1、管柱力学分析测试报告 井下管柱力学分析及优化设计软件测试报告2007年12月井下管柱力学分析及优化设计软件测试报告目 录1前言 12软件介绍 12.1模型选择 12.2 核心功能介绍 13测试内容 23.1软件功能测试 23.2软件用户界面正确性测试 23.3软件计算模块测试 23.4测试环境 23.5测试准备 23.6测试人员 23.7测试步骤 33.8测试实例 3 B702井现场测试 34. 测试结论 10引进软件测试评价与应用安排责任书软件名称：井下管柱力学分析及优化设计软件软件用途：钻井、完井、采油、措施作业井下管柱的力学分析、设计以及校核软件主要模块清单：7个子系统：生产敏感性分析模
2、块、管柱组合设计模块、管柱变形分析、管柱摩阻扭矩分析、井眼轨迹图、管柱数据库。主要功能简述：1）计算井眼轨迹：采用了精确地自然曲线和螺旋曲线模型计算井眼轨迹：2）计算不同管柱点轴向拉力、侧向力与扭矩：对不同工况下（正常生产、酸化压裂、起钻、下钻、坐封、解封等）的井下管柱力学特性进行分析，计算管柱点轴向拉力、侧向力与扭矩；3）计算带封隔器管柱的伸长量：根据管柱力学理论，综合考虑虎克效应、螺旋弯曲效应、活塞效应和温度效应的影响，根据井下管柱与封隔器之间存在的不同关系（自由移动、有限移动、不能移动），计算相应的管柱的伸长量和综合应力等，从而判断封隔器是否解封失效等。4）管柱设计及校核：即计算不同管柱
3、组合（直径、钢级、壁厚、长度等）受力的（轴向拉力、侧向力）及稳定性与安全系数，从而优选出合理的管柱设计方案；5）计算井口动态载荷，包括钩载和转盘扭矩；6）计算摩擦系数，包括套管段与裸眼段；7）生成图、文、表并茂的分析报告，报告输出Word和EXCEL格式文档应用单位：石油工程所测试单位：北京雅丹石油技术开发有限公司测试安排：测试时间：2007年11月14日11月17日测试环境：P4；Windows XP操作系统；IE6.0测试人员：工程所：王丽荣、张传新、刘丛平、承宁、李桂霞、赵克勇、吴勇测试结果：该软件在Windows XP操作系统上运行正常。应用某油田的xx井的测试和验证，计算结果与实际生
4、产情况吻合较好。测试评价：该软件能够满足合同要求：1）该软件具有较好的系统性、开放性、灵活性、兼容性和稳定性。2）软件功能全面，计算结果准确、预测数据与生产实际具有较高的符合性。3）软件界面清晰，数据输入、调用简单。软件拟应用项目组岗位和应用人员：工程所采油采气工艺研究岗所有做采油采气工艺设计的人员都将应用本软件：张传新、关密生、王丽荣、李桂霞、承宁、刘从平、王亮、石善志、易勇刚、赵克勇、吴勇软件应用单位技术负责人意见：签名：院专业技术负责人意见：签名：院计算机软硬件装备负责人意见：签名：井下管柱力学分析及优化设计软件测试报告1前言近年来，随着国内外水平井、大位移井、深井的迅速发展，对钻井、采
5、油和措施作业工艺和装备提出了更高的要求，大位移斜井、水平井、深井中管柱的受力问题是一个十分重要的问题，处理的好，可以减少井下复杂情况，保证成功钻井、采油和措施作业，反之，则增加较高的事故处理成本，也难以保证钻井、采油和措施作业的顺利进行。在这种情况下，分析管柱的各项受力，为轨迹设计和装备选用乃至施工工艺设计提供合理的依据，是保证成功钻井、采油和措施作业的重要环节。如何才能实现这一需要呢？针对这种情况，我们开发了这个工具软件，能精确分析、计算管柱在井眼内的动态、静态受力状况，并对管柱的强度进行校核和设计，确保安全作业、生产。2007年11月14日11月17日，北京雅丹公司2名技术人员和工程所采油
6、采气项目组有关专业技术人员对井下管柱力学分析及优化设计软件进行测试工作。项目组共有专业技术人员19人，参加软件测试的技术人员7人。测试实例为港35-1。2软件介绍井下管柱力学分析及优化设计软件是基于Windows95/98/2000/NT/XP平台，使用面向对象的Visual Basic6.0 for Windows语言编写的程序。系统数据采用工程管理方式，工程管理方式中工程运行过程被记录、保存，用户随时可以停止工程，而不会担心工作成果丢失，可在停止的地方重新开始。软件输出数据可形成WORD文挡格式（.DOC），图形可形成位图格式（.BMP）。 核心程序经过中石油大港油田公司若干水平井提及中石
7、化西北局超深井的测试验证，结果表明软件稳定性好、运算速度快、设计符合率高、使用方便。2.1模型选择1) 力学模型选择：刚杆模型以及软杆模型等2）轨迹模型选择：自然曲线、空间圆弧和圆柱螺线。2.2 核心功能介绍1）带封割器管柱安全校核模块可以分析封隔器与油管的三种关系下，正常生产、座封、以及酸化、压裂作业时管柱的受力状况并校核其安全性。该模块的计算结果包括封隔器在不同工况的轴向载荷、油管底部压力、封隔器处油管外压、判断封隔器是否解封、计算中性点位置、判断管柱是否安全。2）摩阻扭矩与动载分析模块该模块采用圆柱螺线法和空间圆弧曲线法精确模拟三维井眼轨道、建立井筒、管柱、流体之间力学关系的方程组、采用
