CN111506978B - 完井管柱的油管设计方法、装置和存储介质 - Google Patents

完井管柱的油管设计方法、装置和存储介质 Download PDF

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Abstract

本公开公开了一种完井管柱的油管设计方法、装置和存储介质，涉及油气井工程技术领域。该方法通过确定完井管柱在工作阶段的初始工况信息，结合进行增产改造和生产的过程中的油管的管壁内壁温度和管壁外壁温度，以及油管的管壁内部压力和管壁外部压力，确定多个封隔器间密闭环空压力变化值，将该压力变化值引入油管三轴应力设计中，得到在完井管柱的工作阶段中，油管的实际三轴安全系数。通过该三轴安全系数对油管的承压能力进行校核，选用承压能力足够的油管对多封隔器裸眼分段完井管柱进行设计，提高了完井管柱的使用寿命，降低了生产作业成本。

Description

完井管柱的油管设计方法、装置和存储介质
技术领域
本公开涉及油气井工程技术领域，特别涉及一种完井管柱的油管设计方法、装置和存储介质。
背景技术
针对非均质性强、裂缝发育的储层，需要对完井管柱实施增产改造工艺，多封隔器裸眼分段完井管柱对分段压裂或酸化改造具有较好的适应性，多封隔器裸眼分段完井管柱主要包括油管、一个完井封隔器、一个悬挂封隔器和多个裸眼封隔器及配套工具。
相关技术中的完井管柱在设计选用油管时，通过对完井后油管的三轴应力进行计算，并通过该三轴应力得到该油管的三轴安全系数，若该油管的三轴安全系数不小于安全系数阈值，则判断该油管符合选用要求，若该油管的三轴安全系数小于安全系数阈值，则判断该油管不符合选用要求。
完井管柱中的温度变化会导致多封隔器间密闭环空由于热胀冷缩产生压力变化，密闭环空的压力变化会使油管的三轴安全系数发生变化，导致油管在实际工况下的三轴安全系数与基于完井后油管的三轴应力所计算得到的三轴安全系数出现偏差，造成所选用的油管的承压能力降低，导致在完井管柱的增产改造和正常生产阶段中因油管的承压能力不足而损坏，需要频繁进行修井，提高了完井管柱的生产作业成本。
发明内容
本公开实施例提供了一种完井管柱的油管设计方法、装置和存储介质，可以提高完井管柱的使用寿命，降低生产作业成本，所述技术方案如下：
第一方面，本公开实施例提供了一种完井管柱的油管设计方法，包括：
确定完井管柱在工作阶段的初始工况信息，所述工作阶段包括增产改造阶段和生产阶段，所述初始工况信息包括油管流体在进入油管时的油管流体温度；
确定在进行增产改造和生产的过程中，所述完井管柱中的油管的管壁内壁温度和管壁外壁温度，以及所述油管的管壁内部压力和管壁外部压力；
基于所述工作阶段的初始工况信息、所述管壁内壁温度、所述管壁外壁温度、所述管壁内部压力和所述管壁外部压力，确定在所述完井管柱中的任意两个相邻的油管封隔器之间，所述油管所对应的密闭环空的环空压力变化值；
基于所述环空压力变化值确定所述油管的三轴安全系数；
基于所述油管的三轴安全系数对所述完井管柱进行校核。
可选地，所述基于所述环空压力变化值确定所述油管的三轴安全系数，包括：
基于所述油管的外半径和内半径确定所述油管的轴向应力值；
基于所述环空压力变化值确定所述油管的周向应力值和径向应力值；
基于所述周向应力值、所述径向应力值和所述轴向应力值确定所述三轴安全系数。
可选地，所述基于所述环空压力变化值确定所述油管的周向应力值和径向应力值由以下公式确定：
Figure BDA0002368256540000021
Figure BDA0002368256540000022
其中，σ2为油管的周向应力值，σ3为油管的径向应力值，Pin为油管的管壁内部压力，Pou为油管的管壁外部压力，rto为油管的外半径，rti为油管的内半径，PA为环空压力变化值。
