高温高压气井管柱受力分析计算

作     者：曾海强 

作者单位：中国石油大学(华东) 

学位级别：硕士

导师姓名：樊灵;李少甫

授予年度：2017年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：高温高压 气井管柱 封隔器 力学分析 

摘      要：随着能源需求的不断增加和油气勘探开发领域的延伸,深层气藏己成为重要的接替能源。深层气井通常具有高温、高压等特点,其井下管柱的工作环境非常恶劣,同时管柱受力和变形情况复杂多变,导致井下管柱断裂、封隔器失封等井下事故频发,严重制约了高温高压气井的安全、经济开发。因此,有必要开展针对性管柱力学行为研究,为生产作业参数的合理选择提供理论依据和技术保障。本文首先基于井筒流体质量、动量、能量守恒及井筒传热理论,考虑摩擦生热和对流换热等影响,建立了气井井筒压力场温度场预测模型并采用双重迭代法求解,为后续管柱受力分析奠定基础。针对4口气井进行实例计算,预测值和实际值吻合较好,能够满足现场要求。然后以高温高压气井管柱为研究对象,分析其屈曲状态,建立了复合管柱在温度效应、活塞效应、鼓胀效应和螺旋屈曲效应下的数学模型,对管柱危险截面作三轴应力分析,给出了管柱强度校核的基本公式。同时对封隔器密封元件胶筒的变形及变形过程中的力学特性进行分析并给出胶筒强度计算公式,据此可以确定合理的坐封力。对封隔器锚定部件卡瓦与套管相互作用力作一定探讨,给出卡瓦锚定后套管圆周各点应力计算方法。对于封隔器整体,研究了封隔器与油套管间的相互作用力。在以上理论研究的基础上,用C#语言结合Matlab编制了高温高压气井管柱力学分析软件。最后以A井为例,开展了井筒温度场压力场预测、管柱轴向变形和强度分析以及封隔器受力分析等工作,对该井完井管柱进行安全评价。计算结果表明该井使用的管柱在不同工况下均是安全的。