大修井管柱力學(xué)分析軟件的研制及應(yīng)用

胡永雄，平恩順，孫立波，單茂青，楊秋梅，李 博，劉澤宇，曹 寧，辛雙港，鄒春鳳

（中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300283）

近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，軟件行業(yè)蓬勃崛起，直接推動了油田的信息化建設(shè)。信息化軟件在油田的應(yīng)用，不僅能夠解決生產(chǎn)實(shí)際問題，還使油田的生產(chǎn)與管理變得更加科學(xué)與高效[1]。

目前大修作業(yè)施工完全是按照現(xiàn)場技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)的，存在著較大的盲目性和不規(guī)范性，而經(jīng)驗(yàn)豐富的修井專家又相對不足，技術(shù)人員大修水平的提高更多是從現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)中反復(fù)摸索而來的。燕山大學(xué)趙文彬等[2]研制了一套大修井管柱力學(xué)分析軟件，主要對修井過程中拉力-扭矩進(jìn)行力學(xué)分析，考慮的三維管柱綜合受力及變形尚不完善。筆者研制的修井管柱力學(xué)軟件綜合考慮了管柱受力的影響，采用非線性有限元理論來分析管柱的受力及變形，更加真實(shí)地模擬管柱在各工況下的受力情況，指導(dǎo)和輔助技術(shù)人員科學(xué)地完成修井作業(yè)，不僅能夠提高修井作業(yè)的成功率，縮短修井作業(yè)時間，降低修井作業(yè)成本，而且還可以進(jìn)一步提升我國修井作業(yè)技術(shù)水平。

1 軟件內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制

大修井管柱力學(xué)分析軟件采用C#語言進(jìn)行編制，用戶在軟件界面輸入需要計(jì)算的參數(shù)，并在SQL數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，軟件根據(jù)計(jì)算參數(shù)以及選擇的工況編寫管柱力學(xué)分析命令流程序，后臺調(diào)用ANSYS軟件將命令流程序輸入并進(jìn)行分析計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并呈現(xiàn)在軟件界面上。該軟件運(yùn)行機(jī)制可使復(fù)雜的力學(xué)分析過程在后臺中運(yùn)行，便于用戶對軟件的操作。

2 軟件總體框架結(jié)構(gòu)

大修井管柱力學(xué)分析軟件是一款旨在服務(wù)現(xiàn)場，指導(dǎo)修井作業(yè)的軟件。該軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括三維井眼軌跡模塊，有限元分析模塊和數(shù)據(jù)庫管理模塊，軟件總體框架結(jié)構(gòu)（見圖1）。

三維井眼軌跡模塊主要利用鉆井?dāng)?shù)據(jù)，測斜數(shù)據(jù)及錄井?dāng)?shù)據(jù)（井深、井斜、方位角、垂深等），結(jié)合井眼數(shù)據(jù)處理技術(shù)[3]，建立三維“數(shù)學(xué)井筒”；然后使用GDI+圖像后處理，建立三維井筒圖像。

圖1 軟件總體框架結(jié)構(gòu)

有限元分析模塊主要是對管柱力學(xué)進(jìn)行有限元分析計(jì)算，模擬管柱作業(yè)時的受力狀態(tài)，為現(xiàn)場技術(shù)人員提供理論依據(jù)。同時計(jì)算結(jié)果可以保存到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，技術(shù)人員制定修井方案時可以同時借鑒理論分析的計(jì)算結(jié)果以及案例庫中以往成功的典型案例，更加科學(xué)地制定修井施工方案。

數(shù)據(jù)庫管理模塊主要包括修井案例庫，標(biāo)準(zhǔn)庫和材料庫等。修井技術(shù)人員主要通過借鑒修井案例庫中故障相似的案例進(jìn)行修井計(jì)劃的制定，標(biāo)準(zhǔn)庫和材料庫中的資料可以輔助修井。

2.1 軟件結(jié)構(gòu)功能

2.1.1 三維井眼軌跡模塊 該模塊通過對井斜角、方位角等測斜數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的三維擬合，通過C#的圖形界面將井眼軌跡顯示出來，可為后續(xù)的有限元分析建立管柱力學(xué)的幾何模型。

軟件讀取測斜數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)查看區(qū)域會顯示具體的數(shù)據(jù)值，然后依次點(diǎn)擊“插值運(yùn)算”和“繪制圖形”按鈕進(jìn)行運(yùn)算和繪圖。通過數(shù)據(jù)查看區(qū)域的“測點(diǎn)坐標(biāo)”可以看到計(jì)算得到的測點(diǎn)坐標(biāo)，右側(cè)信息查詢區(qū)域可以查看任意井深點(diǎn)處的信息。圖形查看區(qū)域可以觀看不同視角下的井眼軌跡曲線。

2.1.2 有限元分析模塊 有限元分析模塊是用C#語言編寫的管柱力學(xué)分析的控制界面。通過人機(jī)界面交互，根據(jù)用戶設(shè)置的參數(shù)自動編寫管柱力學(xué)分析命令流程序，在后臺啟用一個線程調(diào)用ANSYS程序，將預(yù)先編寫的命令流程序輸入ANSYS中進(jìn)行分析計(jì)算。該模塊可自動進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分和加載、求解計(jì)算等一系列的有限元分析過程[4-6]，無需用戶親自操作。結(jié)果查看區(qū)域可讀取后臺調(diào)用的有限元分析的計(jì)算結(jié)果，最后顯示結(jié)果云圖。該模塊可適用于不同井眼軌跡的井。

