[00913559]完井管柱受力理论分析与优化设计及在油气井中的应用

1.课题来源与背景《完井管柱受力理论分析与优化设计及在油气井中的应用》由“不确定多目标决策理论与方法”(国家杰出青年科学基金项目，编号：70425005)、“不确定性决策理论与方法”(教育部高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助项目，编号：20023834-3)，“完井管柱受力分析及优化设计研究项目”(中石化西南油气分公司，编号：GJ-73-0706)，“完井管柱受力分析优化设计及其应用”(编号：中石油川庆科字2008-89)项目群支撑。2.技术原理及性能指标：该成果从问题本身出发，运用机理分析法，以工程力学、流体力学、空气动力学、非稳态热传导理论等为基础，在全面、系统地研究管柱受力机理和不同完井工况的基础上，建立了不同工况下管柱受力模型，温度、压力随井深变化的非线性模型及管柱变形量计算模型，形成了满足现场需求的管柱分析数学模型，并开发面向对象的完井管柱受力分析及优化设计软件。性能指标：(1)构建管柱受力及管柱变形量计算总体模型；(2)形成各工况管柱受力模型及管柱变形量计算模型；(3)构造耦合微分方程组解的存在性及收敛性定理；(4)形成模型的计算方法；(5)开发面向对象的完井管柱受力分析及优化设计软件。3.技术的创造性与先进性(1)数学模型创新。该成果从问题本身出发，运用机理分析法，以工程力学、流体力学、空气动力学、非稳态热传导理论等为基础，在全面、系统地研究管柱受力机理和不同完井工况的基础上，对已有文献进行改进获得了一系列的集成创新模型。针对实际问题，从数学的角度，建立了一系列的原始创新模型。(2)理论分析创新。利用泛函理论改进了管柱微元体非线性微分方程组及管柱微元体无因次非线性微分方程组模型，并对正弦屈曲和螺旋屈曲的临界载荷进行了改进；对压力、温度、密度、流速耦合微分方程组模型，在函数空间上，首次用泛函微分方程的欧拉多边形理论证明了该耦合微分方程组的解的存在性，及解的收敛性获得了解的存在性定理，解的收敛性条件，解的收敛性定理三大定理。(3)计算方法创新。采用无因次分析的方法，将非线性微分方程组转化为无因次微分方程组利用数值解法求解；对温度、压力非线性模型的计算改变国内外文献中分开计算的方法，而将温度及压力耦合计算，保持了压力与温度的相互作用；对非线性耦合微分方程组模型用精度较高的四阶龙格-库塔法求解，对影响参数作了灵敏度分析；在计算物性参数压缩因子时，利用最优化方法进行计算，寻找满足条件的最优压缩因子。4.技术的成熟程度及运用范围：该成果已稳定应用于石油天然气领域。5.应用情况及存在的问题：对中石油已完成的高温高压深井的测试工程数据进行验算，其结果相符，建议在现场工况控制适应性方面做进一步的研究工作。系统配置到中石化所属各钻井队，利用软件进行数值分析，提高计算精度，通过过程模拟，形成管柱力学分析的图形显示；通过协同决策提高了决策水平与效率，减少了事故发生率，取得了较大的经济效益和社会效益。应进一步扩大该成果应用范围。