套管和裸眼处井壁为刚性；压裂管柱单元所受重力、钻井液浮力及黏滞阻力、摩擦力以及正压力均匀分布；不考虑起下压裂管柱时产生的动载荷。
2. 管柱受力分析。
下放管柱时，当管柱的轴向力大于其下入过程中所受的总摩擦力及钻井液黏滞阻力时，方可使管柱顺利下入预定深度。
（1）管柱的轴向力。
造斜点以上，管柱轴向力为T i +1 = T i + ρt g π（Dt －t 2）cos αi ± qg ΔL i ，i ＋1。
（1）造斜点以下，管柱轴向力为T i +1 = T i + ρt g π（Dt －t 2）cos αi ± qg ΔL i ，i ＋1。
（2）式（1）和（2）中，T i 和T i +1 为管柱浮重，单位为N ；L i ，i ＋1 为管柱垂直投影长度，单位为m ；q 为管柱线重，单位为kg/m ，g 为重力加速度，取9.8 m/s 2.。
从初始（管柱末端）位置迭代计算至井口，得出井口处管柱轴向力T 。
（2）套管（裸眼处为井壁）侧向力N i 和摩阻F 分别为F=∑F i 。
（3）F i =μN i 。
（4）式（3）和（4）中，F i 为管柱和井壁的摩擦力，单位为N ；μ为动摩擦因数，取值依据井况（扶正器有无、类型等情况）确定。
深井注水管柱力学研究
8EIcr4 8F 12EIcr4 F
sin
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管柱的螺旋屈曲分析
4 6 2 3 m 2 f Q 0 si n 0
n 4 4 3 2 m 3 2 f 2 Q 1s in
假设管柱螺旋屈曲后构型函数的渐近展开式为以下表达
式：
0 , 1 , O 2
f f0 2 f 1 O 4
管柱发生螺旋屈曲构型
多尺度 摄动法
,1 5Q 012sin
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3.3 管柱屈曲临界载荷分析
管柱发生初始正弦屈曲的临界载荷为
4 EI Fcrs Rrc
管柱发生初始螺旋屈曲的临界载荷为
Fcrh
7.56EI Rrc
F Fcrs，注入管柱不发生屈曲；
FcrsFFcrh，注入管柱发生正弦屈曲；
图6 压裂管柱的工作过程
8
9
二、主要研究内容、方法和成果
国内外文献综述 三维曲井中管柱轴向载荷分析 深井管柱非线性屈曲研究 深井注入管柱强度分析 深井注入管柱的轴向变形研究 井筒温度场的数值模拟 深井注入管柱内流体动态水力学研究 深井注入管柱流固耦合振动力学研究 深井注入管柱力学理论应用及软件开发
坐封球座
人工井底
图3 任意层选层酸化压裂管柱
注水层 注水层
管柱伸缩补偿器 压井洗井开关 水力锚 Y241可洗井封隔器 偏心配水器
Y341可洗井封隔器 偏心配水器
底部循环凡尔
图4 可洗井高压分层注水管柱
4
在充满井液的狭长井眼里工作，通常注入管柱要承受 拉、压、弯、扭、流体压力等多种载荷作用，再加上封 隔器等井下工具的约束，其受力、变形及运动状态十分 复杂。
分布 载荷
分布 载荷
深井压裂井下管柱力学分析及其应用_杜现飞 (1)
图 2 Y221 型封隔器坐封及锚定示意 1. 1. 3 坐封锚定时
施工过程中 , 井下管柱所受载荷主要由管串的自重 引起 , 同时由于工作液的注入导致油管和环空内温 度、 压力变化 , 会产生下列引起封隔器管柱受力和长 度变化的 4 种基本效应 : a) 活塞效应 由油管内 、外压力作用在管柱 直径变化处和密封管的端面上引起 。 b) 螺旋弯曲效应 由压力作用在密封管端面 和管柱内壁面上引起 。 c) 鼓胀效应 由压力作用在管柱的内 、外壁 面上引起 。 d) 温度效应 由管柱的平均温度变化引起 。 在受力分析过程中 , 把重点放在引起管柱受力 和长度变化的压力 、温度的变化上 , 而不是压力 、温 度最初值 。 所以 , 计算时 , 应从封隔器最初坐封的条 件开始 , 继而研究施工中条件的变化 , 而坐封前的管 柱自重伸长 , 下井时管柱随井温引起的长度变化 , 则 不在考虑之列 。 同时 , 由于高压流体的泵注 , 封隔器管柱要承受 内压 、 外压 、粘滞摩阻力等 ; 如果管柱发生屈曲变形 , 与套管有接触点 , 管柱还要承受套管支承反力 、弯矩 等 。 此外 , 坐封载荷依然存在 。
1. 1. 2 坐封锚 定前
压裂管柱坐封锚定前为一悬链形式 , 整个管柱 主要受自重 、 浮力的影响 , 其最大应力发生在井口 , 因此需对 井口 的 油管 和 螺纹 进 行受 力 分 析和 校 核[ 3] 。 首先计算管柱自重和浮力引起的合力 — — —浮 重 , 浮重引起的井口轴向力大小为 Fg = γ 1 - dx ∫ ρ来自ρ m( 1)
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“内压降低稳定 性，外压增加 稳定性”是错 误的。
对悬挂管柱，内外压强 对稳定性没有影响。 对于两端固定的管柱， 内压增加降低管柱的稳定性， 外压增加提高管柱的稳定性。
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压裂管柱力学分析
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压裂管柱力学分析
2.1 压裂作业
压裂类型
单封隔器
双封隔器
水力射流
套管注入
封隔器类型
卡瓦式
水力膨胀式
支撑式
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压裂管柱力学分析
2.9 所有作业过程的数学模型
(1) 下入 /起出/ 旋转, 预测/监测; (2) 通过能力; (3) 通过大钩负荷或转盘扭矩计算摩擦系数; (4) 油管柱封隔器坐封; (5) 注入 (无封隔器,单封隔器,双封隔器); (6) 油管柱封隔器解封。
0.062
0.0055
P-110
9.52
760.77
5758.29
4
接头
0.098
0.045
0.0265
P-110
46
0.31
5758.6
5
接头
0.098
0.045
0.0265
P-110
46
0.45
5759.05
6
RTTS 封隔 器
0.111
0.046
0.0325
P-110
62
1.18
5760.23
o
x
P1 Rp Ro1 V
P2
Ro2
Rw
Lp
y
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压裂管柱力学分析
