CN104265185B - 一种三级油管柱设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三级油管柱设计方法及装置，具体包含：获得多组三级油管柱材料的相关参数；将所述多组三级油管柱材料的相关参数代入以下公式获得其对应的各组油管柱寿命及每级的长度；将各组油管柱寿命及每级的长度与预先设置的阀值作比较，获得最优的三级油管柱设计方案。以此，通过准确预测油管柱寿命及选取合理的长度，不仅能大幅度提高油管柱的安全性，而且还能节省油管柱钢材，降低生产成本；减小或避免油气井油管柱的安全风险。

Description

一种三级油管柱设计方法及装置

技术领域

本发明涉及石油天然气工业及煤层气工业方面的油、气井安全生产技术，特别是在腐蚀环境条件下的油、气深井三级油管柱等寿命设计方法。

背景技术

目前国内，关于三级油管柱设计的文献非常少，几乎没有，如果有通常情况下也是采用等强度设计方法。但采用等强度设计方法存在一定的技术缺陷，比如，油、气井开采一段时间后，由于管柱受到腐蚀等因素的影响，三级油管柱危险断面的强度就不再相等，某一级油管柱的强度下降的快，另两级油管柱的强度下降的慢，这就造成某一级油管柱先损坏，另两级油管柱后损坏，而整个油管柱的寿命是由先损坏的一级管柱所决定的，因此使整个油管柱的寿命变短。以此，因为前期设计不完善，使得后期目标三级油管不能达到预期的目的；有鉴于此，如何有效的设计一种三级油管柱成为当前本领域一亟欲解决的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种三级油管柱设计方法，用于克服当前三级油管柱设计缺陷，以此有效的减小或避免油气井油管柱的安全风险；提高油管柱的安全性，延长油管柱的寿命，节省油管柱钢材，降低生产成本。

具体而言，本发明提供一种三级油管柱设计方法，包含：获得多组三级油管柱材料的相关参数；

将所述多组三级油管柱材料的相关参数代入以下公式获得其对应的各组油管柱寿命及每级的长度；

通过以下公式获得各组油管柱寿命及每级的长度为：

$L_1=\frac{P_1{y}_1-P_2{y}_2}{q_1}\·\frac{L_3{q}_3}{P_3{y}_3};L_2=\frac{P_2{y}_2-P_3{y}_3}{q_2}\·\frac{L_3{q}_3}{P_3{y}_3};$

$L_3=\frac{L}{1+\frac{q_3}{P_3{y}_3}(\frac{P_1{y}_1-P_2{y}_2}{q_1}+\frac{P_2{y}_2-P_3{y}_3}{q_2})};$

$T_{\mathrm{sm}}=\frac{1}{2v}(\sqrt{D_{o3}^2-\frac{\mathrm{\α}(D_{o3}^2-D_{i3}^2)\left(L_3{q}_3\right)g\cos \mathrm{\θ}}{P_3}}-D_{i3});$

$y_1=\frac{{D_{o1}}^2-{(D_{i1}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o1}}^2-{D_{i1}}^2};y_2=\frac{{D_{o2}}^2-{(D_{i2}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o2}}^2-{D_{i2}}^2};y_3=\frac{{D_{o3}}^2-{(D_{i3}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o3}}^2-{D_{i3}}^2};$

上述公式中：D_o----油管外径；D_i----油管内径；g----重力加速度，；L----油管长度；q----每米油管重量；P----下井初期油管柱抗拉极限载荷；t----时间；T_sm----油管柱寿命；v----腐蚀速率；α----标准规定的油管柱抗拉安全系数；θ----井斜角，即井眼中心线与垂直方向之间的夹角，度；y为简化公式的带入值，无实际物理意义；下标1、2、3分别代表第一级、第二级、第三级油管柱；

