快捷搜索:

立异油气井杆管柱力学外面体例筹议

  油气井杆管柱是石油钻采作业的脊梁和中枢神经。油气井杆管柱力学主要研究钻柱力学、井眼轨道控制、套管设计、有杆泵抽油系统等内容。对油气井杆管柱进行系统全面、准确的力学分析, 可以实现快速、准确、经济地控制油气井的井眼轨道;准确地校核各种杆管柱的强度, 优化杆管柱设计;优化油气井井眼轨道;及时、准确地诊断、发现和正确处理各类井下问题;优选钻采设备和工作参数。

  燕山大学石油工程研究所教授、博士生导师李子丰等在国家“八五”重点科技攻关项目“石油水平井钻井成套技术”、国家“九五”重点科技攻关项目“侧钻水平井钻井采油配套技术”、“863”计划项目“旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究”和“海底大位移井钻井技术”、国家自然科学基金项目“防止热采井套管热破坏的固井新技术”等支持下,在建立油气井杆管柱力学理论体系研究方面取得多项重要创新性科学发现。

  一、提出了油气井杆管柱动力学基本方程, 该方程统一了原有的油气井杆管柱力学分析领域的各种微分方程, 为油气井杆管柱的各种动静态力学分析奠定了基本理论基础

  应油气田开发的迫切需要, 科学界自20世纪50年代以来针对油气井杆管柱的某些特殊问题已进行了较广泛、较深入的研究, 发表了数以百计的学术论文。特别是“七五”和“八五”期间国家组织的对定向丛式井和水平井的科技攻关, 使我国的油气井杆管柱力学研究水平大大提高。但所有的研究工作都是基于某项特殊需要而进行的。对某些问题,如动力问题和几何非线性问题研究较少。为此,需要对杆管柱动力学问题进行系统的研究, 建立统一的理论。

  李子丰教授通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析,推导了用于对油气井杆管柱进行各种力学分析的几何方程、运动平衡方程和本构方程。由于油气井杆管柱动力学基本方程统一了现有一切油气井杆管柱力学分析的微分方程,现有的油气井杆管柱力学分析的微分方程都可由该动力学基本方程通过适当简化而得到,所以,该基本方程在石油钻采工程界具有广泛的应用。

  二、建立了斜直井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型,指出了“虚构力”理论的错误

  石油工程中的钻柱、套管柱、油管柱和抽油杆柱在井筒中工作时在某些井段经常处于压扭状态,发生正弦或螺旋屈曲。屈曲后,杆管柱内的应力急剧增加,与井壁的摩擦阻力增加,会发生自锁现象,严重时可发生强度破坏。

  李子丰教授从油气井杆管柱动力学基本方程出发,推导了斜直井中受压扭细长杆管柱几何非线性屈曲的微分方程,建立了水平井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型,分析了无重受压扭圆杆管柱的螺旋屈曲,给出了螺旋屈曲管柱的力学分析方法。

  通过对内外压力对管柱稳定性的影响研究发现,(1)传统的油井管柱稳定拉力或虚构拉力的计算公式是错误的;(2)内外压力对悬挂油井管柱的稳定性没有影响;(3)内外压力本身对两端固定的油井管柱的稳定性没有影响,两端固定后,内外压力的变化对油井管柱的稳定性有影响;封固后管柱的等效轴向力与封固时管柱的轴向力、材料泊松比、内压变化量、外压变化量和内外管截面积有关;(4)对于两端固定的油井管柱,内压增加降低管柱的稳定性,外压增加提高管柱的稳定性。

  在油井作业中, 由杆管柱和井壁接触所产生的轴向阻力和扭矩损失对钻采作业有很大的影响, 甚至成为作业成败的关键。先进的拉力和扭矩模型, 尤其在与先进的地面扭矩、大钩载荷、井底扭矩和钻压的测量仪器结合使用时可以实现如下目的: (1) 优选井眼轨迹, 使整个杆管柱的摩擦阻力和扭矩损失最小; (2) 选择和校核地面设备, 优化杆管柱设计; (3) 监测井下问题; (4) 指导下套管作业; (5) 确定杆管柱与井壁的接触压力, 估计套管的磨损程度和键槽是否存在; (6) 决定是否改变泥浆性能; (7) 根据地面悬重计算钻头实际钻压。

  李子丰教授依据油气井杆管柱动力学基本方程, 建立了定向井、水平井杆管柱稳态拉力扭矩模型,并在下列领域得到了成功的应用:(1)钻柱强度分析和优选;(2)井下作业管柱力学分析;(3)井下岩屑床和其它复杂情况监测;(4)优选井眼轨道;(5)钻柱和套管减磨设计等。

  地层测试是油气田勘探和开发的重要过程。在地层测试过程中,测试管柱在多种载荷的作用下,形成复杂的应力和应变,有时会引起管柱的屈服破坏、断脱破坏或发生永久性的螺旋屈曲,造成较大的经济损失。