2.1.3 數(shù)據(jù)庫管理模塊 數(shù)據(jù)庫管理模塊主要包括三個子模塊：油井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊，修井施工參數(shù)管理模塊和標(biāo)準(zhǔn)庫模塊（見圖2）。油井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊主要用于記錄油井的基本信息，如油井井眼軌跡的測斜數(shù)據(jù)，所在油廠信息和井身結(jié)構(gòu)信息等；修井施工參數(shù)管理模塊主要用于管理修井案例的信息以及理論分析的案例信息；標(biāo)準(zhǔn)庫模塊主要用于存儲修井常用工具、管柱信息等。

圖2 數(shù)據(jù)庫管理模塊結(jié)構(gòu)圖

2.1.3.1 油井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊 井眼數(shù)據(jù)管理界面的主要功能是向數(shù)據(jù)庫中添加井眼數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的Excel文件將數(shù)據(jù)錄入到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，可為三維井眼軌跡模塊提供數(shù)據(jù)支持。

2.1.3.2 修井施工參數(shù)管理模塊 通過這個界面可以將修井作業(yè)時儀器記錄的實(shí)時數(shù)據(jù)讀取到軟件當(dāng)中，并存儲到數(shù)據(jù)庫里。界面的上部區(qū)域錄入的是油井的基本信息，界面下部區(qū)域顯示的是錄入數(shù)據(jù)文件中的具體數(shù)據(jù)。

2.1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)庫模塊 標(biāo)準(zhǔn)庫模塊主要提供標(biāo)準(zhǔn)油管和套管，油田常用工具的特征參數(shù)以及不同鋼級材料的數(shù)據(jù)。

3 軟件特點(diǎn)

本軟件具有以下特點(diǎn)：

（1）為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，建立了三維井眼軌跡模型，并且在對井身多點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后可以提供多個方向的二維井身軌跡圖和三維井身軌跡圖，方便技術(shù)人員把握井眼軌跡的整體走向。

（2）軟件將不同工具的鉆壓-扭矩曲線集成在有限元算法中，通過有限元分析得出鉆壓，計(jì)算相應(yīng)的扭矩。

（3）大修井管柱力學(xué)分析軟件采用C#語言進(jìn)行編制，具有界面簡潔，邏輯清晰，結(jié)構(gòu)完整，易于操作等特點(diǎn)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

為了更加準(zhǔn)確的模擬修井管柱現(xiàn)場作業(yè)時的力學(xué)性能，在大港油田X井現(xiàn)場應(yīng)用進(jìn)行模擬仿真，分析了該井施工方案的設(shè)計(jì)并指導(dǎo)現(xiàn)場施工，研究修井管柱在套銑工況下的受力情況。

修井管柱進(jìn)行套銑時，管柱由轉(zhuǎn)盤帶動進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，管柱除了受到井壁的約束外，管柱在井口受到一個旋轉(zhuǎn)位移約束，井底受到鉆壓的作用。

管柱的摩阻基本按照直井段較小，造斜段復(fù)雜，穩(wěn)斜段均布的規(guī)律分布，但是由于管柱始終處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，與套管的接觸與碰撞復(fù)雜，摩阻力出現(xiàn)了個別波動較大的數(shù)值。

套銑施工過程：2017年1月13日至17日，下Φ114 mm×10 m套銑筒（底帶Ф116 mm套銑鞋），修井液正循環(huán)套銑清理油管外環(huán)空，套銑4次。修井管柱進(jìn)行旋轉(zhuǎn)作業(yè)時管柱軸力呈上拉下壓狀態(tài)，中和點(diǎn)以下管柱為壓縮狀態(tài)，軸力變?yōu)樨?fù)值并逐漸增加到額定鉆壓30 kN。推薦套銑施工參數(shù)：加壓10 kN～30 kN，轉(zhuǎn)速40 r/min～60 r/min，排量≥500 L/min。利用大修井管柱力學(xué)軟件完成該井套銑作業(yè)，不論是施工前的模擬還是作業(yè)過程中實(shí)時分析，都使技術(shù)人員做到心中有數(shù)，有的放矢，減少施工過程中的盲目性和不規(guī)范性，提高了大修施工的成功率，加快了大修施工進(jìn)度，降低了生產(chǎn)成本。

5 結(jié)論

（1）采用C#語言編寫大修作業(yè)管柱力學(xué)分析軟件，通過軟件界面輸入?yún)?shù)，程序自動編寫管柱力學(xué)分析命令流程序，后臺調(diào)用ANSYS軟件并進(jìn)行分析計(jì)算，該過程便于用戶對軟件的操作。

（2）軟件在建立管柱模型時綜合考慮了管柱受力，如提放管柱的摩擦阻力、旋轉(zhuǎn)管柱的摩擦阻力、井斜角、方位角等各種因素對管柱力學(xué)行為的影響；采用非線性有限元理論來分析管柱的受力及變形，考慮各種因素的綜合影響，能更加真實(shí)地模擬管柱在各工況下的受力情況，實(shí)現(xiàn)管柱受力全過程的動態(tài)模擬。

（3）將豐富的修井經(jīng)驗(yàn)和知識庫融匯，并加以提煉，系統(tǒng)化，研發(fā)出修井作業(yè)軟件，有效地解決了目前修井工作中存在的技術(shù)和管理問題，也為油田修井作業(yè)提供了可靠的技術(shù)依據(jù)。