将各组油管柱寿命及每级的长度与预先设置的阀值作比较，获得最优的三级油管柱设计方案。

在本发明还提供一种三级油管柱寿命设计装置，所述装置包含：获取模块，用于获得多组三级油管柱材料的相关参数；

处理模块，用于将所述多组三级油管柱材料的相关参数代入以下公式获得其对应的各组油管柱寿命及每级的长度；

所述处理模块通过以下公式获得各组油管柱寿命及每级的长度为：

$L_1=\frac{P_1{y}_1-P_2{y}_2}{q_1}\·\frac{L_3{q}_3}{P_3{y}_3};L_2=\frac{P_2{y}_2-P_3{y}_3}{q_2}\·\frac{L_3{q}_3}{P_3{y}_3};$

$L_3=\frac{L}{1+\frac{q_3}{P_3{y}_3}(\frac{P_1{y}_1-P_2{y}_2}{q_1}+\frac{P_2{y}_2-P_3{y}_3}{q_2})};$

$T_{\mathrm{sm}}=\frac{1}{2v}(\sqrt{D_{o3}^2-\frac{\mathrm{\α}(D_{o3}^2-D_{i3}^2)\left(L_3{q}_3\right)g\cos \mathrm{\θ}}{P_3}}-D_{i3});$

$y_1=\frac{{D_{o1}}^2-{(D_{i1}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o1}}^2-{D_{i1}}^2};y_2=\frac{{D_{o2}}^2-{(D_{i2}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o2}}^2-{D_{i2}}^2};y_3=\frac{{D_{o3}}^2-{(D_{i3}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o3}}^2-{D_{i3}}^2};$

上述公式中：D_o----油管外径；D_i----油管内径；g----重力加速度，；L----油管长度；q----每米油管重量；P----下井初期油管柱抗拉极限载荷；t----时间；T_sm----油管柱寿命；v----腐蚀速率；α----标准规定的油管柱抗拉安全系数；θ----井斜角，即井眼中心线与垂直方向之间的夹角，度；y为简化公式的带入值，无实际物理意义；下标1、2、3分别代表第一级、第二级、第三级油管柱；

设计模块，将各组油管柱寿命及每级的长度与预先设置的阀值作比较，获得最优的三级油管柱设计方案。

本发明的有益技术效果在于：目前由于高温高压高酸性油、气井越来越多，在腐蚀介质中油管柱的安全性受到严重的威胁，需要特别关注，尤其是当油、气井比较深时，单级管柱抗拉性能往往不能满足安全要求。采用三级油管柱，并通过等寿命优化设计，能大幅度提高油管柱的安全性，延长油管柱的寿命，并且还能节省油管柱钢材，降低生产成本；准确预测油管柱寿命，可以减小或避免油气井油管柱的安全风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的三级油管柱示意图；

图2为本发明提供的三级油管柱设计方法流程图；

图3为本发明提供的油管柱寿命对比图；

图4为本发明提供的油管柱采气成本对比图；

图5为本发明提供的三级油管柱设计装置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明适用于石油天然气工业及煤层气工业方面的油井、气井和水井，尤其适用于含CO₂的油、气深井，H₂S的油、气深井、或CO₂和H₂S共存的油、气深井，为油、气、水井的安全生产提供保证。

目前，国内外发现的油气田越来越复杂，高温、高压、含酸气、井深等等，油、气、水井开采时安全风险越来越多，油气田开采难度越来越大。本发明可以在国内外各个油气田推广应用，具有很广泛的应用前景。

请参考图1所示，目前由于高温高压高酸性油、气井越来越多，在腐蚀介质中油管柱的安全性受到严重的威胁，需要特别关注，尤其是当油、气井比较深时，单级管柱抗拉性能往往不能满足安全要求。采用三级油管柱，并通过等寿命优化设计，能大幅度提高油管柱的安全性，延长油管柱的寿命，并且还能节省油管柱钢材，降低生产成本；如何准确预测油管柱寿命并减小或避免油气井油管柱的安全风险，在当前业内一直没有相关且可靠的文献给予科学的指导。

本发明的目的在于提供一种三级油管柱寿命设计方法，根据现有钢材，重量等已知参数，合理预测出三级油管中每一级的长度及其使用寿命，通过预测的长度、寿命与当前环境作比较，可直观的了解材料是否合适，能否达到要求或是否超出要求过多，造成了成本的浪费等情况。具体的，本发明是通过以下公式预测三级油管柱的长度及寿命的。

