钻磨桥塞的连续油管摩阻力分析及水力学参数计算_肖兵 (1).docx
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1、Thesis for the Master degree in EngineeringAnalysis of Frictional Resistance of Drilling and Grinding Bridge Plug and Calculation of Hydraulic Parameter forCoiled TubingCandidate: Xiao BingTlitor: Liu JubaoSpecialty: MechanicsDate of oral examination: 21st May. 2016University: Northeast Petroleum Un
2、iversity东北石油大学硕上研宄生学位论文钻磨桥塞的连续油管摩阻力分析及水力学参数计算摘要近年来,随着常规油气藏改造及非常规油气藏开发需求的增加,连续油管水平井分 段压裂技术得到了迅速发展。但连续油管由于直径小、弯曲刚度低、重量轻等因素,在 井下作业时会存在很多不利因素,其一是连续油管的下入深度和施加钻压受到限制,特 别是在水平井段的下入深度和施加钻压明显低于常规油管柱;其二是连续油管运送介质 的排量和压降受到限制,使得对排量要求较大的作业难以实施。为此,本文主要针对连续油管输送桥塞射孔、压裂、钻塞一体化工艺技术中的连续 油管下入、钻磨工况展开研究,考虑连续油管及井下工具结构和空间形态下的
3、管流、环 空流压降计算公式,通过对现有管柱与环空压降计算公式分析,采用数值模拟、现场实 验数据对现有公式进行验证和修正,得到连续油管及工具在不同结构和空间形态下的管 流、环空流压降计算公式,为连续油管井下作业流体压降计算提供了更加完整、可靠的 计算公式。建立了连续油管下入、钻磨桥塞的力学模型,考虑并推导连续油管在井下受 到的流体摩阻力、局部机械阻力、以及在管内和环空变径处的阻力等计算公式。基于连 续油管的受力模型和计算方法,编制了连续油管力学分析软件,通过分析连续油管极限 下入深度影响因素,得到了典型工况下连续油管的极限下入深度。通过3 口井29组实验数据与理论公式计算结果的对比,误差均在5%
4、以内,表明了 所建力学模型和软件的正确性。通过连续油管在不同速度、不同排量及不同井底钻压的 典型工况计算,得到了连续油管在不同工况下的极限下入深度最大可达到5200m,水平 段长度为3700m,最小极限下入深度达到1675m,水平段长度为175m,为现场施工提 供了理论依据。关键词:连续油管,下入深度,力学分析,流体摩阻力,局部机械阻力东北石油大学硕士研究生学位论文Analysis of Frictional Resistance of Drilling and Grinding Bridge Plug andCalculation of Hydraulic Parameter for Coi
5、led TubingABSTRACTIn recent years, with the increase in the transformation of conventional and unconventional reservoirs reservoir development needs, coiled tubing horizontal well fracturing technology has been developing rapidly. However, due to the small particle size of coiled tubing, low bending
6、 stiffness, light weight and other factors, there will be a lot of negative factors in underground operations, one is that the depth and pressure of the coiled tubing are limited, which is especially significantly lower than conventional tubing string in the horizontal section; and the other is that
7、 the displacement and the pressure drop of the coiled tubing conveying medium are limited, which makes it difficult to carry out the operation with large displacement.For this purpose, this paper mainly studies into the running-in, drilling and grinding conditions of coiled tubing for integration pr
8、ocess technology of perforating, fracturing and drilling plug for coiled tubing. The calculation formula of pipe flow and annular flow pressure drop under the structure and space shape of coiled tubing and downhole tools are considered. The calculation formula of the pressure drop between the tube a
