超深井管柱在多源载荷下的附加安全系数裕度确定方法研究

《ACS Omega》：Research on the Determination Method of Additional Safety Factor Margin for Ultradeep Well Pipe Strings under Multisource Loads

　　

超深油气井的压裂作业相较于常规井面临更严峻的挑战，尤其是由于压裂管柱设计中的安全系数不精确，导致压裂排量受限及储层改造不充分。在泵启动等复杂工况下，管柱承受水锤引起的膨胀应力、耦合横向与轴向振动应力以及与套管内壁的碰撞应力，最终导致管柱应力过载。当前的管柱设计方法缺乏对这些多源载荷的准确预测，导致安全裕度储备不足或冗余过度和设计过剩。迫切需要开发一种基于定量载荷表征的更精细的管柱安全校核方法，以满足超深储层开发日益增长的需求。本研究聚焦于超深井复杂压裂条件下载荷的理论计算方法。建立了求解超深井压裂过程中管柱三种附加应力的数值模型，并提出了一种基于最大累积应力的管柱安全系数设计裕度确定方法。以新疆准噶尔盆地南缘一口实例井为案例，计算了不同泵工作周期和管段长度比下三种附加载荷随时间的波动、最大值及其发生位置。在此基础上，推导了所需的附加安全系数设计裕度。结果表明，当压裂泵运行周期从 0.625 s 延长至 1.875 s 时，管柱总附加载荷降低了 53%，附加安全系数裕度从 0.262 降至负值?0.244。减短大直径管段长度并增加小直径管段长度可减轻水锤效应引起的附加载荷，但会增加振动和碰撞引起的附加载荷。在不同管段长度比下，安全系数裕度介于 0.262 至 0.392 之间。该研究结果和方法为超深油气井管柱的精细化设计与优化提供了理论指导。

**超深井管柱在多源载荷下的附加安全系数裕度确定方法研究解读**

随着全球油气资源勘探开发向深层迈进，超深井面临的高温高压环境及载荷剧烈波动特性，使得作为关键增产措施的压裂作业呈现出复杂的载荷耦合与结构响应特征。管柱作为压裂作业的核心工具，其失效事故（如挤毁、爆裂、冲蚀泄漏及断裂）频发，表明传统的静态安全校核方法已无法满足现场需求。现有方法未能充分考虑压裂全周期的复杂工况，特别是在压裂泵启动瞬间，管内水锤效应产生的压力载荷、振动诱发的结构载荷以及高速接触套管内壁产生的冲击载荷相互叠加，可能导致管柱应力水平倍增甚至达到屈服极限，引发严重工程事故。因此，开展基于定量分析的超深井管柱在多源载荷下的附加安全系数裕度确定方法研究，对于提升管柱设计精度、保障作业安全具有重要的理论意义与工程价值。该研究成果已发表于《ACS Omega》期刊。

针对上述问题，研究人员以中国准噶尔盆地南缘一口实际井为例，开展了系统的数值模拟研究。研究主要采用了以下关键技术方法：首先，基于流体 - 结构相互作用理论，将井筒流场离散化，建立了一维非恒定流模型以模拟水锤效应，并通过迭代修正压力波速以确保计算精度；其次，利用能量法和哈密顿原理，将管柱简化为均匀瑞利（Rayleigh）梁，建立了考虑流体脉动激励的管柱横向与轴向耦合振动微分方程组；再次，引入弹性碰撞理论，构建了管柱外壁与套管内壁碰撞时的阻尼力及摩擦阻力模型，以量化碰撞产生的附加应力；最后，基于冯·米塞斯（von Mises）屈服准则，提出了包含水锤应力、耦合振动应力及碰撞应力在内的总附加应力计算方法，并据此定义了附加安全系数裕度的确定方法。研究样本来源于准噶尔盆地南缘的超深垂直井，井深 7920 m，采用单封隔器管柱组合，管柱由 4.5 in.、3.5 in. 和 2.875 in.三种规格的 P110 钢级油管通过变径接头连接而成。

研究结果主要包含以下几个方面：

**不同压裂泵运行周期下的安全系数裕度计算**
研究人员通过模拟发现，延长压裂泵的启动周期可显著降低各类附加载荷。当泵运行周期从 0.625 s（即 1.0 L/c，L 为井深，c 为波速）延长至 1.875 s（3.0 L/c）时，水锤效应、管柱振动及碰撞引起的最大附加应力均呈下降趋势。具体而言，最大总附加应力从 327.9 MPa 降至 154.4 MPa，降幅达 53%。相应地，所需的附加安全系数裕度从 0.262 降至?0.244。这意味着在较慢的泵启动条件下，原设计中采用的 1.5 倍安全系数存在较大冗余，可适当降低至 1.256 以实现轻量化设计。此外，无论泵周期如何变化，最大附加应力出现的位置始终集中在 5000 m 至 5700 m 深度区间，即约 0.63 至 0.72 倍井深范围内。

**不同管段长度比下的安全系数裕度计算**
研究对比了五种不同的管段长度组合比例。结果表明，减短大直径（4.5 in.）管段长度并增加小直径管段长度，虽能一定程度上缓解水锤效应引起的附加应力并降低成本，但会加剧管柱的振动与碰撞效应。在 1:1:1 的长度比下，三种载荷的综合效应相对较小，最大总附加应力为 327.9 MPa，所需附加安全系数裕度最小，为 0.262。而在 0.8:1:1.2 的比例下，尽管水锤载荷降低，但振动和碰撞显著加剧，导致碰撞次数增加了 152%，最大总附加应力升至 357.4 MPa，所需安全系数裕度增至 0.392。各工况下，最大应力点均位于 5000 m 至 5400 m 深度区间。

讨论部分指出，本研究虽聚焦于最具代表性的泵启动工况，但未来需进一步考虑停泵、加砂突变及裂缝扩展等其他复杂工况。同时，目前的管段长度比仅为离散选取，未来可引入优化算法对管柱结构进行精细化设计。此外，研究强调了安全性与经济性的平衡，建议在极端安全或极端轻量化需求下设定相应的约束条件，并可考虑在应力集中段使用扶正器、减震器等工具以改善受力状态。

研究结论表明，建立的数值模型能有效量化超深井压裂过程中的多源附加载荷。通过延长泵启动时间和优化管段组合（如适当增加 4.5 in.管段比例），可有效降低峰值应力波动，提升管柱服役安全性。提出的附加安全系数裕度确定方法，为超深井管柱的精细化设计与优化提供了重要的理论依据和量化参考，有助于解决传统设计中安全裕度判断不准的问题，从而实现工程安全与经济成本的双重优化。