请参考图2所示，本发明提供S101获得多组三级油管柱材料的相关参数；

S102将所述多组三级油管柱材料的相关参数代入以下公式获得其对应的各组油管柱寿命及每级的长度；

通过以下公式获得各组油管柱寿命及每级的长度为：

$L_1=\frac{P_1{y}_1-P_2{y}_2}{q_1}\·\frac{L_3{q}_3}{P_3{y}_3};L_2=\frac{P_2{y}_2-P_3{y}_3}{q_2}\·\frac{L_3{q}_3}{P_3{y}_3};$

$L_3=\frac{L}{1+\frac{q_3}{P_3{y}_3}(\frac{P_1{y}_1-P_2{y}_2}{q_1}+\frac{P_2{y}_2-P_3{y}_3}{q_2})};$

$T_{\mathrm{sm}}=\frac{1}{2v}(\sqrt{D_{o3}^2-\frac{\mathrm{\α}(D_{o3}^2-D_{i3}^2)\left(L_3{q}_3\right)g\cos \mathrm{\θ}}{P_3}}-D_{i3});$

$y_1=\frac{{D_{o1}}^2-{(D_{i1}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o1}}^2-{D_{i1}}^2};y_2=\frac{{D_{o2}}^2-{(D_{i2}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o2}}^2-{D_{i2}}^2};y_3=\frac{{D_{o3}}^2-{(D_{i3}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o3}}^2-{D_{i3}}^2};$

上述公式中：D_o----油管外径，mm；D_i----油管内径，mm；g----重力加速度，m/s²；L----油管长度，m；q----每米油管重量，kg/m；P----下井初期油管柱抗拉极限载荷，N；t----时间，a(年)；T_sm----油管柱寿命，a(年)；v----腐蚀速率，mm/a(毫米每年)；α----标准规定的油管柱抗拉安全系数；θ----井斜角，即井眼中心线与垂直方向之间的夹角，度；y为简化公式的带入值，无实际物理意义；下标1、2、3分别代表第一级、第二级、第三级油管柱；

S103将各组油管柱寿命及每级的长度与预先设置的阀值作比较，获得最优的三级油管柱设计方案。

本发明一优选的实施例中还包含，在步骤S103中，将获得的油管柱的寿命及长度与预先设置的阀值作比较，其中阀值可为油气井深的不同所带来的油管柱所需要的长度的改变值，比如，因为较深的油气井，需求L米长的油气管道，那么通过上诉公式获得的L₁、L₂、L₃的总长就必须要等于A米，不然不能达到预期目的，在L₁、L₂、L₃的总长达标的前提下，获得该油气管柱的寿命，即安全使用年限，当该年限符合工程要求时长，那么即可以考虑将该数据得到的长度运用到实际油气管道柱设计中；当然，在面对多个符合标准条件，达到工程需要标准的设计方案中，使用者就可将每种方案的成本作比较，以此选择成本较低的方案以节约成本，获得最优的三级油管柱设计方案。简单的就是，将各组油管柱寿命及每级的长度与预先设置的阀值作比较，获得最优的三级油管柱设计方案还包含：将各组油管柱寿命及每级的长度与预先设置的阀值作比较，得到符合预先设置的阀值的对应三级油管柱材料的相关参数，其中寿命阀值的比较为大于等于阀值均可；结合所述相关参数与油管柱每级对应的长度计算成本，所述成本最低的为最优的三级油管柱设计方案。

本发明一优选的实施例中，还包含通过以下公式获得第一级油管柱下井初期油管柱抗拉极限载荷为：

$P_1=\frac{\mathrm{\π}}{4}(D_{o1}^2-D_{i1}^2){\mathrm{\σ}}_{s1};$

在上述公式中：D_o----油管外径，mm；D_i----油管内径，mm；P----下井初期油管柱抗拉极限载荷，N；σ_s----油管柱钢材的屈服强度，Mpa；下标1、2、3分别代表第一级、第二级、第三级油管柱。