  李子丰教授根据地层测试作业过程,考虑井眼轨道、测试管柱的组成、井内流体的性能、管柱内外压强、管柱与井壁的摩擦系数、地温梯度、空气温度、油管温度、测试阀的类型、封隔器的类型、封隔器的活塞效应、管柱螺旋失稳效应等参数,建立了测试管柱在整个作业阶段的力学分析的数学模型,并用差分法求解,给出沿整个管柱的拉力、扭矩、应力、安全系数、稳定性、伸长等参数,并在西北油田、大庆油田等得到了成功的应用。

  油层压裂是重要的增产措施。压裂管柱在管内外压力、轴向力、弯矩、扭矩、温度等因素的作用下,有时会引起屈服、断脱破坏或发生永久性的螺旋屈曲,造成较大的经济损失。

  李子丰教授针对不同的压裂方法,分别建立了下入过程、坐封过程、注入过程、解封和起出过程中管柱力学分析的数学模型,给出了强度校核方法,并在西北油田、大庆油田等得到了成功的应用。

  在油田采油的人工举升方式中, 有杆泵抽油系统的效益最高、最可靠、适应性最强、应用最广泛。准确地了解有杆泵抽油系统运行时的各项动态参数对于防止各种机械事故、优选抽油设备和抽吸参数以及其它各种工艺措施是十分必要的。由于对抽油系统的动态力学参数了解不足,使得抽油过程中经常发生问题。因此,研究有杆泵抽油系统动态参数分析方法即诊断技术和预测技术具有非常重要的意义。

  李子丰教授从油气井杆管柱动力学基本方程出发,已经分别建立了有杆泵抽油系统井下动态参数诊断和预测的数学模型;其中斜直井有杆泵抽油系统诊断技术已获得了较成功的应用。

  七、改进了钻柱纵向振动、扭转振动、纵向与扭转耦合振动的数学模型,发现以往防纵向振动数学模型的边界条件错误是导致钻铤破坏的主要原因之一

  在钻井过程中,由于钻头牙齿间断地与地层接触或岩石的间歇破碎,导致钻头并带动钻柱振动。钻柱振动按形式分为纵向振动、扭转振动和横向振动三类。产生振动的原因,一是钻头间歇破碎岩石所产生的轴向交变力和位移,二是钻柱绕井眼中心的涡动。当钻头振动的频率为钻柱固有频率的整数倍时,钻柱将处于共振状态。钻柱内的交变应力和振幅相当大,导致钻柱断裂或粘扣。研究钻柱的纵向振动对设计钻柱、设计减振器和选择合适的转速有重要的指导意义。

  李子丰教授从油气井杆管柱动力学基本方程出发,已经建立了垂直井钻柱纵向、扭转振动及其耦合振动的数学模型,并初步用于防共振设计。发现以往防纵向振动数学模型的边界条件错误是导致钻铤破坏的主要原因之一。大庆油田钻井一公司在应用本项目成果之前钻铤断裂频繁,在应用本项目成果之后钻铤基本不断裂了。该成果还应用到空气钻井钻铤防断设计中。申请了减振-避振器专利。

  钻直井时的防斜, 钻定向丛式井、水平井时的按设计轨迹钻进等都是钻井工程的基本问题。为了解决这些技术问题, 首先要对下部钻具组合的力学特性进行分析。下部钻具组合力学分析应具有如下功能: (1)定量描述下部钻具组合的受力和变形, 算出钻头与地层的作用力和转角;(2) 确定稳定器与裸眼井壁或套管间的接触位置和接触力, 估计稳定器、套管的磨损率和井眼扩大率;(3) 计算下部钻具组合中的应力, 确定危险断面, 以便采取合适的措施;(4) 确定井下测量接头轴线与井眼中心方向的偏差, 校正测斜数据;(5) 选择下部钻具组合和钻进参数, 使钻头按设计方向钻进。

  李子丰教授从油气井杆管柱动力学基本方程出发,已经推导出了下部(包含几何导向和旋转导向)钻具三维小挠度静力学分析、三维大挠度静力学分析和三维小挠度动力学分析的数学模型, 并应用于定向井、水平井的井眼轨道预测、控制和工具研制中,取得了良好的效果。

  注蒸汽采油是开采稠油时应用最广泛、效益较高的方法之一。影响注蒸汽采油效益至关重要的因素是高温在油井管柱内产生的热应力,此应力可能使套管产生屈服变形或断裂、注汽管柱发生屈曲。

  李子丰教授从水蒸汽的热力学性质入手,已经建立了井筒地层热学计算的理论数学模型;结合现场实际,建立了井筒地层热学计算的简化数学模型;利用热弹性力学理论,对套管和隔热油管进行了力学分析,提出了预膨胀固井技术。