2.6 油管柱的稳定性
分析了油管柱的正弦 屈曲和螺旋屈曲。
分析了屈曲后的状态。 A. Lubinski 定义的 虚构拉力是错误的。
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压裂管柱力学分析
2.数学模型
2.1 压裂作业 2.2 力学分析的目的 2.3 压裂过程中管柱的温度变化 2.4 流体压力计算 2.5 封隔器的活塞效应 2.6 油管柱的稳定性 2.7 拉力-扭矩模型 2.8 强度分析 2.9 所有作业过程的数学模型 2.10 油管柱优化设计 2.11 打捞、震击器起震、倒扣作业
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压裂管柱力学分析
2.5 封隔器的活塞效应
假设：(1) 井内液体为牛顿液体；(2) 液体不可压 缩；(3) 井筒液体与地层液体不联通；(4) 封隔器轴线 与井筒轴线重合。推导出了活塞效应的阻力公式。
用途
输入
参数
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
输出 参数
1 井眼轨道数据与三维图； 2 起下作业过程中任意条件下管柱的拉力、扭矩、与井壁的侧压力、安全系 数、稳定性和管体伸长量； 3 压裂、处理事故过程环空压力、管柱内压力、拉力、稳定性、安全系数和 管体伸长量等； 4 井下实际摩擦系数； 5 优化的管柱组合。
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压裂管柱力学分析
一、系统要求 中文Windows XP/2003+Office XP/2003系统环境； 系统环境为中文Windows XP + Office XP最优；系统低 于中文Windows XP或/和Office XP/2003，则可能不能 安装。 二、开发语言 Visual Basic 2008 中文版, TeeChart 7。
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压裂管柱力学分析
案例-S97-1
这是一口直井,深 5777m, 最大井斜角 1 °
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案例-S97-1
S97-1 压裂管柱
中国石油化工集团公司西北油田分公司工程技术研究院
7
油管
0.073
0.062
0.0055
P-110
9.52
9.63
5769.86
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压裂管柱力学分析
Pass through ability Tripping total depth valuation Tripping Tripping Rotating out in hookload hookload hookload Rotating torque Tripping Tripping out safety in safety factor factor
序号 管柱 名称 OD (m) ID (m) 壁厚(m) 钢级 质量 (kg/m) 长度 (m) 上接头 下接头 深度 (m)
1
油管
0.0889
0.076
0.00645
P-110
15.18
4997.18
4997.18
2
接头
0.094
0.062
0.016
P-110
31
0.34
4997.52
3
油管
0.073
L
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2.11 打捞、震击器起震、倒扣作业
打捞作业数学模型; 震击器起震数学模型; 倒扣作业数学模型。
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压裂过程中油管柱力学分析
过程 下到底 坐封 注入-封隔器固定 注入-封隔器滑动 最小安全系数 1.79 2.03 1.29 0.51 位置 (m) 井口 井口 井口 屈曲段 总伸长 (m) 10.07 8.45 8.37 -6.47
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压裂管柱力学分析
p pi Ro p
i
po
pi1 Ro Ri
po1
pi2 Ro Ri
po2
Ro Ri
po
Ri
Fz
Fz1
Fz1
Fs po Ao pi Ai
A
B
C
Fz2 Fz1 (1 2 )[(pi1 pi2 ) Ai ( po1 po2 ) Ao ]
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压裂管柱力学分析
2.8 强度分析
利用 (1) 拉力产生的轴向应力; (2) 扭矩产生的剪应力; (3) 井眼弯曲产生的弯曲应力; (4) 屈曲产生的弯曲应力; (5) 内外压强产生的产生的径向和切向应力; (6) 温度变化产生的温度应力。 得到 (1) 应力强度; (2) 安全系数; (3) 伸长量。
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2.10 油管柱优化设计
油管柱的优化是一个很困难的工作。 假设油管柱的顶部由2-3 级给定规 l1 格的油管组成，强度高的在上部，强度 低的在下部，仅优化第1至3级油管的长 l2 度使得油管柱的最小的安全系数等于额 定安全系数。 l3
2.7 拉力-扭矩模型
假设： (1)管柱处于线弹性变形状态； (2)管柱横截面为圆形或圆环形； (3)略去剪力对作业管柱弯曲变形的影响； (4)井壁呈刚性； (5)管柱与井壁连续接触； (6)油管的中心线可以用井筒中心线代替； (7)井内流体密度为常数，宾汉流体； (8)摩擦系数在某一口井或某一井段为常数； (9)管柱中动载不大，略去。 建立了油气井杆管柱拉力—扭矩模型，并给 出了应用方法。 见 SPE 26295.
三、物理量全部采用国际单位制。
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压裂管柱力学分析
4.应用
• S97-1 • AA
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