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超深井生产测试用连续管的安全性评价

文档作者：彭建云蒋俊刘清友郭新维曾努赵签贾彦杰祝效华文档来源： 1．塔里木油田公司油气工程研究院2．西南石油大学机电工程学院3．新疆油田公司工程技术公司		点击数：	更新时间： 2021年07月12日
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一66 一
石 油机械
CHINA PETROl EUM MACHINERY 2012年 第40卷第l l期
●油气田开发工程
超深井生产测试用连续管的安全性评价
彭建云 蒋 俊 刘清友 郭新维
曾 努 赵 签 贾彦杰 祝效华
(1．塔里木油田公司油气工程研究院2．西南石油大学机电工程学院3．新疆油田公司工程技术公司)
摘要：连续管具有起、下速度快，能实现钻井液连续循环，易于实现钻井自动化和智能化等
优点。但由于存在管径小、管壁薄、使用寿命短等问题，有必要对连续管在超深井内工作时的工
作安全性进行预估与评测。结合工程实例，用有限元分析方法对现有QT900连续管在超深、高温
高压井内生产测试作业进行安全性评价。评价结果表明，现有QT900连续管在超深、高温高压井
中测试作业时的工作安全性很低，特别是当连续管内、外压差过大时，可采用向连续管内注入高
压液氮等措施使连续管内、外压差趋于平衡，提高连续管作业安全性。
关键词：连续管；超深井；高温高压井；安全评估
中图分类号：TE934 文献标识码：A 文章编号：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
连续管技术在现场生产作业中以其高效、经
济、适用性强的特点备受使用者的青睐。它具有起
下速度快、能实现液体连续循环、井底压力易于控
制、设备轻便灵活移运性能好、易于实现作业自动
化和智能化等优点，是石油工业技术的重要发展方
向之一¨ 。我国引进和利用连续管作业技术始于
20世纪70年代。国内连续管作业主要以修井为
主，集中应用于冲砂洗井、钻桥塞、气举、注液
氮、清蜡、排液、挤酸和配合测试 j。现在的油
气生产中，受成本和环境等多种因素的影响，水平
井和大斜度井越来越多，传统的测试作业方式已经
基金项目：国家自然科学基金项目“油气井管柱力学与井下工具”(51222406)、“高温腐蚀环境下套管的结构完整性评价方法研究”
(51004082)。
2012年 第40卷 第11期 彭建云等：超深井生产测试用连续管的安全性评价 一67一
越来越不能够满足现场需求。运用连续管能够在井
下任何区段进行测试作业 。由于电缆安装在连
续管的内腔，运用连续管测井还能够很好地保护电
缆 ，提高油气井测试的安全性、可靠性。
但是，连续管管径小、管壁薄，只要整个管柱
有1处损坏，整套连续管就不能使用，所以连续管
使用寿命有限(1 200 lll左右的井，一般寿命为30
～ 50口)。为了使连续管的寿命尽可能地延长，有
必要对连续管在井内工作时的工作安全性进行事先
计算和评估，并找出危险段。
笔者选取7 000 m深的高温高压井，以连续管
在该井的生产测试情况为基础进行连续管的工作安
全性分析。
1 连续管有限元分析
1．1 基本假设
用连续管对井内测试，整个管柱操作过程可以
分为3个工作阶段：注人、静止(测试)和上提。
综合考虑井身结构、边界条件及载荷情况，研
究时采用以下假设：
(1)连续管的几何尺寸、材料性质分段为常
数；
(2)注人和上提过程中，初始和结束时加速
度恒定，中间过程保持匀速；
(3)连续管上提的初始阶段，起步加速缓慢，
忽略加速度带来的额外载荷。
1．2 有限元模型建立
经分析，在上述3个阶段中连续管的最危险段
都为井口段(管柱已全部下人)。此时的连续管井
口段要承受下部管柱的全部重力；连续管和油管接
触的长度最长，当连续管运动时，产生的摩擦力最
大；管柱完全下入后，此时产生的上顶力也是最大
的。在这3个分析阶段中，均选取井口段作为分析
对象 。
连续管作为测试管柱，管柱下端处于封闭状
态，因此在建立模型时，建立1个两端封闭的管
柱，一端固定，在另一端施加1个总拉力，管内壁
施加内压，管外壁施加外压和温度。用有限元方法
对连续管实现结构场、压力场与温度场的耦合分
析。QT900连续管井口段的外径38．1 mm，壁厚
5．2 mm，屈服强度620 MPa。模型长度2 Ill，有效
分析长度1 m，最大内压70 MPa(地面设备向连续
管内注入液体产生的内压)，最大外压90 MPa(井
口环空压力)，最高温度70℃ ，设外压大于内压
时压差为正。
2 注入阶段
2．1 受力分析
在注入阶段，连续管会受到自身重力G、与油
管壁接触产生的摩擦力厂、井内高压对连续管的上
顶力F 、由加速度产生的额外载荷 、外部设备
提供的拉力 ，同时还受到内外压和温度的作用。
当连续管下到井底的瞬间，将停止注入头的注
入作业，此时由于惯性力作用，连续管存在继续向
下运动的趋势，并产生加速度(加速度a=0．02
m／s )。该过程比较缓慢(注入时应避免急速停
车)，属于准静态行为，因此可以对连续管柱附加
上1个额外力进行分析。这时连续管上端固定，将
承受除了外部设备提供的拉力 和摩擦力．厂之外
的所有外载荷(见图1)。
F f
图1 停止注入瞬时连续管的受力图
Fig．1 Force diagram of CT at the instant of stopping injection
2．2 分析结果
注入阶段连续管井口段管壁应力分析结果如图
2、图3所示。应力呈现出如下特点：
凸_
茎
＼
图2 停止注入瞬时不同内、外压作用下的管壁应力
Fig．2 Tubing wall stress under the effect of different internal
and external pressures at the instant of stopping injeetion
(1)注入阶段，连续管下到井底的瞬间连续
管井口段的最小应力为327．2 MPa、最大应力为
448．7 MPa；
(2)管壁应力在任何情况下均小于屈服强度，
石 油机械 2012年第4O卷第11期
但安全系数均小于2。
山
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图3 停止注入瞬时压差对应力的影响
