油氣測試管柱力學分析與優化設計軟件及應用

金玉堂　李云超　王濤

摘 要：在對油井進行測試的時候，特別是在對高壓氣井、水平井、超深井等進行測試的時候，因為測試關注在管內外壓力、軸向力、扭矩、彎矩、溫度等因素的作用下，其都可能會出現較為復雜的應力和形變，甚至很多時候可能會出現管柱斷脫等情況發生，基于此，需要做好油氣測試管柱力學分析和優化的設計軟件，本研究針對于此主要分析油氣測試管柱力學分析與優化設計軟件的應用，希望所得結果可以為相關領域提供有價值的參考。

關鍵詞：油氣測試；管柱力學分析；優化設計軟件

中圖分類號： TE2 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）12-143-2

0 引言

在進行油井測試的時候，特別是對于高壓氣井、超深井等進行測試的時候，進行測試的測試管柱可能會因為各種外力作用的原因發生形變，出現各種復雜的應力和應變，嚴重的時候可能會導致管柱出現斷脫和屈服破壞。所以為了更好地進行現場作業，對油氣測試管柱力學進行分析和優化，并做好設計軟件的指導和設計工作，以此來進行施工指導，能夠在很大程度上確保油氣測試的正常進行。

1 油氣測試管柱力學分析軟件的相關情況分析

1.1 油氣測試管柱力學分析軟件的介紹

油氣測試管柱力學分析軟件需要在對油氣進行調查測試作業過程中，對其所存在的力學和強度問題進行研究，要確定所要解決的問題，并根據作業過程對數學模型進行建立，做好軟件的開發環境，布置好項目管理并將數據輸入其中，然后進行力學分析模塊的編寫工作，并做好輔助模塊的編寫工作，最后進入試用階段[1]。油氣測試關注力學分析軟件能夠對油氣測試管柱在起下過程中，油管的拉力和扭矩進行分析，并分析測試過程中的油管力學，它能夠對井下的受力狀況進行分析，優化設計油氣測試管柱。

分析這款軟件的設計開發環境，這款軟件的運行系統主要為中文的windowsXP+office2003以上的系統，如果系統的配置比這個系統較低，那么軟件可能不能安裝，而軟件的開發語言Visual Basic和TeeChart。安裝軟件的時候，點擊start.exe可以進行軟件安裝，當軟件安裝完成以后，桌面上會出現該軟件的快捷方式，點擊快捷方式運行軟件。軟件的一級菜單主要涉及文件管理、數據輸入、井眼軌道、管柱組合等多個工具欄。

1.2 油氣測試管柱力學分析軟件的設計

首先分析該軟件的文件管理，其計算數據主要按照項目進行管理，每個井口的參數組成一個獨立的項目，文件管理可以實現其對于新項目的創建工作，也能夠實現對于已存在項目的打開工作，可以將已經打開的項目改名進行另存備用，涉及了該項目的刪除，能夠將項目從硬盤備份到其他磁盤上，同時也可以將其他磁盤的項目數據回存到電腦。分析數據的輸入，數據的輸入主要涉及了作業管柱的組合、井點的軌道、井壁的套管、管內流體的性能、摩擦因數等等，并能夠將所有的數據都形成word的文檔的模式[2]。對井眼的軌道進行分析，可以根據所輸入的井眼軌道將井點軌道當中的幾何形狀、相關參數進行計算，而且本研究的軟件能夠對輸入的井眼軌道的數據進行進一步的檢查，確定其是否正確。分析管柱的組合，軟件能夠將所輸入的作業的管柱組合圖形顯示出來，然后將對于輸入的作業的管柱組合的數據進行進一步的檢查。除此之外，油氣測試管柱力學分析軟件也能夠分析起下過程中滾柱的拉力和扭矩，也能夠對試油管柱的力學進行分析。本研究的數據庫主要提供給計算過程所需要的數據，它主要涉及了鋼材的性能、工具圖片庫、石油管材性能、關注涉及系數和計算補償等。

1.3 油氣測試關注力學分析軟件的核心功能介紹

其核心功能主要涉及了帶封割器管柱安全校核模塊和摩阻扭矩與動載分析模塊兩個方面，首先是帶封割器管柱安全校核模塊，其可以分析封隔器與油管的三種關系下，正常生產、座封，以及酸化、壓裂作業時管柱的受力狀況并校核其安全性。該模塊的計算結果包括封隔器在不同工況的軸向載荷、油管底部壓力、封隔器處油管外壓、判斷封隔器是否解封、計算中性點位置、判斷管柱是否安全等；而摩阻扭矩與動載分析模塊從某種程度上來說，這種模塊主要采用圓柱螺線法和空間圓弧曲線法精確模擬三維井眼軌道、建立井筒、管柱、流體之間力學關系的方程組、采用精確的數值分析方法求解，可以對生產及作業管柱進行摩阻扭矩分析和動載分析，以確定其安全性與穩定性。對于靜態管柱，可以計算出各段的軸向力與側向力、分段分析其穩定性。對于動態的起下管柱過程，可以計算出過程各個階段的井口載荷與扭矩。所有計算結果均用表格與曲線表示。