可选地，所述基于所述工作阶段的初始工况信息、所述管壁内壁温度、所述管壁外壁温度、所述管壁内部压力和所述管壁外部压力，确定在所述完井管柱中的任意两个相邻的油管封隔器之间，所述油管所对应的密闭环空的环空压力变化值，包括：
基于所述初始工况信息，确定所述密闭环空的环空温度变化值；
基于所述管壁内壁温度和所述管壁外壁温度，以及所述管壁内部压力和所述管壁外部压力确定所述密闭环空的环空体积变化值；
基于所述环空温度变化值和所述环空体积变化值，确定所述密闭环空的环空压力变化值。
可选地，所述基于所述初始工况信息，确定所述密闭环空的环空温度变化值，包括：
基于完井管柱传热机理，结合动量守恒和能量守恒定理，建立完井管柱多环空瞬态温度场求解矩阵；
将所述工作阶段的油管流体温度带入所述完井管柱多环空瞬态温度场求解矩阵中，确定所述环空温度变化值。
可选地，所述基于所述管壁内壁温度和所述管壁外壁温度，以及所述管壁内部压力和所述管壁外部压力确定所述密闭环空的环空体积变化值，包括：
基于所述管壁内部温度和所述管壁外部温度，确定所述油管的半径的第一变化量；
基于所述管壁内部压力和所述管壁外部压力，确定所述油管的半径的第二变化量；
基于所述第一变化量和所述第二变化量确定所述环空体积变化值。
可选地，所述基于所述油管的三轴安全系数对所述完井管柱进行校核，包括：
若所述油管的三轴安全系数不小于安全系数阈值，则确定所述油管的选用符合要求；或者，
若所述油管的三轴安全系数小于所述安全系数阈值，则确定所述油管的选用不符合要求。
第二方面，本公开提供了一种完井管柱的油管设计装置，包括：
第一获取模块，用于确定完井管柱在工作阶段的初始工况信息，所述工作阶段包括增产改造阶段和生产阶段，所述初始工况信息包括油管流体在进入油管时的油管流体温度；
第二获取模块，用于确定在进行增产改造和生产的过程中，所述完井管柱中的油管的管壁内壁温度和管壁外壁温度，以及所述油管的管壁内部压力和管壁外部压力；
第一确定模块，用于基于所述工作阶段的初始工况信息、所述管壁内壁温度和所述管壁外壁温度以及所述管壁内部压力和所述管壁外部压力，确定在所述完井管柱中的任意两个相邻的油管封隔器之间，所述油管所对应的密闭环空的环空压力变化值；
第二确定模块，用于基于所述环空压力变化值确定所述油管的三轴安全系数；
校核模块，用于基于所述油管的三轴安全系数对所述完井管柱进行校核。
第三方面，本公开提供了一种完井管柱的油管设计装置，所述装置包括：处理器；被配置为存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为执行前述方法。
第四方面，本公开实施例提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现前述方法。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过确定完井管柱在工作阶段的初始工况信息，结合进行增产改造和生产的过程中的油管的管壁内壁温度和管壁外壁温度，以及油管的管壁内部压力和管壁外部压力，确定多个封隔器间密闭环空压力变化值，将该压力变化值引入油管三轴应力设计中，得到在完井管柱的工作阶段中，油管的实际三轴安全系数。通过该三轴安全系数对油管的承压能力进行校核，选用承压能力足够的油管对多封隔器裸眼分段完井管柱进行设计，提高了完井管柱的使用寿命，降低了生产作业成本。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例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公开的一些实施例，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是本公开实施例提供的一种完井管柱的油管设计方法的流程图；