本发明一优选的实施例中，还包含通过以下公式获得第一级油管柱任一时间油管柱抗拉极限载荷为：

$P_{t1}=\frac{\mathrm{\π}}{4}[D_{o1}^2-{(D_{i1}+2\mathrm{vt})}^2]{\mathrm{\σ}}_{s1};$

上述公式中：D_o----油管外径，mm；D_i----油管内径，mm；P_t----某一时间油管柱抗拉极限载荷，N；t----时间，a；v----腐蚀速率，mm/a；σ_s----油管柱钢材的屈服强度，Mpa；下标1、2、3分别代表第一级、第二级、第三级油管柱。

本发明一优选的实施例中，还包含通过以下公式获得第一级油管柱某一时间抗拉安全系数：

${\mathrm{\α}}_{t1}=\frac{y_1{P}_1}{(L_1{q}_1+L_2{q}_2+L_3{q}_3)g\cos \mathrm{\θ}};y_1=\frac{{D_{o1}}^2-{(D_{i1}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o1}}^2-{D_{i1}}^2};$

通过以下公式获得第二级油管柱某一时间抗拉安全系数：

${\mathrm{\α}}_{t2}=\frac{y_2{P}_2}{(L_2{q}_2+L_3{q}_3)g\cos \mathrm{\θ}};y_2=\frac{{D_{o2}}^2-{(D_{i2}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o2}}^2-{D_{i2}}^2};$

通过以下公式获得第三级油管柱某一时间抗拉安全系数：

${\mathrm{\α}}_{t3}=\frac{y_3{P}_3}{\left[L_3{q}_3\right]g\cos \mathrm{\θ}};y_3=\frac{{D_{o3}}^2-{(D_{i3}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o3}}^2-{D_{i3}}^2};$

上述公式中：D_o----油管外径，mm；D_i----油管内径，mm；g----重力加速度，m/s2；L----油管长度，m；q----每米油管重量，kg/m；P----下井初期油管柱抗拉极限载荷，N；t----时间，a；v----腐蚀速率，mm/a；α_t----某一时间油管柱抗拉安全系数；θ----井斜角，即井眼中心线与垂直方向之间的夹角，度；y为简化公式的带入值，无实际物理意义；下标1、2、3分别代表第一级、第二级、第三级油管柱。

本发明还提供一种三级油管柱寿命设计装置，请参考图5所示，所述装置包含：S201获取模块，用于获得多组三级油管柱材料的相关参数；S202处理模块，用于将所述多组三级油管柱材料的相关参数代入以下公式获得其对应的各组油管柱寿命及每级的长度；所述S202处理模块通过以下公式获得各组油管柱寿命及每级的长度为：

$L_1=\frac{P_1{y}_1-P_2{y}_2}{q_1}\·\frac{L_3{q}_3}{P_3{y}_3};L_2=\frac{P_2{y}_2-P_3{y}_3}{q_2}\·\frac{L_3{q}_3}{P_3{y}_3};$

$L_3=\frac{L}{1+\frac{q_3}{P_3{y}_3}(\frac{P_1{y}_1-P_2{y}_2}{q_1}+\frac{P_2{y}_2-P_3{y}_3}{q_2})};$

$T_{\mathrm{sm}}=\frac{1}{2v}(\sqrt{D_{o3}^2-\frac{\mathrm{\α}(D_{o3}^2-D_{i3}^2)\left(L_3{q}_3\right)g\cos \mathrm{\θ}}{P_3}}-D_{i3});$

$y_1=\frac{{D_{o1}}^2-{(D_{i1}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o1}}^2-{D_{i1}}^2};y_2=\frac{{D_{o2}}^2-{(D_{i2}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o2}}^2-{D_{i2}}^2};y_3=\frac{{D_{o3}}^2-{(D_{i3}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o3}}^2-{D_{i3}}^2};$