8、精确的数值分析方法求解，可以对生产及作业管柱进行摩阻扭矩分析和动载分析，以确定其安全性与稳定性。对于静态管柱，可以计算出各段的轴向力与侧向力、分段分析其稳定性。对于动态的起下管柱过程，可以计算出过程各个阶段的井口载荷与扭矩。所有计算结果均从用表格与曲线表示。3测试内容3.1软件功能测试以某油田xx井管柱受力分析对软件多个方面性能进行了详细的测试和验证，具体情况如下。3.2软件用户界面正确性测试软件数据输入采取向导型界面方式，界面数据自动检查和过程处理，提示出错信息；数据输入界面图表并茂，相关模块提供了经验公式和默认赋值形式，方便用户数据输入。输入、运行、结果查询界面都十分友好而且条理清晰。3.
9、3软件计算模块测试对不同模型、计算速度、计算结果、结果曲线、图形等进行了详细测试。3.4测试环境射孔参数优化设计软件要求的硬件、软件环境： 硬件环境：Pentium II以上的PC机，内存要在64M以上，建议内存128M，硬盘至少有800M的自由空间，显示要设置到800*600的16位增强色或更高。 软件环境：操作系统要中文Windows9X/2000/XP或更高。3.5测试准备1）P3/P4及其兼容机 WIN98/WIN2000/WINXP操作系统 IE6.0；2）收集65155井的生产数据、所在区块的粘温曲线数据、周期注汽数据等；3）有关必要的文档。3.6测试人员参加软件测试的技术人员7人
10、。测试人员：王丽荣、张传新、刘丛平、承宁、李桂霞、赵克勇、吴勇3.7测试步骤1）软件安装2）收集井相关数据3）根据整理的数据进行优化计算4）结果输出3.8测试实例该模块的测试包括港35-1井软件计算结果与现场实测数据对比以及张海502井试采管柱设计和校核。（1）港35-11）油井基础数据取全所需数据后，依次完成工程信息、静态数据、流体数据、生产数据等图1 港35-1井基础数据的建立2）模型设置及井斜数据的准备图2 力学模型设置及井斜数据3）计算结果 港35-1井身轨迹图A井身示意图图3B港35-1井水平位移与垂深关系图图4 载荷计算结果A井口拉力（动态载荷）计算表表1下深(m)拉力上限(kN)
11、拉力下限(kN) 实测数据误差率1750（造斜点）139.83141.471800143.56145.321850147.09148.991900150.28152.42150.350.05%1950153.20155.472000155.61158.092050157.56160.282100158.88161.832128159.31685.5%2150159.63162.832200160.16163.612250160.69164.392300160.98164.94B井口拉力曲线图5C摩阻扭矩快照（静态载荷）图6（2）张海502井井身轨迹图A井身三维视图图7张海502井身三维视图B井
12、身水平投影图图8张海502井身水平投影图C井身垂直投影图图9张海502井身垂直投影图张海502井油管动、静态受力分析图10 73.03mm （5.51mm）油管在张海502井中动态载荷与下深关系曲线图11 73.03mm （5.51mm）油管在张海502井中静力学参数沿井筒分布曲线图11 88.9mm （6.45mm）油管在张海502井中动态载荷与下深关系曲线图13 88.9mm （6.45mm）油管在张海502井中静力学参数沿井筒分布曲线张海502油管最大下深计算单级油管最大下深表2接头安全系数取1.8时单级油管最大下深计算表钢级接头油管外径（mm）壁厚（mm）许用载荷（KN）许用应力（MP
13、a）本体抗拉强度（MPa）接头抗拉强度（KN）本体安全系数最大下深（m）N80平式88.90 6.45 392.78 235.10 689.00 707.00 2.93 2258.00 N80外厚88.90 6.45 512.11 306.52 689.00 921.80 2.25 5387N80平式73.03 5.51 261.00 223.31 689.00 469.80 3.09 580.00 N80外厚73.03 5.51 358.39 306.64 689.00 645.10 2.25 2855.00 P110平式88.90 6.45 540.94 323.78 931.00 973