图2是本公开实施例提供的另一种完井管柱的油管设计方法的流程图；
图3是本公开实施例提供的一种完井管柱结构示意图；
图4是本公开实施例提供的一种完井管柱的井身参数表；
图5是本公开实施例提供的一种完井管柱的油管参数表；
图6是本公开实施例提供的一种环空单元网格划分图；
图7是本公开实施例提供的一种增产改造阶段和生产阶段中的环空温度分布图；
图8是本公开实施例提供的一种增产改造阶段中环空压力变化示意图；
图9是本公开实施例提供的一种生产阶段中的环空压力变化示意图；
图10是本公开实施例提供的一种增产改造和生产阶段中完井管柱三轴应力安全系数最小值的对应关系表；
图11是本公开实施例提供的一种完井管柱设计装置的结构示意图；
图12是本公开实施例提供的一种完井管柱设计装置的框图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
图1是本公开实施例提供的一种完井管柱的油管设计方法的流程图。如图1所示，完井管柱的油管设计方法包括：
步骤S11，确定完井管柱在工作阶段的初始工况信息，工作阶段包括增产改造阶段和生产阶段，初始工况信息包括油管流体在进入油管时的油管流体温度；
步骤S12，确定在增产改造阶段和生产阶段，完井管柱中的油管的管壁内壁温度和管壁外壁温度，以及油管的管壁内部压力和管壁外部压力；
步骤S13，基于工作阶段的初始工况信息、管壁内壁温度、管壁外壁温度、管壁内部压力和管壁外部压力，确定在完井管柱中的任意两个相邻的油管封隔器之间，油管所对应的密闭环空的环空压力变化值；
步骤S14，基于环空压力变化值确定油管的三轴安全系数；
步骤S15，基于油管的三轴安全系数对完井管柱进行校核。
本公开实施例提供的完井管柱的油管设计方法，通过确定完井管柱在工作阶段的初始工况信息，结合进行增产改造和生产的过程中完井管柱中的油管的管壁内壁温度和管壁外壁温度，以及油管的管壁内部压力和管壁外部压力，确定多个封隔器间密闭环空压力变化值，将该压力变化值引入油管三轴应力设计中，得到在完井管柱的工作阶段中，油管的实际三轴安全系数。通过该三轴安全系数对油管的承压能力进行校核，选用承压能力足够的油管对多封隔器裸眼分段完井管柱进行设计，提高了完井管柱的使用寿命，降低了生产作业成本。
图2是本公开实施例提供的另一种完井管柱的油管设计方法的流程图。如图2所示，该方法包括：
步骤S21，确定完井管柱在工作阶段的初始工况信息，工作阶段包括增产改造和生产阶段，初始工况信息包括油管流体在进入油管时的油管流体温度。
其中，气井或油井在增产改造过程中，油管流体为酸液，酸液从井口流向井底，相应的，油管流体在进入油管时的油管流体温度为井口的油管流体温度，也即是酸液配制完成的温度；在气井的生产阶段中，油管流体为天然气，地层天然气从井底流向井口，则油管流体在进入油管时的油管流体温度可以等于地层温度。在油井的生产阶段中，油管流体为石油，石油从井底流向井口，则油管流体在进入油管时的油管流体温度可以等于地层温度。
在本公开实施例中，酸液配置完成的温度可以测量得到，地层温度可以通过该气井的在钻井过程中记录的钻井测井资料中直接得到。
步骤S22，确定在增产改造阶段和生产阶段，完井管柱中的油管的管壁内壁温度和管壁外壁温度，以及管壁内部压力和管壁外部压力。
在同一采油区域，通常会布置有多口气井或者油井进行开采，所以可以以同一采油区域内的已经经过增产改造并投入生产的气井或者油井作为参考井。在本公开实施例中，进行增产改造和生产的过程中的完井管柱中的油管的管壁内壁温度和管壁外壁温度，以及管壁内部压力和管壁外部压力可以根据参考井在增产改造和生产过程中的测井数据得到。测井数据包括完井管柱中，油管和套管之间的每一层环空的管壁内壁温度和管壁外壁温度，以及管壁内部压力和管壁外部压力。
