基于多彈簧—空間梁有限元模型的海上熱采管柱力學(xué)分析

姬 輝，孫玉豹，張衛(wèi)行，梅 偉，林珊珊

（中海油服油田生產(chǎn)研究院，天津塘沽 300450）

注多元熱流體熱采技術(shù)是提高渤海稠油油田產(chǎn)量的有效方法[1-2]，但多元熱流體注入過程中存在溫度高（250~300 ℃），壓力大（15~20 MPa），單次作業(yè)時(shí)間長（30~40天）等特征；另外，受海上油田地質(zhì)條件影響，油井曲率變化大；以上因素導(dǎo)致海上注多元熱流體熱采管柱工作環(huán)境比地面熱采井要復(fù)雜的多，熱采管柱更容易發(fā)生屈服失效、拉伸斷裂等工程事故。

目前常用的井下管柱結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法中，大多假設(shè)管柱軸線與井軸線保持一致，或假設(shè)管柱與井筒處于某一理想接觸狀態(tài)[3-6]。這種管柱結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)的假設(shè)能夠滿足井身軌跡平滑、地層壓力小、注熱溫度低等井況的熱采管柱結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，但對于高溫、高壓、井身曲率變化復(fù)雜的海上熱采井，這種假設(shè)會導(dǎo)致管柱結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)與井下真實(shí)情況相差甚遠(yuǎn)，管柱結(jié)構(gòu)力學(xué)分析結(jié)果誤差大，無法為管柱結(jié)構(gòu)安全評價(jià)、優(yōu)化、扶正器等工具配置提供合理的支撐數(shù)據(jù)。

本文充分考慮海上熱采管柱工作環(huán)境特點(diǎn)，提出了多彈簧—空間梁有限元分析方法，通過數(shù)值迭代確定熱采管柱與井筒的合理接觸狀態(tài)，從而得到井下管柱較真實(shí)的幾何形態(tài)。結(jié)合三維井身結(jié)構(gòu)中熱采管柱微單元矢量分析模型，能夠有效提高海上熱采管柱力學(xué)分析結(jié)果精度，為熱采管柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化，特別是扶正器等關(guān)鍵工具配置提供可靠的理論數(shù)據(jù)支持。

1 管柱結(jié)構(gòu)微單元矢量力學(xué)模型

受海上油田地質(zhì)條件的影響，油氣井井身軌跡的曲率與撓率變化大，與常規(guī)直井相比，井下管柱在承受軸向拉壓的同時(shí)，也存在彎曲與扭轉(zhuǎn)的耦合作用。……