上述公式中：D_o----油管外径；D_i----油管内径；g----重力加速度，；L----油管长度；q----每米油管重量；P----下井初期油管柱抗拉极限载荷；t----时间；T_sm----油管柱寿命；v----腐蚀速率；α----标准规定的油管柱抗拉安全系数；θ----井斜角，即井眼中心线与垂直方向之间的夹角，度；y为简化公式的带入值，无实际物理意义；下标1、2、3分别代表第一级、第二级、第三级油管柱；

S203设计模块，将各组油管柱寿命及每级的长度与预先设置的阀值作比较，获得最优的三级油管柱设计方案。

本发明一实施例中，优选的包含所述S202处理模块还通过多组三级油管柱材料的相关参数计算获得第一级油管柱下井初期油管柱抗拉极限载荷，具体包含：

通过以下公式获得第一级油管柱下井初期油管柱抗拉极限载荷为：

$P_1=\frac{\mathrm{\π}}{4}(D_{o1}^2-D_{i1}^2){\mathrm{\σ}}_{s1};$

上述公式中：D_o----油管外径，mm；D_i----油管内径，mm；P----下井初期油管柱抗拉极限载荷，N；σ_s----油管柱钢材的屈服强度，Mpa；下标1、2、3分别代表第一级、第二级、第三级油管柱。

本发明一实施例中，优选的包含所述S202处理模块还通过多组三级油管柱材料的相关参数计算获得第一级油管柱下井任一时期油管柱抗拉极限载荷包含：通过以下公式获得第一级油管柱任一时间油管柱抗拉极限载荷为：

$P_{t1}=\frac{\mathrm{\π}}{4}[D_{o1}^2-{(D_{i1}+2\mathrm{vt})}^2]{\mathrm{\σ}}_{s1};$

上述公式中：D_o----油管外径，mm；D_i----油管内径，mm；P_t----某一时间油管柱抗拉极限载荷，N；t----时间，a；v----腐蚀速率，mm/a；σ_s----油管柱钢材的屈服强度，Mpa；下标1、2、3分别代表第一级、第二级、第三级油管柱。

本发明一实施例中，优选的包含所述S202处理模块还通过多组三级油管柱材料的相关参数计算获得对应油气管道的任一时期的安全系数包含：

通过以下公式获得第一级油管柱某一时间抗拉安全系数：

${\mathrm{\α}}_{t1}=\frac{y_1{P}_1}{(L_1{q}_1+L_2{q}_2+L_3{q}_3)g\cos \mathrm{\θ}};y_1=\frac{{D_{o1}}^2-{(D_{i1}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o1}}^2-{D_{i1}}^2};$

通过以下公式获得第二级油管柱某一时间抗拉安全系数：

${\mathrm{\α}}_{t2}=\frac{y_2{P}_2}{(L_2{q}_2+L_3{q}_3)g\cos \mathrm{\θ}};y_2=\frac{{D_{o2}}^2-{(D_{i2}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o2}}^2-{D_{i2}}^2};$

通过以下公式获得第三级油管柱某一时间抗拉安全系数：

${\mathrm{\α}}_{t3}=\frac{y_3{P}_3}{\left[L_3{q}_3\right]g\cos \mathrm{\θ}};y_3=\frac{{D_{o3}}^2-{(D_{i3}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o3}}^2-{D_{i3}}^2};$

上述公式中：D_o----油管外径，mm；D_i----油管内径，mm；g----重力加速度，m/s2；L----油管长度，m；q----每米油管重量，kg/m；P----下井初期油管柱抗拉极限载荷，N；t----时间，a；v----腐蚀速率，mm/a；α_t----某一时间油管柱抗拉安全系数；θ----井斜角，即井眼中心线与垂直方向之间的夹角，度；y为简化公式的带入值，无实际物理意义；下标1、2、3分别代表第一级、第二级、第三级油管柱。

本发明一实施例中，优选的包含所述S203设计模块将各组油管柱寿命及每级的长度与预先设置的阀值作比较，获得最优的三级油管柱设计方案还包含：将各组油管柱寿命及每级的长度与预先设置的阀值作比较，保存大于预先设置的阀值的对应三级油管柱材料的相关参数，计算获得其对应成本，所述成本最低的为最优的三级油管柱设计方案。