图3是本公开实施例提供的一种完井管柱结构示意图。如图3所示，该完井管柱为多封隔器裸眼分段完井管柱。即由井口到井底的完井管柱中，油管m和套管n之间的环空依次被完井封隔器a、悬挂封隔器b和多个裸眼封隔器c坐封，完井管柱被分为多个井段，每个井段对应一层环空。由井口到完井封隔器a、完井封隔器a到悬挂封隔器b、悬挂封隔器b到第一个裸眼封隔器c之间均具有相互密闭的密闭环空，密闭环空即任意两个相邻的油管封隔器、油管m及套管n之间限定出的环形密闭空间。
图3所示的完井管柱包括三层环空，相应的测井数据包括三组温度压力数据，每组温度和压力数据对应一层环空，每组温度和压力数据包括管壁内壁温度和管壁外壁温度，以及管壁内部压力和管壁外部压力。
示例性地，在本公开实施例中，该气井完钻井深5940米，垂深5200米，最大井斜68°，地层温度为152℃，地层压力为75MPa，压力系数为1.116，H2S含量22g/m3，管柱导热系数50J/(s·m·℃)，环空流体热膨胀系数为0.0004℃-1，流体等温压缩系数为0.00035MPa-1，管柱热膨胀系数为13×10-6℃-1，管柱弹性模量为230GPa，气体比热为3800J/(kg·℃)。改造工况参数为：泵压95MPa，酸液排量8m3/min，施加套压为40MPa。生产工况参数为：天然气的生产产量为80×104m3/d。
步骤S23，基于初始工况信息，确定密闭环空的环空温度变化值。
该步骤S23可以包括：
S231，基于完井管柱传热机理，结合动量守恒和能量守恒定理，建立完井管柱多环空瞬态温度场求解矩阵。
在S231中，在完井管柱中，密闭环空中的环空流体的热量增量等于油管流体通过油管的管壁传递到环空中的热量减去环空流入地层中的热量，基于该原理建立单层密闭环空传热控制方程：
Figure BDA0002368256540000071
在公式(1)中，m为单位长度中的环空流体质量，单位为kg/m，可以通过环空流体的密度乘以单位长度内的环空流体体积计算得到，其中环空流体的密度可以通过测井资料得到；cp为密闭环空中流体的比热容，单位为J/(kg·℃)；T1为完井管柱中第一层密闭环空的温度，单位为℃；r1o为完井管柱中第一层密闭环空的外半径，单位为m；rco为油管的外半径，单位为m；Tf为油管流体在进入油管时的油管流体温度，单位为℃；Usig为单层密闭环空的总传热系数，单位为J/(s·m2·℃)；Tei为原始地层温度，单位为℃；ke为地层岩石导热系数，单位为J/(s·m·℃)，以上数据均可以通过测井资料查询得到。t为气井生产时间，单位为s，可以通过实际的生产时间进行统计，TD为无因次生产时间，无量纲。
需要说明的是，在本公开实施例中，第一层密闭环空即由井口到完井封隔器a之间的环空。可替代地，该公式(1)也可以用于计算完井管柱中其他层密闭环空的环空温度，如第二层密闭环空，即完井封隔器a到悬挂封隔器b之间的环空；或者第三层密闭环空，即悬挂封隔器b到第一个裸眼封隔器c之间的环空。这里仅以第一层密闭环空进行示例性说明。
图4是本公开实施例提供的一种完井管柱的井身参数表。如图5是本公开实施例提供的一种完井管柱的油管参数表。图4中给出了本公开实施例中第一层、第二层和第三层密闭环空的钻头、套管尺寸与完井管柱深度的对应关系，而图5则给出本公开实施例中油管的各项参数信息。通过将每一层密闭环空中的套管的尺寸信息与油管的尺寸信息相结合，可以得到每一层密闭环空的尺寸信息。例如，第一层密闭环空的外半径r1o即井口到完井封隔器a之间的套管的半径，即169.85mm，而油管的外半径rco为44.45mm。
公式(1)为一阶线性微分方程，通过引入中间变量R对其求解，得到单层密闭环空温度计算公式(2)：
Figure BDA0002368256540000081