2 油氣測試管柱力學分析軟件的應用研究

2.1 油氣測試關注力學分析軟件的應用模塊研究

在現實應用當中，它能夠對封隔器和油管的三種關系下，正常的生產、座封，以及酸化、壓裂作業時管柱的受力狀況并校核其安全性進行分析，該模塊的計算結果包括封隔器在不同工況的軸向載荷、油管底部壓力、封隔器處油管外壓、判斷封隔器是否解封、計算中性點位置、判斷管柱是否安全[3]。同時，該模塊采用圓柱螺線法和空間圓弧曲線法精確模擬三維井眼軌道、建立井筒、管柱、流體之間力學關系的方程組、采用精確的數值分析方法求解，可以對生產及作業管柱進行摩阻扭矩分析和動載分析，以確定其安全性與穩定性。對于靜態管柱，可以計算出各段的軸向力與側向力、分段分析其穩定性。對于動態的起下管柱過程，可以計算出過程各個階段的井口載荷與扭矩。所有計算結果均用表格與曲線表示[4]。

本研究以某油田xx井管柱受力分析對軟件多個方面性能進行了詳細的測試和驗證，具體情況如下：

軟件數據輸入采取向導型界面方式，界面數據自動檢查和過程處理，提示出錯信息；數據輸入界面圖表并茂，相關模塊提供了經驗公式和默認賦值形式，方便用戶數據輸入。輸入、運行、結果查詢界面都十分友好而且條理清晰。

對不同模型、計算速度、計算結果、結果曲線、圖形等進行了詳細測試。

射孔參數優化設計軟件要求的硬件、軟件環境：

硬件環境：Pentium II以上的PC機，內存要在64M以上，建議內存128M，硬盤至少有800M的自由空間，顯示要設置到800*600的16位增強色或更高。

軟件環境：操作系統要中文Windows9X/2000/XP或更高。

①P3/P4及其兼容機 WIN98/WIN2000/WINXP操作系統 IE6.0；

②收集65155井的生產數據、所在區塊的粘溫曲線數據、周期注汽數據等；

③有關必要的文檔。

2.2 油氣測試關注力學分析軟件的測試結論探討

按照制定的測試計劃，組織相關的技術人員，對井下管柱力學分析及優化設計軟件，測試結果顯示軟件運行正常，性能穩定，計算模塊計算結果在允許的精度范圍內。該軟件能夠滿足立項要求：①該軟件具有較好的系統性、開放性、靈活性、兼容性和穩定性；②軟件功能全面，計算結果準確、預測數據與生產實際具有較高的符合性；③軟件界面清晰，數據輸入、調用簡單。該軟件采用了管柱力學分析的理論，建立了動態管柱設計、校核等方法；選用現場實際井數據進行了預測結果對比。現場試驗證實，該軟件能較為準確地預測井口管柱的載荷和扭矩，可以用進行管柱組合的設計以及油管鋼級的選擇。

3 結語

本研究主要就油氣測試管柱力學分析軟件的設計和應用情況進行研究，文中涉及了一些筆者自己的主觀看法，通過本研究的分析，筆者認為油氣測試管柱力學的分析軟件具有較好的穩定性，同時具有靈活和兼容性，能夠全面的計算測試結果，確保結果的準確性，而且本研究軟件的操作界面較為清晰，數據輸入和調用相對簡單，是一款值得進一步深入開發的實用性軟件。

參 考 文 獻

[1] 高科超，馮衛華，吳軒，尚鎖貴，楊子，張興華，王雪飛.海上油田復雜氣井深井測試管柱的應用與研究[J].油氣井測試，2016，03（01）：42-44.

[2] 李子豐，蔡雨田，李冬梅，徐燕東.地層測試管柱力學分析[J].石油學報，2014，27（04）：165-166.

[3] 魏曉東，劉清友.深水測試管柱力學行為研究進展及發展方向[J].西南石油大學學報（自然科學版），2015，28（01）：485-486.

[4] 張衍臣，于振東，范學君.不動管柱多層壓裂及排液一體化工藝技術研究與應用[J].石油勘探與開發，2015，20（02）：524-525.