本发明一优选的实施例中还包含，将上述公式编制成程序，将该程序保存后，只需要简单的输入预制参数，即可获得相关长度，寿命及整体成本信息；在此并不做限定。具体的可通过本发明提供的一种三级油管柱寿命设计装置预制一种三级油管柱寿命设计方法，将上述三级油管柱相关参数输入三级油管柱寿命设计装置中，所述三级油管柱寿命设计装置通过下列公式处理获得最优的三级油管柱设计方案。

上述实施例中，所述寿命与长度计算公式具体推导过程如下所示：

第一级油管柱下井初期油管柱抗拉极限载荷为：

$P_1=\frac{\mathrm{\π}}{4}(D_{o1}^2-D_{i1}^2){\mathrm{\σ}}_{s1}---\left(1\right)$

第一级油管柱某一时间油管柱抗拉极限载荷为：

$P_{t1}=\frac{\mathrm{\π}}{4}[D_{o1}^2-{(D_{i1}+2\mathrm{vt})}^2]{\mathrm{\σ}}_{s1}---\left(2\right)$

式(2)除以式(1)得：

$P_{t1}=\frac{[D_{o1}^2-{(D_{i1}+2\mathrm{vt})}^2]P_1}{D_{o1}^2-{D_{i1}}^2}---\left(3\right)$

第一级油管柱某一时间抗拉安全系数为：

${\mathrm{\α}}_{t1}=\frac{P_{t1}}{g(L_1{q}_1+L_2{q}_2+L_3{q}_3)\cos \mathrm{\θ}}---\left(4\right)$

将式(3)代入式(4)得：

${\mathrm{\α}}_{t1}=\frac{y_1{P}_1}{(L_1{q}_1+L_2{q}_2+L_3{q}_3)g\cos \mathrm{\θ}}---\left(5\right)$

$y_1=\frac{{D_{o1}}^2-{(D_{i1}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o1}}^2-{D_{i1}}^2}$

同理得第二级油管柱某一时间抗拉安全系数为：

${\mathrm{\α}}_{t2}=\frac{y_2{P}_2}{(L_2{q}_2+L_3{q}_3)g\cos \mathrm{\θ}}---\left(6\right)$

$y_2=\frac{{D_{o2}}^2-{(D_{i2}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o2}}^2-{D_{i2}}^2}$

第三级油管柱某一时间抗拉安全系数为：

${\mathrm{\α}}_{t3}=\frac{y_3{P}_3}{\left[L_3{q}_3\right]g\cos \mathrm{\θ}}---\left(7\right)$

$y_3=\frac{{D_{o3}}^2-{(D_{i3}+2\mathrm{vt})}^2}{{D_{o3}}^2-{D_{i3}}^2}$

因为某一时间三级油管柱抗拉安全系数相等，因此由式(6)等于式(7)得：

$\frac{y_2{P}_2}{(L_2{q}_2+L_3{q}_3)}=\frac{y_3{P}_3}{\left[L_3{q}_3\right]}---\left(8\right)$

同理，由式(5)等于式(7)得：

$\frac{y_1{P}_1}{(L_1{q}_1+L_2{q}_2{L}_3{q}_3)}=\frac{y_3{P}_3}{\left[L_3{q}_3\right]}---\left(9\right)$

又因为，L＝L₁+L₂+L₃(10)

将(8)式代入(9)式整理后得：

$L_1=\frac{P_1{y}_1-P_2{y}_2}{q_1}\·\frac{L_3{q}_3}{P_3{y}_3}---\left(11\right)$

将(8)式整理后得：

$L_2=\frac{P_2{y}_2-P_3{y}_3}{q_2}\·\frac{L_3{q}_3}{P_3{y}_3}---\left(12\right)$

将式(11)和(12)代入式(10)整理后得：

$L_3=\frac{L}{1+\frac{q_3}{P_3{y}_3}(\frac{P_1{y}_1-P_2{y}_2}{q_1}+\frac{P_2{y}_2-P_3{y}_3}{q_2})}---\left(13\right)$