9、nd the annular space is analyzed, and the existing formulas are verified and modified by numerical simulation and field experimental data, the calculation formula of pipe flow and annular flow pressure drop under different structure and space form is obtained, which provides a more complete and reli
10、able calculation formula for the calculation of pressure drop in the downhole operation of coiled tubing. Based on the mechanical model of coiled tubing, the mechanical model of drilling and grinding bridge is established, and the calculation formulas of frictional resistance, fluid frictional resis
11、tance, local mechanical resistance and force in the tube and annulus adjustable are considered. Based on the force model and calculation method of coiled tubing, the mechanical analysis software of coiled tubing is developed. By analyzing the influencing factors of the depth of the limit of the coil
12、ed tubing, the limit depth of the coiled tubing under typical operating conditions is obtained.Through the comparison of 3 groups of experimental data and theoretical formula calculation, the error of 29 sets of experimental data is less than 5%, which shows the correctness of the model and the soft
13、ware. By calculating the typical working conditions of the coiled tubing at different velocities, different discharge and different WOB, the maximum depth of the coiled tubing under different conditions can reach 5200m, with the horizontal segment length being 3700m, and the minimum is 1675m, with t
14、he horizontal segment lengthm东北石油大学硕士研究生学位论文being 175m, which provides a theoretical basis and guidance for the field construction.Keywords: coiled tubing, depth, mechanics analysis, fluid frictional resistance, local mechanical resistanceIV东北石油大学硕士研宄生学位论文创新点摘要1. 依据现有的卷筒、直井段、局部变截面管流以及直井段环空流压降计算公式, 验
15、证和完善了数值模拟计算模型,并基于数值模拟结果对不符合实际工况的压降计算公 式进行修正,得到了弯曲井段管流与环空流、局部变截面环空流的压降计算公式。2. 建立了连续油管在井筒内的受力模型,考虑了连续油管在井筒内受到的流体摩 阻力、流体举升力及由于凹陷或凸起产生的局部机械阻力对油管受力影响,并推导了计 算公式。3. 基于连续油管的受力模型和计算方法,编制了连续油管力学分析软件,通过分 析连续油管极限下入深度影响因素,得到了典型工况下连续油管的极限下入深度。v东北石油大学硕上研宄生学位论文目录学位论文独创性声明I学位论文使用授权声明I!商 IIABSTRACTIll创新点摘要V胃雜11.1研究目的
