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超深井生產(chǎn)測試用連續(xù)管的安全性評價

文檔作者：彭建云蔣俊劉清友郭新維曾努趙簽賈彥杰祝效華文檔來源： 1．塔里木油田公司油氣工程研究院2．西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院3．新疆油田公司工程技術(shù)公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月12日
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一66 一
石 油機械
CHINA PETROl EUM MACHINERY 2012年 第40卷第l l期
●油氣田開發(fā)工程
超深井生產(chǎn)測試用連續(xù)管的安全性評價
彭建云 蔣 俊 劉清友 郭新維
曾 努 趙 簽 賈彥杰 祝效華
(1．塔里木油田公司油氣工程研究院2．西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院3．新疆油田公司工程技術(shù)公司)
摘要：連續(xù)管具有起、下速度快，能實現(xiàn)鉆井液連續(xù)循環(huán)，易于實現(xiàn)鉆井自動化和智能化等
優(yōu)點。但由于存在管徑小、管壁薄、使用壽命短等問題，有必要對連續(xù)管在超深井內(nèi)工作時的工
作安全性進行預(yù)估與評測。結(jié)合工程實例，用有限元分析方法對現(xiàn)有QT900連續(xù)管在超深、高溫
高壓井內(nèi)生產(chǎn)測試作業(yè)進行安全性評價。評價結(jié)果表明，現(xiàn)有QT900連續(xù)管在超深、高溫高壓井
中測試作業(yè)時的工作安全性很低，特別是當(dāng)連續(xù)管內(nèi)、外壓差過大時，可采用向連續(xù)管內(nèi)注入高
壓液氮等措施使連續(xù)管內(nèi)、外壓差趨于平衡，提高連續(xù)管作業(yè)安全性。
關(guān)鍵詞：連續(xù)管；超深井；高溫高壓井；安全評估
中圖分類號：TE934 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-4578 (2012)11—0066—04
Safety Evaluation of CT for Superdeep W ell Production Testing
Peng Jianyun Jiang Jun Liu Qingyou Guo Xinwei。Zeng Nu Zhao Qian Jia Yanjie Zhu Xiaohua
(1．Oil—Gas Engineering Institute，Tarim Oi eld Company 2．College of Electromechanical Engineering，Southwest Petroleum Unwe~
ity 3．Engineering Technology Company，Xinjiang Oi ld Company)
Abstract：Coiled tubing(CT)has such strengths as no need of making a connection，achievement of continu—
OUS circulation of drilling fluid and achievement of drilling automation and intellectualization．However，due to the
problems of small tubing diameter，thin tubing wall and short service life，it is necessary to predict and evaluate
the operating safety of CT in superdeep wel1．Referring to the engineering examples，the finite element analysis
method was used to make a safety evaluation of the current QT900 CT production testing operation in superdeep and
high temperature and high pressure(HTHP)wel1．The findings show that there is a low operating safety with the
current QT900 CT testing operation in superdeep and HTHP well，especially when the internal and external pressure
differential is extremely large．Then，the measures such as injection of high pressure liquid nitrogen into CT
can be taken to balance the internal and external pressure differential，improving the CT operating safety．
Key words： CT； superdeep well； HTHP well；safety evaluation
0 引 言
連續(xù)管技術(shù)在現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)中以其高效、經(jīng)
濟、適用性強的特點備受使用者的青睞。它具有起
下速度快、能實現(xiàn)液體連續(xù)循環(huán)、井底壓力易于控
制、設(shè)備輕便靈活移運性能好、易于實現(xiàn)作業(yè)自動
化和智能化等優(yōu)點，是石油工業(yè)技術(shù)的重要發(fā)展方
向之一¨ 。我國引進和利用連續(xù)管作業(yè)技術(shù)始于
20世紀(jì)70年代。國內(nèi)連續(xù)管作業(yè)主要以修井為
主，集中應(yīng)用于沖砂洗井、鉆橋塞、氣舉、注液
氮、清蠟、排液、擠酸和配合測試 j。現(xiàn)在的油
氣生產(chǎn)中，受成本和環(huán)境等多種因素的影響，水平
井和大斜度井越來越多，傳統(tǒng)的測試作業(yè)方式已經(jīng)
基金項目：國家自然科學(xué)基金項目“油氣井管柱力學(xué)與井下工具”(51222406)、“高溫腐蝕環(huán)境下套管的結(jié)構(gòu)完整性評價方法研究”
(51004082)。
2012年 第40卷 第11期 彭建云等：超深井生產(chǎn)測試用連續(xù)管的安全性評價 一67一
越來越不能夠滿足現(xiàn)場需求。運用連續(xù)管能夠在井
下任何區(qū)段進行測試作業(yè) 。由于電纜安裝在連
續(xù)管的內(nèi)腔，運用連續(xù)管測井還能夠很好地保護電
纜 ，提高油氣井測試的安全性、可靠性。
但是，連續(xù)管管徑小、管壁薄，只要整個管柱
有1處損壞，整套連續(xù)管就不能使用，所以連續(xù)管
使用壽命有限(1 200 lll左右的井，一般壽命為30
～ 50口)。為了使連續(xù)管的壽命盡可能地延長，有
必要對連續(xù)管在井內(nèi)工作時的工作安全性進行事先
計算和評估，并找出危險段。
筆者選取7 000 m深的高溫高壓井，以連續(xù)管
在該井的生產(chǎn)測試情況為基礎(chǔ)進行連續(xù)管的工作安
全性分析。
1 連續(xù)管有限元分析
1．1 基本假設(shè)
用連續(xù)管對井內(nèi)測試，整個管柱操作過程可以
分為3個工作階段：注人、靜止(測試)和上提。
綜合考慮井身結(jié)構(gòu)、邊界條件及載荷情況，研
究時采用以下假設(shè)：
(1)連續(xù)管的幾何尺寸、材料性質(zhì)分段為常
數(shù)；
(2)注人和上提過程中，初始和結(jié)束時加速
度恒定，中間過程保持勻速；
(3)連續(xù)管上提的初始階段，起步加速緩慢，
忽略加速度帶來的額外載荷。
1．2 有限元模型建立
經(jīng)分析，在上述3個階段中連續(xù)管的最危險段
都為井口段(管柱已全部下人)。此時的連續(xù)管井
口段要承受下部管柱的全部重力；連續(xù)管和油管接
觸的長度最長，當(dāng)連續(xù)管運動時，產(chǎn)生的摩擦力最
大；管柱完全下入后，此時產(chǎn)生的上頂力也是最大
的。在這3個分析階段中，均選取井口段作為分析
對象 。
連續(xù)管作為測試管柱，管柱下端處于封閉狀
態(tài)，因此在建立模型時，建立1個兩端封閉的管
柱，一端固定，在另一端施加1個總拉力，管內(nèi)壁
施加內(nèi)壓，管外壁施加外壓和溫度。用有限元方法
對連續(xù)管實現(xiàn)結(jié)構(gòu)場、壓力場與溫度場的耦合分
析。QT900連續(xù)管井口段的外徑38．1 mm，壁厚
5．2 mm，屈服強度620 MPa。模型長度2 Ill，有效
分析長度1 m，最大內(nèi)壓70 MPa(地面設(shè)備向連續(xù)
管內(nèi)注入液體產(chǎn)生的內(nèi)壓)，最大外壓90 MPa(井
口環(huán)空壓力)，最高溫度70℃ ，設(shè)外壓大于內(nèi)壓
時壓差為正。
2 注入階段
2．1 受力分析
在注入階段，連續(xù)管會受到自身重力G、與油
管壁接觸產(chǎn)生的摩擦力廠、井內(nèi)高壓對連續(xù)管的上
頂力F 、由加速度產(chǎn)生的額外載荷 、外部設(shè)備
提供的拉力 ，同時還受到內(nèi)外壓和溫度的作用。
當(dāng)連續(xù)管下到井底的瞬間，將停止注入頭的注
入作業(yè)，此時由于慣性力作用，連續(xù)管存在繼續(xù)向
下運動的趨勢，并產(chǎn)生加速度(加速度a=0．02
m／s )。該過程比較緩慢(注入時應(yīng)避免急速停
車)，屬于準(zhǔn)靜態(tài)行為，因此可以對連續(xù)管柱附加
上1個額外力進行分析。這時連續(xù)管上端固定，將
承受除了外部設(shè)備提供的拉力 和摩擦力．廠之外
的所有外載荷(見圖1)。
F f
圖1 停止注入瞬時連續(xù)管的受力圖
Fig．1 Force diagram of CT at the instant of stopping injection
2．2 分析結(jié)果
注入階段連續(xù)管井口段管壁應(yīng)力分析結(jié)果如圖
2、圖3所示。應(yīng)力呈現(xiàn)出如下特點：
凸_
莖
＼
圖2 停止注入瞬時不同內(nèi)、外壓作用下的管壁應(yīng)力
Fig．2 Tubing wall stress under the effect of different internal
and external pressures at the instant of stopping injeetion
(1)注入階段，連續(xù)管下到井底的瞬間連續(xù)
管井口段的最小應(yīng)力為327．2 MPa、最大應(yīng)力為
448．7 MPa；
(2)管壁應(yīng)力在任何情況下均小于屈服強度，
石 油機械 2012年第4O卷第11期
但安全系數(shù)均小于2。
山
＼
毯
j扭
圖3 停止注入瞬時壓差對應(yīng)力的影響
Fig．3 Effects of pressure differentiM on stress
at the instant of stopping injection
3 靜止階段
3．1 受力分析
在此階段內(nèi)連續(xù)管上的測試設(shè)備工作，對井內(nèi)
進行測試，此時連續(xù)管受到自身重力G、井內(nèi)高壓
對連續(xù)管的上頂力F。(見圖4)，以及內(nèi)外壓和溫
度的作用。
圖4 靜止階段連續(xù)管受力圖
Fig．4 Force diagram of CT at quiescent stage
3．2 分析結(jié)果
根據(jù)分析結(jié)果(見圖5、圖6)，靜止階段有
以下特點：
圖5 靜止階段不同內(nèi)、外壓作用下的管壁應(yīng)力
Fig．5 Tubing wall stress under the effect of different intemM
and external pressures at quiescent stage
(1)連續(xù)管井口段的最小應(yīng)力為317．7 MPa、
最大應(yīng)力為441．4 MPa；
(2)管壁應(yīng)力在任何情況下均小于屈服強度，
但安全系數(shù)均小于2。
圖6 靜止階段壓差對應(yīng)力的影響
Fig．6 Effects of pressure diferentiM
On stress at quiescent stage
4 上提階段
4．1 受力分析
上提的初始階段是一個緩慢的過程，可以忽略
加速度對連續(xù)管承載的影響，所以此階段連續(xù)管會
受到外部設(shè)備提供的上提力F (外部設(shè)備的拉
力)、自身重力G、與油管接觸產(chǎn)生的摩擦力 、井
內(nèi)高壓對連續(xù)管的上頂力F (如圖7所示)，以及
內(nèi)、外壓和溫度的作用。
F。f
圖7 上提階段連續(xù)管的受力圖
Fig．7 Force diagram of CT at upstrain stage
為方便工程使用，筆者計算在給定安全系數(shù)下
的極限上提力，再通過分析判斷連續(xù)管是否可以順
利上提。分析結(jié)果如圖8～圖11所示。
Z
＼
醛
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圖8 上提階段不同內(nèi)、外壓作用下
極限上提力(安全系數(shù)取2)
Fig．8 Limit upstrain force under the effect of different
intemal and extemM pressures at upstrain stage
疆 l
F 匪
2012年 第40卷 第ll期 彭建云等：超深井生產(chǎn)測試用連續(xù)管的安全性評價
圖9 上提階段壓差對極限上提力的影響(安全系數(shù)取2)
Fig．9 Effects of pressure diferential on limit upstrain force
at upstrain stage(taking 2 as the safety coeficient)
Z
＼
瞪
肇
Z
＼
馨
圖10 上提階段在不同內(nèi)、外壓下極
限上提力(安全系數(shù)取1．25)
Fig．10 Limit upstrain force under the effect of diferent
internal and external pressures atupstrain stage
(taking 1．25 as the safety coeficient)
圖11 上提階段壓差對極限上提力
的影響(安全系數(shù)取1．25)
Fig．1 1 Effects of pressure differential on limit upstrain force at
upstrain stage(taking 1．25 as the safety coefficient)
4．2 分析結(jié)果
上提階段中，整個管柱自重G=290 kN，摩擦
力 =60 kN，井內(nèi)壓力帶來的上頂力F =122 kN，
所以需要的最大上提力F =228 kN。
根據(jù)分析結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：
(1)井口段連續(xù)管所能承受的極限上提力隨
壓差的減小而增大，安全系數(shù)取2時最大極限上提
力為160 kN，安全系數(shù)取1．25時最大極限上提力
為265 kN；
(2)安全系數(shù)為2時連續(xù)管不能夠順利上提，
降低安全系數(shù)可上提，但存在安全風(fēng)險；
(3)在內(nèi)壓一定時，隨著外壓的增加，井口
段連續(xù)管所能承受的極限上提力分布表現(xiàn)為先增大
后減小。
5 結(jié) 論
(1)現(xiàn)有QT900連續(xù)管在超深、高溫高壓井
中測試作業(yè)完畢后上提時安全性較低，需對連續(xù)管
的結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝做出改進。
(2)井內(nèi)高壓環(huán)境對連續(xù)管應(yīng)力影響很大，
在軸向載荷一定的情況下，連續(xù)管內(nèi)、外壓差越
大，管壁應(yīng)力就越大，可以采用向連續(xù)管內(nèi)注入高
壓液氮等措施讓連續(xù)管內(nèi)、外的壓力環(huán)境趨于平
衡，以減小管壁應(yīng)力和提高連續(xù)管的承載能力。
(3)在安全系數(shù)一定的情況下，連續(xù)管的內(nèi)、
外壓差越小，所能承受的極限上提力越大，若調(diào)節(jié)
連續(xù)管內(nèi)壓不能夠滿足作業(yè)要求時，在不影響作業(yè)
安全的情況下可以適當(dāng)犧牲連續(xù)管疲勞壽命來完成
生產(chǎn)測試。
參考文獻
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機械，2006，34 (1)：1—6．
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機械，2005，34(5)：34—36．
[5] 徐艷麗．提高連續(xù)油管使用壽命的方法[J]．石油
機械，2002，30 (11)：43—45．
第一作者簡介：彭建云，高級工程師，生于1968年，
1991年畢業(yè)于西南石油學(xué)院采油工程專業(yè)，現(xiàn)從事采油和
采氣工藝方面的研究工作。地址：(841000)新疆庫爾勒市。
E—mail：penjy—tim@petrochina．COB．en。
通信作者：祝效華，教授，研究方向為油氣井管柱力
學(xué)、井下工具與安全評價。電話：(028)83037226。E—
mail：zxhthl 13@ 163．coin。
收稿日期：2012—08—30

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