油管柱寿命为：

$T_{\mathrm{sm}}=\frac{1}{2v}(\sqrt{D_{o3}^2-\frac{\mathrm{\α}(D_{o3}^2-D_{i3}^2)\left(L_3{q}_3\right)g\cos \mathrm{\θ}}{P_3}}-D_{i3})---\left(14\right)$

式中：D_o----油管外径，mm；D_i----油管内径，mm；g----重力加速度，m/s2；L----油管长度，m；q----每米油管重量，kg/m；P----下井初期油管柱抗拉极限载荷，N；P_t----某一时间油管柱抗拉极限载荷，N；t----时间，a；T_sm----油管柱寿命，a；v----腐蚀速率，mm/a；α----标准规定的油管柱抗拉安全系数；α_t----某一时间油管柱抗拉安全系数；σ_s----油管柱钢材的屈服强度，Mpa；θ----井斜角，即井眼中心线与垂直方向之间的夹角，度；y为简化公式的带入值，无实际物理意义；下标1、2、3分别代表第一级、第二级、第三级油管柱。

在上述式中，油管柱寿命还可以用L₁、L₂表示，通过上述公式(11)，(12)，(13)可自由转换，在此就不在累赘。

将本发明运用在实际工作中能产生显著的效果，具体请参考图3-图4所示，图3和图4为根据下表1进行预测，获得的油管柱寿命对比图和油管柱采气成本对比图。

表1为阿姆河气田杨古伊气藏某典型井油管总长度3470m，腐蚀速率0.076mm/a，具体油管参数见表1(BG90SS油管柱基本参数表)。

名称	单位	第一级油管柱	第二级油管柱	第三级油管柱
					规格	in	31/2	31/2	31/2
单位长度重量	Kg/m	19.27	13.84	11.46
					外径	mm	88.9	88.9	88.9
内径	mm	69.84	76	77.92
					抗拉强度	KN	1473.14	1036.18	650.33
抗挤	MPa	118.76	79.79	58.9
					抗内压	MPa	116.41	78.83	63.93
壁厚	mm	9.53	6.45	5.49

将上述参数带入进本发明提供的寿命计算公式中，可获得如下数据，请参考表2(油管柱寿命和采气成本计算结果表)。

表2

上述平均综合采气成本是根据以下方式推导出来的：

总费用＝油管总费用+起下油管作业费+加注缓蚀剂地面设备费+缓蚀剂总费用(缓蚀剂和配液费)+加注缓蚀剂井下毛细管费+井下工具费+环空保护液费；

每年平均费用＝总费用÷设计气井寿命；其中总费用包含的各类费用在本领域中都有不同的获取方式，因此在此不再详细介绍。

通过上述实施例，工作人员可直观了解到采用三级油管柱，并通过等寿命优化设计，能大幅度提高油管柱的安全性，延长油管柱的寿命，并且还能节省油管柱钢材，降低生产成本；准确预测油管柱寿命，可以减小或避免油气井油管柱的安全风险。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种三级油管柱设计方法，其特征在于，所述方法包含：

获得多组三级油管柱材料的相关参数；

将所述多组三级油管柱材料的相关参数代入以下公式获得其对应的各组油管柱寿命及每级的长度；

通过以下公式获得各组油管柱寿命及每级的长度为：

$L_1=\frac{P_1{y}_1-P_2{y}_2}{q_1}\·\frac{L_3{q}_3}{P_3{y}_3};L_2=\frac{P_2{y}_2-P_3{y}_3}{q_2}\·\frac{L_3{q}_3}{P_3{y}_3};$

$L_3=\frac{L}{1+\frac{q_3}{P_3{y}_3}(\frac{P_1{y}_1-P_2{y}_2}{q_1}+\frac{P_2{y}_2-P_3{y}_3}{q_2})};$

$T_{sm}=\frac{1}{2v}(\sqrt{D_{o3}^2-\frac{\mathrm{\α}(D_{o3}^2-D_{i3}^2)\left(L_3{q}_3\right)gcos\mathrm{\θ}}{P_3}}-D_{i3});$

$y_1=\frac{{D_{o1}}^2-{(D_{i1}+2vt)}^2}{{D_{o1}}^2-{D_{i1}}^2};y_2=\frac{{D_{o2}}^2-{(D_{i2}+2vt)}^2}{{D_{o2}}^2-{D_{i2}}^2};y_3=\frac{{D_{o3}}^2-{(D_{i3}+2vt)}^2}{{D_{o3}}^2-{D_{i3}}^2};$

上述公式中：D_o----油管外径；D_i----油管内径；g----重力加速度，；L----油管长度；q----每米油管重量；P----下井初期油管柱抗拉极限载荷；t----时间；T_sm----油管柱寿命；v----腐蚀速率；α----标准规定的油管柱抗拉安全系数；θ----井斜角，即井眼中心线与垂直方向之间的夹角；y为简化公式的带入值，无实际物理意义；下标1、2、3分别代表第一级、第二级、第三级油管柱；

将各组油管柱寿命及每级的长度与预先设置的阀值作比较，获得最优的三级油管柱设计方案；

所述将各组油管柱寿命及每级的长度与预先设置的阀值作比较，获得最优的三级油管柱设计方案还包含：将各组油管柱寿命及每级的长度与预先设置的阀值作比较，得到大于预先设置的阀值的对应三级油管柱材料的相关参数，结合所述相关参数与油管柱每级对应的长度计算成本，所述成本最低的为最优的三级油管柱设计方案。

2.一种三级油管柱设计装置，其特征在于，所述装置包含：

获取模块，用于获得多组三级油管柱材料的相关参数；

处理模块，用于将所述多组三级油管柱材料的相关参数代入以下公式获得其对应的各组油管柱寿命及每级的长度；

所述处理模块通过以下公式获得各组油管柱寿命及每级的长度为：

$L_1=\frac{P_1{y}_1-P_2{y}_2}{q_1}\·\frac{L_3{q}_3}{P_3{y}_3};L_2=\frac{P_2{y}_2-P_3{y}_3}{q_2}\·\frac{L_3{q}_3}{P_3{y}_3};$

$L_3=\frac{L}{1+\frac{q_3}{P_3{y}_3}(\frac{P_1{y}_1-P_2{y}_2}{q_1}+\frac{P_2{y}_2-P_3{y}_3}{q_2})};$

$T_{sm}=\frac{1}{2v}(\sqrt{D_{o3}^2-\frac{\mathrm{\α}(D_{o3}^2-D_{i3}^2)\left(L_3{q}_3\right)gcos\mathrm{\θ}}{P_3}}-D_{i3});$

$y_1=\frac{{D_{o1}}^2-{(D_{i1}+2vt)}^2}{{D_{o1}}^2-{D_{i1}}^2};y_2=\frac{{D_{o2}}^2-{(D_{i2}+2vt)}^2}{{D_{o2}}^2-{D_{i2}}^2};y_3=\frac{{D_{o3}}^2-{(D_{i3}+2vt)}^2}{{D_{o3}}^2-{D_{i3}}^2};$

上述公式中：D_o----油管外径；D_i----油管内径；g----重力加速度，；L----油管长度；q----每米油管重量；P----下井初期油管柱抗拉极限载荷；t----时间；T_sm----油管柱寿命；v----腐蚀速率；α----标准规定的油管柱抗拉安全系数；θ----井斜角，即井眼中心线与垂直方向之间的夹角，度；y为简化公式的带入值，无实际物理意义；下标1、2、3分别代表第一级、第二级、第三级油管柱；

设计模块，将各组油管柱寿命及每级的长度与预先设置的阀值作比较，获得最优的三级油管柱设计方案；

所述设计模块将各组油管柱寿命及每级的长度与预先设置的阀值作比较，获得最优的三级油管柱设计方案还包含：将各组油管柱寿命及每级的长度与预先设置的阀值作比较，保存大于预先设置的阀值的对应三级油管柱材料的相关参数，得到大于预先设置的阀值的对应三级油管柱材料的相关参数，结合所述相关参数与油管柱每级对应的长度计算成本，所述成本最低的为最优的三级油管柱设计方案。