14、.70 2.88 5387P110外厚88.90 6.45 704.33 421.58 931.00 1267.80 2.21 5387P110外厚73.03 5.51 492.78 421.62 931.00 887.00 2.21 5387组合油管最大下深表3接头安全系数取1.8时组合油管最大下深计算表序号油管组成最大载荷（kN）最大应力（mPa）本体安全系数接头安全系数组合最大下深（m）钢级接头外径（mm）壁厚（mm）方案1N80外厚88.96.45512.11 306.52 2.25 1.80 5387N80平式88.96.45方案2N80外厚88.96.45477.20 285.63
15、 2.41 1.93 5387N80平式73.035.51方案3N80平式88.96.45392.78 235.10 2.93 1.80 2751N80平式73.035.51方案4N80外厚73.035.51358.39 306.63 2.25 1.80 2855N80平式73.035.51方案5N80外厚88.96.45440.95 263.93 2.61 2.09 5387N80外厚73.035.51试采管柱强度校核（下深3120米）表4 试采管柱校核钢级接头油管外径（mm）壁厚（mm）许用载荷（KN）许用应力（MPa）实际最大载荷（KN）实际最大应力（MPa）本体安全系数接头安全系数下深
16、（m）P110外厚88.90 6.45 704.33 421.58 442 264.53.52 2.873120表5 下入3120米管柱井口拉力对照表下深(m)拉力(kN) 下深(m)拉力(kN) 下深(m)拉力(kN) 500274.191400342.792300395.17550279.821450345.742350398.12600285.221500348.732400401.06650290.41550351.722450404700295.31600354.722500406.95750299.851650357.742550409.88800304.071700360.742
17、600412.77850307.941750363.732650415.62900311.491800366.632700418.47950314.791850369.512750421.371000318.151900372.362800424.351050321.431950375.192850427.331100324.562000378.062900430.31150327.682050380.892950433.221200330.752100383.713000436.171250333.792150386.533050439.121300336.852200389.3631004
18、42.081350339.842250392.25图14下入3120米管柱井口拉力曲线设计下深为3304米时的试采管柱强度校核表6 下深3304米电泵油管设计方案列表序号接头类型最大载荷(kN)最大应力(mPa)本体抗拉强度(mPa)接头抗拉强度(kN)本体安全系数接头安全系数安全与否方案1N80平式454.90 272.28 689.00 707.00 2.53 1.55 方案2N80外厚454.90 272.28 689.00 921.80 2.53 2.03 方案3P110平式454.90 272.28 931.00 973.70 3.42 2.14 方案4P110外厚454.90 27
19、2.28 931.00 1267.80 3.42 2.79 注：红色为推荐最佳方案；下同。表7 下深3304米电泵管柱井口拉力对照表下深(m)拉力(kN) 下深(m)拉力(kN) 下深(m)拉力(kN) 500274.191450345.742400401.06550279.821500348.732450404600285.221550351.722500406.95650290.41600354.722550409.88700295.31650357.742600412.77750299.851700360.742650415.62800304.071750363.732700418.47
20、850307.941800366.632750421.37900311.491850369.512800424.35950314.791900372.362850427.331000318.151950375.192900430.31050321.432000378.062950433.221100324.562050380.893000436.171150327.682100383.713050439.121200330.752150386.533100442.081250333.792200389.363150445.061300336.852250392.253200448.041350