16、及意义11.2管柱与环空压降研究现状11.2.1管柱与环空压降国外研究现状11.2.2管柱与环空压降国内研究现状21.3管柱力学及连续油管国内外研究现状31.3.1管柱力学国外研究现状31.3.2管柱力学国内研究现状41.3.3连续油管技术国内外研究现状51.4本论文研究主要内容6第二章连续油管及井下工具内外流体沿程摩阻分析72.1直井段管内流体压降分析72.1.1直井段流体压降理论计算公式72.1.2直井段流体压降的数值模拟分析82.1.3算例与分析102.2弯曲井段管内流体压降分析112.2.1卷筒管流压降理论计算公式112.2.2卷筒管流压降数值模拟分析122.2.3算例与分析142.2
17、.4修正公式压降计算结果分析172.3局部变截面管内流体压降分析192.3.1局部变截面流体压降理论计算公式192.3.2局部变截面流体压降数值模拟分析202.3.3算例与分析232.3.4局部变截面压降叠加计算条件242.4直井段环空流体压降分析252.4.1直井段环空流压降理论计算公式252.4.2直井段环空流压降数值模拟分析272.4.3算例与分析282.5弯曲井段环空流体压降分析292.5.1弯曲井段环空流压降理论计算公式292.5.2弯曲井段环空流压降数值模拟分析302.5.3算例与分析312.5.4修正公式压降计算结果分析332.6局部变截面环空流体压降分析352.6.1局部变截面
18、环空流压降理论计算公式352.6.2局部变截面环空流压降数值模拟分析36东北石油大学硕上研宄生学位论文2.6.3算例与分析392.6.4局部变截面环空压降叠加计算条件402.7现场实验与理论分析对比422.8 42第三章钻磨桥塞的连续油管力学分析理论443.1连续油管柱接触非线性有限元分析方法443丄1梁单元的有限元分析理论443.1.2井筒内连续油管接触非线性分析的间隙元法463_2连续油管应力分析50第四章钻磨桥塞连续油管力学模型及算例524_1连续油管力学模型524.2外载荷计算方法534.2.1连续油管内外流体作用载荷计算534.2.2井筒局部障碍阻力计算594.3连续油管力学分析软件
19、介绍624.3.1计算框图624.3.2界面介绍634.4现场数据对比分析654.4.1龙26-平28井数据对比分析654.4.2龙26-平30井数据对比分析664.4.3敖平5井数据对比分析674.5 67第五章钻磨桥塞连续油管极限下入深度影响因素分析695.1极限下入深度判别条件及影响因素705丄1连续油管循环流体泵压分析705.1.2连续油管屈曲分析705.1.3连续油管强度判定条件705.1.4连续油管施加极限钻压分析705.2泵压对极限下入深度的影响715.3下入速度对极限下入深度的影响715.3.1螺旋屈曲载荷确定715.3.2下入速度对极限下入深度影响715.4流体排量对极限下入
20、深度的影响745.5井底钻压对极限下入深度的影响775.6 79 it80#敎南犬82发表文章目录86参与完成的科研项目86至夂i射87东北石油大学硕士研究生学位论文第一章绪论1.1研究目的及意义连续油管(Coiled Tubing,简称CT)又称挠性油管、盘管或柔管。指可缠绕在大直径 卷筒上,由若干段钢带斜接在一起,经乳制成型焊接而成的无接头连续油管。这种具有 高强度、高初性特点的连续性油管,外形犹如两米多高卷起来的电缆一样,与传统油管 作业相比,连续油管技术作业周期短、工作效率高、运输方便,特别是在特殊井下工况 作业时优点明显,如不压井带压作业,能够有效保护油气储层;过油管作业,能够不用
21、起出油管等。相比传统钻井,连续油管钻井(Coiled Tubing Drilling,简称CTD)可改善钻 井工艺或降低成本(可节约25%40%的费用),在定向钻井和欠平衡钻井方面处于技术 优势地位。图1.1连续油管钻井示意图连续油管由于直径小、弯曲刚度低、重量轻等因素,在井下作业时会存在很多不利 因素,其一是连续油管的下入深度和施加钻压受到限制,特别是在水平井段的下入深度 和施加钻压明显低于常规油管柱;其二是连续油管运送介质的排量和压降受到限制,使 得对排量要求较大的作业难以实施。为此,本文针对这些问题的部分内容开展研宄,力 图通过连续油管摩阻力、输送介质压力分析,为连续油管下入深度、施加钻
22、压、输送介 质排量分析和评价提供理论依据,确保连续油管各种井下作业安全可靠。1.2管柱与环空压降研究现状1.2.1管柱与环空压降国外研究现状在20世纪50年代Chenoweth J M和Martin M W1给出了计算气泡流、伸长的气泡流、环状流及环雾流状态下的管道压降规律公式。1958年Baker2认为在不同的流动型 态下,摩擦压降的规律是不同的,应该首先确定流动型态,然后按不同的压降公式计算, 此方法具有较广泛的适应性。在1964年Dukler3等根据相似分析,提出了“无滑动均匀 流动”形式的波状流压降规律,将流动型态等影响因素包含在阻力系数中,在计算上这 种方法比较简单。1977年Man
23、dhane4等人根据流动型态的分布特点,抓住了气、液表第一章绪论观流速这个主要因素,并且计算简单,使用方便,但缺点是没有包括流体的物理参数, 需加以校正,比较复杂。在1987年Dikken5首次提出在水平内不可忽略压降,并且根 据质量守恒,考虑了流体与管壁摩擦产生的压降,联系起油藏渗流和井筒内流量变化, 得出了关于变质量单相流压降的一个简单代数模型。Stone等人于1989年模拟沥青质油 藏渗流时,不仅运用了达西定律来描述流体流动,同时还考虑井筒内油-水和气的动量、 质量和能量平衡。Ihara等人在1993年对流体在井筒内流动进行了试验和理论研究,考 虑了油藏之间的相互作用并且考虑了加速度压降
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