Fig．3 Effects of pressure differentiM on stress
at the instant of stopping injection
3 静止阶段
3．1 受力分析
在此阶段内连续管上的测试设备工作，对井内
进行测试，此时连续管受到自身重力G、井内高压
对连续管的上顶力F。(见图4)，以及内外压和温
度的作用。
图4 静止阶段连续管受力图
Fig．4 Force diagram of CT at quiescent stage
3．2 分析结果
根据分析结果(见图5、图6)，静止阶段有
以下特点：
图5 静止阶段不同内、外压作用下的管壁应力
Fig．5 Tubing wall stress under the effect of different intemM
and external pressures at quiescent stage
(1)连续管井口段的最小应力为317．7 MPa、
最大应力为441．4 MPa；
(2)管壁应力在任何情况下均小于屈服强度，
但安全系数均小于2。
图6 静止阶段压差对应力的影响
Fig．6 Effects of pressure diferentiM
On stress at quiescent stage
4 上提阶段
4．1 受力分析
上提的初始阶段是一个缓慢的过程，可以忽略
加速度对连续管承载的影响，所以此阶段连续管会
受到外部设备提供的上提力F (外部设备的拉
力)、自身重力G、与油管接触产生的摩擦力 、井
内高压对连续管的上顶力F (如图7所示)，以及
内、外压和温度的作用。
F。f
图7 上提阶段连续管的受力图
Fig．7 Force diagram of CT at upstrain stage
为方便工程使用，笔者计算在给定安全系数下
的极限上提力，再通过分析判断连续管是否可以顺
利上提。分析结果如图8～图11所示。
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醛
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图8 上提阶段不同内、外压作用下
极限上提力(安全系数取2)
Fig．8 Limit upstrain force under the effect of different
intemal and extemM pressures at upstrain stage
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2012年 第40卷 第ll期 彭建云等：超深井生产测试用连续管的安全性评价
图9 上提阶段压差对极限上提力的影响(安全系数取2)
Fig．9 Effects of pressure diferential on limit upstrain force
at upstrain stage(taking 2 as the safety coeficient)
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图10 上提阶段在不同内、外压下极
限上提力(安全系数取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)
图11 上提阶段压差对极限上提力
的影响(安全系数取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 分析结果
上提阶段中，整个管柱自重G=290 kN，摩擦
力 =60 kN，井内压力带来的上顶力F =122 kN，
所以需要的最大上提力F =228 kN。
根据分析结果，可以得到如下结论：
(1)井口段连续管所能承受的极限上提力随
压差的减小而增大，安全系数取2时最大极限上提
力为160 kN，安全系数取1．25时最大极限上提力
为265 kN；
(2)安全系数为2时连续管不能够顺利上提，
降低安全系数可上提，但存在安全风险；
(3)在内压一定时，随着外压的增加，井口
段连续管所能承受的极限上提力分布表现为先增大
后减小。
5 结 论
(1)现有QT900连续管在超深、高温高压井
中测试作业完毕后上提时安全性较低，需对连续管
的结构、材料和加工工艺做出改进。
(2)井内高压环境对连续管应力影响很大，
在轴向载荷一定的情况下，连续管内、外压差越
大，管壁应力就越大，可以采用向连续管内注入高
压液氮等措施让连续管内、外的压力环境趋于平
衡，以减小管壁应力和提高连续管的承载能力。
(3)在安全系数一定的情况下，连续管的内、
外压差越小，所能承受的极限上提力越大，若调节
连续管内压不能够满足作业要求时，在不影响作业
安全的情况下可以适当牺牲连续管疲劳寿命来完成
生产测试。
参考文献
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机械，2006，34 (1)：1—6．
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析[J]．石油机械，2001，29(4)：19—21．
[3] 王玎珂．浅谈连续油管技术的应用[J]．中国井矿
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[4] 王峻乔．连续油管技术分析与研究[J]．石油矿场
机械，2005，34(5)：34—36．
[5] 徐艳丽．提高连续油管使用寿命的方法[J]．石油
机械，2002，30 (11)：43—45．
第一作者简介：彭建云，高级工程师，生于1968年，
1991年毕业于西南石油学院采油工程专业，现从事采油和
采气工艺方面的研究工作。地址：(841000)新疆库尔勒市。
E—mail：penjy—tim@petrochina．COB．en。
通信作者：祝效华，教授，研究方向为油气井管柱力
学、井下工具与安全评价。电话：(028)83037226。E—
mail：zxhthl 13@ 163．coin。
收稿日期：2012—08—30

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