  采油过程中, 为了减少流入井内的细砂, 经常采取防砂措施。辽河油田钻采工艺研究院研制了一种割缝膨胀防砂筛管, 并取得了较好的应用效果;如果使用不当,会造成膨胀不成功、瘪屈变形和无法起出等问题。

  在具体分析膨胀筛管结构、安装及卸出过程的基础上, 李子丰教授建立了膨胀筛管膨胀过程、收缩过程力学分析的数学模型, 编写了计算软件, 与室内和现场试验结果进行了对比。结果表明, 胀管拉力和拔管拉力的实测值与计算值符合性较好, 说明计算结果具有较高的可信度, 满足工程需要。

  应用于石油与天然气工程领域中的一种弯曲的连续油管。将连续油管制造成弯曲形状,就可以降低连续油管在卷盘内和通过导轨时的弯曲应力,提高连续油管的使用寿命。例如,使连续油管在自然状态下的曲率是连续油管导轨曲率的一半; 这样,当这种连续油管卷在卷盘内时,其弯曲应力是直连续油管的一半; 在通过连续油管导轨时,其弯曲应力也是直连续油管的一半。将直连续油管在预定的曲率下,进行回火等处理,消除应力,就可得到这种预弯曲的连续油管。李子丰教授这一研究获得了实用新型专利。

  很长时期,人们花很多精力和经费研究不均匀地应力对套管的作用。目前采用的蠕变地层与套管相互作用的力学模型存在理论上的错误,无法正确计算套管的外部挤压载荷。

  李子丰教授根据实际建井过程和力学原理,建立了正确的蠕变地层与套管相互作用的力学模型。如果地层不具有蠕变性,地应力不会作用在套管上;如果地层具有蠕变性,且持续时间比较长时,套管所受的外挤载荷为地层的上覆岩层压力。现场检测到的套管非轴对称形变主要是由套管壁厚不均匀、材质不均匀、套管受到刮伤及套管一侧黏土膨胀等因素所致,而不是地层的非均匀地应力造成的。

  此外,上述理论还可应用于血管介入医学中“血管导管导丝系统”的力学分析和安全性评估、微机械/纳米管的力学分析和建筑内穿线和换线作业的电缆、电线的力学分析。根据上述理论编制的计算机软件,已经广泛的应用于钻井、完井、采油、测井等作业中;应用单位覆盖中国石油天然气集团公司、中国石油化工集团公司和中国海洋石油总公司下属从事石油钻井和采油的单位、美国Smith公司。

  ,1962年生,河北省迁安市人。1983年毕业于大庆石油学院钻井工程专业;1986年获该院石油机械工程专业硕士学位,师从陶景明、杨敏嘉、张少南教授;1992年于中国石油大学(北京)油气井工程专业获博士学位,师从刘希圣教授;1992年至1994年任哈尔滨工业大学力学博士后,师从黄文虎院士和马兴瑞教授;1994年至1997年任大庆石油学院副研究员;1997年至1998年任大庆石油学院研究员,大庆市政协常委;1999年至2002年任中国地质大学“211工程”特聘教授、博士生导师;2006年在美国路易斯安娜大学做访问学者。

  现任燕山大学石油工程研究所教授、博士生导师,兼任大庆石油学院客座教授、河北省学位委员会委员、石油钻采工艺编委、石油钻探技术编委、石油机械编委、SPE Drilling & Completion技术编辑、Journal of Canadian Petroleum Technology技术编辑、河北省石油学会理事、河北省振动工程学会理事、国家自然科学基金委员会项目评议人、《石油学报》和《工程力学》及《力学学报》等杂志审稿专家、国家科学技术奖励评审专家。

  基于在油气井杆管柱力学理论方面做出的贡献,李子丰获得1997年中国科学技术发展基金会孙越崎科技教育博士后奖和1998年黑龙江省青年科技奖;2008年被美国石油工程师协会(SPE)评为“Outstanding Technical Editor”(杰出技术编辑);2009年被聘为国家科学技术奖励评审专家;所著《油气井杆管柱力学》获1999年黑龙江省优秀著作一等奖;2008年,所著《油气井杆管柱力学及应用》获石油科技学术著作出版基金资助出版,“油气井杆管柱动力学基本方程及应用”获河北省自然科学奖三等奖。

  到目前为止,李子丰已出版3部专著,发表了160多篇学术论文。其中在《石油学报》、《力学学报》、《工程力学》、《固体力学学报》等国内一级学报发表论文30多篇;在SPE Drilling & Completion、Journal of Canadian Petroleum Technology、Journal of Petroleum Science and Technology、Journal of Energy Resources and Technology 等国际一级学报发表学术论文9篇;60多篇被SCI和EI收录。

您可能还会对下面的文章感兴趣: