含盐膏层井复合套管柱优化设计技术

讨论了复合套管柱优化设计模型的目标函数及其约束条件，以及借助数据库查询方法进行求解该模型的主要过程和组成软件的主要模块，分析了盐膏层套管外挤压力的主要特征，介绍了套管柱优化设计通用软件在含盐膏层井复合套管柱设计中的应用情况。     

高温高压井套管柱设计和强度校核

从温度对套管柱强度的影响、下部套管柱双轴应力计算等几个方面讨论了高温高压对套管柱设计和强度校核的影响 ,提出了一套适用于高温高压井套管柱设计和强度校核的理论方法 ,并给出了该方法的计算步骤 ,编制了相应的计算软件。通过现场应用 ,证明该方法切实可行     

有段长约束的套管柱强度优化设计

为了实现套管柱强度的优化设计，在定义了套管有效工作井段的概念，分析了不同种类套管进行连接的条件之后，将这一设计归结为有段长约束的套管柱强度优化设计问题，并指出求求解的困难所在，在此基础上，结合人国智能树图的广度优先方法，建立了套管柱强度优化设计的树图搜索逻辑运行框图，编制了相应的软件，从而实现了有段长约束的套管柱强度计算机辅助最优化设计。     

对应用三轴强度理论进行套管柱设计的分析

从套管柱三轴强度设计理论分析入手，讨论了应用三轴强度理论进行套管柱设计时应该注意的几个问题。给出了应用计算机实现套管柱设计的方法和步骤，并编制了相应的计算软件，结合具体设计实例，通过计算分析表明，应用三轴强度理论进行套管柱设计具有分析全面、计算精度较高的特点。     

套管荷载分析与强度设计软件研究

由于钻井技术的进步和目前油气勘探开发的实际要求,深井、超深井及定向井所占比重不断增加。为了满足这种形势的要求,在普通直井和定向井套管强度设计软件的基础上,较全面地研究了深井、超深井套管载荷的特点,综合考虑传统套管设计方法、三轴应力设计方法及套管优化设计方法等,并应用数据库技术,完成了套管强度设计软件的开发研究,它具有普通井、深井、超深井和定向井套管优化设计的诸种功能,并且其输入输出界面支持任意的单位制,便于现场推广应用。     

基于遗传算法的套管柱优化设计方法

针对复杂地质条件下套管外载荷多变的特点,建立了基于遗传算法的套管柱优化设计方法。应用遗传算法理论,确定染色体编码方式、初始种群的产生方法、染色体评估函数及遗传操作,建立基于遗传算法的套管柱优化设计模型,从而克服了传统套管柱设计方法在复杂地质条件下套管柱强度设计中运算过程复杂,无法兼顾套管成本与风险因素的缺点。对普光气田某井套管柱进行的设计验证情况表明,该方法设计结果准确可靠,既提高了套管柱可靠性,又有利于降低成本。该项研究为复杂地质条件下优化套管柱设计提供了新的方法。     

深井套管柱优化设计理论中的几个问题

本文论述了(1)组合套管设计中不但要根据API5C3规定计算轴向载荷对抗外挤强度的影响,还应计算外压力对抗拉强度的影响;(2)建议采用解析方法代替目前国内外套管设计普遍使用的逐步逼近法;(3)证明了API5C3有关双轴应力计算公式不能用于套管弹性失稳破坏的情况,并根据唐奈八阶微分方程导出在轴向载荷作用下套管弹性失稳破坏的抗外挤压强度的计算公式;(4)概略地介绍了目前国外组合套管柱优化设计中确定设计系数及主要外力参数的方法。建议改变我国在套管设计程序中首先确定可下深度的作法;(5)本文给出了一个套管柱优化设计的算例。     

基于启发式算法的套管柱组合优化设计方法

针对深井、超深油气井中套管柱组合设计存在非线性、多目标和离散变量组合的问题，提出了一种基于启发式算法的套管柱组合优化设计方法。采用树状结构表示套管柱组合并将其参数化，给出了体现套管柱成本、质量和安全因素的设计需求向量，建立了以该向量为基础的可调多目标数学模型，并给出了利用启发式算法求解该模型的方法。通过与经典的套管柱设计案例进行比较分析，在最经济方案的情形下，利用所建立数学模型得出的解在适应值方面比原方法更好，如解3在成本和质量方面均有所降低，解2的成本降低4.057%，但质量增加0.274%。研究结果表明，基于启发式算法的套管柱组合优化设计方法得出的解具有合理性，且在一定程度上比原有解更优，可解决深井、超深井套管柱组合设计存在的问题。      

基于ANSYS的水平井下套管摩阻分析计算

随着水平井和大位移井的日益普遍,由于套管柱自重和井眼弯曲等多种因素的影响,水平井和大位移井中的套管柱存在较高的摩阻力,摩阻过大将会影响到套管柱的顺利下入,水平井中套管柱轴向力的准确预测也为套管强度设计提供了重要的基础数据。用CAE大型有限元软件ANSYS,对江沙8-H水平井的?139.7 mm套管的受力和变形进行了数值模拟,计算了刚性扶正器处的接触力和刚性扶正器间套管的横向位移,并得到了套管柱在水平井中的摩阻力。计算模型考虑了套管的刚度和刚性扶正器对摩阻力影响,计算结果与现场实测数据比较吻合。计算结果表明,水平井中套管摩阻对轴向力的影响较大,且刚性扶正器间套管较长时,扶正器间大部分套管仍会与井壁接触,导致扶正效果降低。该计算方法为钻井工程设计提供了理论支持。     

套管钻井中套管柱疲劳寿命分析方法

套管钻井中套管柱疲劳寿命分析是进行钻井工程设计的一项重要研究工作。文章对套管柱组合在不同钻压、转速下的动力学问题进行分析的基础上,获得了不同钻井参数下的套管柱应力、应变以及接触应力等参数的变化规律,利用ANSYS软件疲劳寿命分析模块,建立了套管钻井中套管柱的疲劳寿命分析方法,并进行了实例计算。为在套管钻井作业中合理地选择钻具组合和钻井参数提供了理论依据。     

超深井套管三维弹塑性ABAQUS有限元分析

针对一个井深为7500 m的竖直油井套管地层中有若干段蠕变严重的盐岩层，在固井后，由于盐岩层蠕变对套管产生的压力引起套管产生过量塑性变形，进而被挤毁。工程单位要求对原设计方案进行三维有限元模拟验算，并要求依据所拥有的资料提出新的设计建议。为此，应用ABAQUS有限元软件对原设计方案进行了三维弹塑性数值分析，进一步对壁厚增加以后的套管进行了弹塑性数值模拟分析。计算内容有：①原设计外径为0.34 m、内径为0.31 m的套管在内外液体压力以及对称的15°扇形区盐岩压力作用下的三维弹塑性分析；②新设计建议外径为0.35 m、内径为0.315 m的套管在内外液体压力和非对称的15°扇形区盐岩压力作用下的三维弹塑性分析；③将上述②的模型所处位置深度增加，即平移使其顶部深度达到6500 m时套管的三维弹塑性分析。结果表明，原设计套管厚度不能承受盐岩层所产生的较大压力梯度，而壁厚增加以后的套管设计承载能力能够满足工作环境要求。     

大位移井套管磨损预测模型研究及其应用

针对套管磨损问题,以White和Dawson提出的理论模型为基础,结合Casing Wear ANSYS有限元软件及自编程序,建立了套管磨损厚度及剩余强度计算模型,给出了套管磨损预测的计算流程。利用该理论模型对南海某超大位移井进行了实例计算。结果表明,采用该方法所得的计算结果与现场发生的情况比较吻合。该研究结果对于进一步完善钻井工程设计中有关套管柱强度设计与磨损评价工作具有一定的参考意义。     

套管的计算机辅助设计软件研制

在综合分析套管设计理论和方法的基础上,通过建立套管强度设计和载荷计算的数学模型,研制了套管计算机辅助设计软件。该软件把套管的钢级、壁厚和强度等性能参数存入数据库,将套管设计过程写成代码,根据原始数据计算相应载荷后,可自动查询并列出所有符合强度要求的套管种类,供设计者根据实际情况选择。重点介绍了套管设计软件的设计思路和程序框图,并通过计算实例给出了利用软件进行套管实际设计的操作步骤。     

南海西江大位移井井身结构与套管柱设计研究

井身结构与套管柱设计对于大位移井钻进是非常重要的。阐述了在大位移井井身结构设计和套管柱设计的过程中所考虑的各种因素,以及在南海西江大位移井工程施工中所采取的具体措施。介绍了XJ24-1油田的工程地质数据,阐明了井身结构设计中采用的主要原理及在工程实践中采用的井身结构,利用自主开发的大位移井套管载荷分析及强度设计软件,给出了南海新建大位移井套管柱结构方案的设计结果,该软件在西江大位移井工程中得到成功应用。     

非均匀地应力条件下磨损位置对套管应力的影响研究

深井、超深井、大斜度井、大位移井等高难度井逐渐普及，其钻柱工作时间的延长以及井眼轨迹的变化使得套管磨损问题日益突出，而磨损位置的不同会对套管强度降低的程度产生重要影响。为此，文章在充分考虑地应力非均匀性的基础上，建立了磨损后套管应力计算的有限元模型。计算结果表明，当磨损位置处于最小地应力方位时，磨损带来的套管应力增加和地应力非均匀性导致的套管应力非均匀分布得到了叠加，是最危险的情况。由于套管磨损位置带有一定的随机性，因此在设计套管强度时，应以磨损位置处于最小地应力方位为基准才是安全的。     

南海西江大位移井摩阻和扭矩数值分析研究

井下摩阻和扭矩,是影响大位移井设计与施工的2个关键因素。对三维井眼中管柱单元进行受力分析,建立了通用的井下摩阻和扭矩计算模型和算法,并开发出大位移井摩阻和扭矩的数值计算软件。该软件在南海西江大位移井钻井和下套管作业案例分析中得到成功应用,对井下摩阻和扭矩进行了数值模拟计算及预测分析,获得较好的结果,并可在今后的大位移井工程中推广应用。     

钻杆涡动引起的套管磨损解析分析

深井、超深井中严重的钻杆涡动是导致套管和钻杆磨损的一个重要原因，但对由此引起的套管磨损还缺乏有效的计算方法。基于钻杆涡动特性，初步引入了钻杆公转率的概念，结合磨损的数值计算方法，建立了钻杆公转情况下套管磨损的计算模型，并进行了实例计算和分析。结果表明，采用现场工作人员推荐公转率的方法计算出的钻杆磨损与实际磨损比较吻合，可采用该计算方法对套管磨损进行合理估算，有效预测和防止井下事故的发生。     

深井和大位移井套管磨损程度预测

为提高套管柱强度设计准确性,防止磨损失控情况发生,深入分析了套管磨损预测技术。结合定向井钻柱力学研究成果,考虑钻柱刚度和屈曲的影响,推导了深井和大位移井的钻柱拉力-扭矩方程,建立了基于能量原理的套管磨损程度预测模型,并编制了预测软件。该预测软件可以预测包括钻进、起下钻具等作业过程的,不同套管柱层次、钻具组合、井眼轨迹、钻井液类型和钻井参数等情况的全井段不同井深所对应的套管磨损量。实例计算结果表明,编制的预测软件减小了人为的估计误差,预测值更为准确可靠。研究成果为深井和大位移井安全高效钻进提供了新的技术支持。      

委内瑞拉浅层高水垂比三维水平井下套管工艺

针对委内瑞拉胡宁4区块丛式井开发中管柱下入困难的问题,分析了浅层三维水平井套管下入难点,采用漂浮下套管模拟计算分析方法,从漂浮方案优化方面进行了探讨。管柱与井壁摩擦引起的摩擦阻力是中间套管和尾管下入困难的主要影响因素,模拟优化计算表明,φ244.5 mm套管和φ177.8 mm尾管分别采用600 m和1 450 m空气段长度进行漂浮下入,对套管的下入最为有利。总结了浅层高水垂比三维水平井下套管工艺措施,并介绍了现场应用实例。应用表明,正确运用套管漂浮技术,结合模拟优化计算结果,可解决委内瑞拉浅层高水垂比三维水平井管柱下入困难的问题。