21、339.842300395.173250451.021400342.792350398.123300453.99图15下深3304米电泵管柱井口拉力曲线下深4650米增产作业管柱设计A单级油管表8下深4650米增产作业单级管柱设计方案列表序号钢级接头油管外径（mm）壁厚（mm）最大载荷(kN)最大应力(mPa)本体抗拉强度（MPa）接头抗拉强度（KN）本体安全系数接头安全系数安全与否方案1N80外厚88.96.45504.66 302.06 689921.82.251.83 方案2P110平式88.96.45504.66 302.06 931973.72.881.93 方案3P110外厚88.
22、96.45504.66 302.06 9311267.82.212.51 图16下深4650米增产作业单级管柱拉力曲线B组合油管表9下深4650米增产作业组合管柱设计方案列表序号油管组成最大载荷（kN）最大应力（mPa）本体安全系数接头安全系数组合下深（m）钢级接头外径（mm）壁厚（mm）段长（m）方案1N80外厚88.96.452382512.11306.522.251.84650N80平式88.96.452258方案2N80外厚88.96.454070477.2285.632.411.934650N80平式73.035.51580方案3N80外厚88.96.451795440.95263.
23、932.612.094650N80外厚73.035.512855表10下深4650米增产作业组合管柱拉力对照表（方案3）下深(m)拉力(kN) 下深(m)拉力(kN) 下深(m)拉力(kN) 500255.691900322.63300394.63550259.591950324.513350398.52600263.322000326.433400402.36650266.92050328.333450406.16700270.282100330.223500409.91750273.422150332.113550413.57800276.312200334.013600416.94850
24、278.972250335.953650420.05900281.392300337.913700422.77950283.642350339.893750425.291000285.932400341.863800427.421050288.162450343.833850429.591100290.292500345.813900431.681150292.412550347.783950433.641200294.52600349.714000435.641250296.562650351.624050437.621300298.632700353.534100439.671350300
25、.652750355.474150441.691400302.652800357.474200443.711450304.642850359.464250445.761500306.662900363.354300447.91550308.682950367.194350450.051600310.713000371.054400452.241650312.743050374.934450454.381700314.783100378.844500456.221750316.793150382.794550457.81800318.743200386.744600459.221850320.6
26、93250390.694650460.26图17下深4650米增产作业组合管柱拉力曲线（方案3）4. 测试结论按照制定的测试计划，组织相关的技术人员，对井下管柱力学分析及优化设计软件，测试结果显示软件运行正常，性能稳定，计算模块计算结果在允许的精度范围内。该软件能够满足立项要求：1）该软件具有较好的系统性、开放性、灵活性、兼容性和稳定性。2）软件功能全面，计算结果准确、预测数据与生产实际具有较高的符合性。3）软件界面清晰，数据输入、调用简单。该软件采用了管柱力学分析的理论，建立了动态管柱设计、校核等方法；选用现场实际井数据进行了预测结果对比。现场试验证实,该软件能较为准确地预测井口管柱的载荷和扭矩，可以用进行管柱组合的设计以及油管钢级的选择。
