[00689165]侧钻热采水平井完井、注汽管柱设计与工程应用

该项目属于国家“九五”攻关项目中的子课题，由石油大学(华东)和胜利石油管理局采油工艺研究院联合攻关完成。采用多学科综合研究的方法，在管柱力学理论研究、完井管柱软件优化设计、力学物模试验、CAE数值模拟以及热采水平井工程的应用中，该项目在八个方面取得创新和突破，得到一系列重要结论和成果，完成的主要内容和成果有：1.热采水平井完井结构分析与强度设计的理论研究，短半径、侧钻、5.5in井眼、热采水平井完井管柱力学分析理论的建立，提出了完井管柱设计的新方法，主要成果有：水平井完井管柱下入摩阻分析；包括原始井眼轨迹数据统计回归处理方法研究，既采用三次样条和最小二乘法，对原始井眼测试数据进行回归、平滑处理，得到全三维井眼轨迹曲线，平滑以后的曲线更接近工程真实曲线。热采水平井完井管柱下入摩阻力计算模型的建立；采用解析方法研究了水平段和垂直段的力学模型；对于弯曲井段，采用四个不同力学模型：二维刚性模型、三维刚性模型、刚度力模型、二维整体计算模型作为管柱下入摩阻和强度计算的求解模型，组合模型较常规的单一模型的优势在于可以相互验证、相互补充，大大丰富和发展了完井管柱设计理论，使计算结果更符合工程实际。完井管柱下入、作业条件下的强度校核；包括常温下的管柱强度校核研究和考虑注蒸汽管柱与地层热应力时的强度校核计算方法研究。2.热采水平井预应力隔热油管柱设计的理论研究：采用材料力学、弹性力学方法和热应力理论，研究得到了以下成果：作业条件下井口内管的最大胀率；注汽工况下井底内管强度条件、注汽工况下井口外管的强度条件；井口比例胀率、井底比例胀率、管柱轴向变形等设计参数的理论，研究得到了预应力注汽管柱的最佳胀率设计方法。3.水平井预应力隔热管柱的强度计算：作业条件下隔热管柱的强度计算；注汽工况下隔热管柱的强度计算。4.侧钻热采水平井重叠段套管柱结构设计，主要内容有：套管水泥环粘接力测试；套管水泥环的热载荷计算；重叠段套管搭接高度设计。5.研制完成了可应用于各种不同类型水平井的完井、注汽管柱的力学优化设计软件，软件功能：井眼轨迹数据处理、完井管柱组合设计、完井管柱下入摩阻计算；热采井套管柱生产或注汽时的强度设计；水平井弯曲段最佳造斜率设计；双增稳型井身结构剖面设计；侧钻水平井尾管搭接结构分析。6.油管柱高温抗弯强度与接头密封性能试验研究，大变形弯曲管柱接头高温密封、弯曲内压强度试验及设计。为了研究热采水平井完井管柱的强度、密封性能，设计了管柱四点弯曲、内压、高温作用的试验装置，分别采用N80和J55油管进行室温、高温条件下四点弯曲、内压联合作用的强度性能试验、密封性能试验、弯曲椭圆度试验，试验弯曲度达到3度/m以上、最大内压力30MPa。利用试验结果修正了API规范中的管柱允许弯曲设计公式。试验内容有：油管柱接箍高温密封性能试验；油管柱管体抗弯强度及变形椭圆度试验；油管、套管抗弯强度研究；油管柱弯曲变形研究。7.热采水平井完井、注汽管柱CAE有限元数值模拟研究结合热采水平井完井工程实际，利用CAE工程设计方法，采用ANSYS有限元分析软件包，建立油层、井筒、封隔器、注汽管柱组合结构的热采水平井数值模拟计算模型，计算了注汽热采井引起的油层、井筒温度场变化、应力场变化的规律，研究了隔热油管视导热系数变化对井筒、油层温度场、应力场的变化规律。对管柱接头的丝扣接触应力进行了数值模拟，得到了管柱在内压力、弯曲、温度变化时的油管接头应力强度变化规律。CAE工程设计所得结论对本工程设计具有普遍指导意义。8.针对胜利油田油藏地质条件，完成了多口热采水平井的完井管柱设计，应用该技术设计侧钻热采水平井一口，为热采水平井完井设计提供了可靠的技术支持，保证了完井管柱下入作业及热采生产的顺利完成。经过双方联合攻关研究，针对胜利油田的油藏类型特点，形成了一套技术成熟的热采水平井完井管柱和注汽管柱设计技术；形成了包括四种研究手段(理论分析研究、软件工程设计、试验研究、CAE数值模拟研究)的热采水平井完井技术研究基地。经过系统的攻关研究，热采完井管柱设计理论、工程设计软件和完井工艺技术已趋于成熟，该配套技术具备了良好的推广应用条件和发展前景。经山东省科学技术情报研究所对国内11种数据库、国外10种系统数据库检索查新，在国内外未见类似研究的报道。山东省科技厅组织北京科技大学、中国航空总公司勘察设计研究院、山东工业大学、山东建工学院、山东工程学院等全国权威专家鉴定认为：“该研究与国内外同类技术相比较，它更具有工程实用性和推广的价值，是目前最系统的研究热采水平井完井、注汽管柱设计的理论和技术，是该理论和技术的新发展。研究项目理论成果突出，技术成熟、可靠，工程应用价值高。项目的研究成果整体上达到了国际先进水平。”