在公式(2)中，T1为单层密闭环空温度，rto为油管的外半径，单位为m；rti为油管的内半径，单位为m；T10为增产改造阶段或生产阶段之前的环空流体温度，单位为℃，Usig为单层密闭环空的总传热系数，Tei为原始地层温度，单位为℃，cp为环空流体的比热容，单位为J/(kg·℃)，Tf为初始工况下油管流体的温度，以上数据均可以通过测井资料查询得到。m为单位长度中的环空流体质量，单位为kg/m，获取方式可以参见公式(1)。
而中间变量R为单层密闭环空的松弛系数，单位为m-1。而该中间变量R可以由公式(3)表示：
Figure BDA0002368256540000082
在公式(3)中，ke为地层岩石导热系数，Usig为单层密闭环空的总传热系数，r1o为完井管柱中第一层密闭环空的外半径，TD为无因次生产时间，无量纲。
需要说明的是，在增产改造或生产阶段中，考虑到完井管柱的瞬态传热模式，完井管柱内流体在轴向上的传热相对于径向传热可以忽略不计，因此，可以忽略完井管柱的轴向传热过程。建立完井管柱的流体温度与时间和完井管柱内径向距离关系的二阶微分方程(4)：
Figure BDA0002368256540000083
在公式(4)中，α为流体热扩散系数，单位为s/m2，可由测井资料查询得到；r为求解点与气井完井管柱中心轴线的距离，单位为m，该数据在计算的过程中可以基于计算机程序模拟而得到。
对该公式(4)进行求解得到：
Figure BDA0002368256540000091
Figure BDA0002368256540000092
在公式(5)中，CT为油管的储热系数，无因次；CJ为焦耳汤姆逊系数，单位为(m·℃·s2)/kg；gG为地温梯度，单位为℃/m；θ为井斜角，单位为°；ν为流体流动速度，单位为m/s；w为单位时间流体质量变化，单位为kg/s；p为油管压力，单位为MPa；Umul为多层密闭环空总传热系数，单位为J/(s·m2·℃)；z为气井的井深，单位为m，以上数据均可以通过测井资料查询得到。
图6是本公开实施例提供的一种环空单元网格划分图。如图6所示，完井管柱中的密闭环空围绕中心轴线分布。因此，以完井管柱的中间轴线为中心，从内到外划分体积单位网格，每个体积单位网格代表一个密闭环空，以计算在开采过程中各个密闭环空内流体的热量和质量的流动情况，沿径向划分圆柱形体积单位网格来表示热量从油管内流体传导到环空内流体的情况。
结合傅里叶定律计算每一个体积单位网格的传热情况，得到完井管柱多环空温度求解控制方程(6)：
Figure BDA0002368256540000093
在公式(6)中，hc为环空流体对流传热系数，单位为J/(s·m2·℃)；kj、kj-1分别为第j、j-1个体积单元网格中流体的导热系数，单位为J/(s·m·℃)；ρ为环空流体密度，单位为g/cm3；Δrj为第j个体积单元网格的外半径与第j-1个环空的外半径的差值，单位为m；Tj-1、Tj、Tj+1分别为第j-1、j、j+1个体积单元网格的温度，单位为℃；n为迭代计算的次数，无因次。
令：
Figure BDA0002368256540000101
将公式组(7)带入公式(6)中，公式(6)可表示为公式(8)：
Figure BDA0002368256540000102
将公式(8)转换为矩阵形式进行求解，即可得到完井管柱多环空瞬态温度场求解矩阵(9)：
Figure BDA0002368256540000103
S232，将增产改造阶段的油管流体温度和生产阶段中的油管流体温度作为初始值带入完井管柱多环空瞬态温度场求解矩阵中，采用迭代计算的方式得到多层密闭环空的环空温度变化情况，得到环空温度变化值。
示例性地，对于图2所示的完井管柱的结构及参数，采用步骤S23计算可以得到增产改造阶段和生产阶段中的环空温度分布图。
图7是本公开实施例提供的一种增产改造阶段和生产阶段中的环空温度分布图。如图7所示，增产改造过程中，环空最大温差92℃，即图7中点a到点a1之间的温差；生产阶段中，环空最大温差为85℃，即图7中点b到点b1之间的温差。在本公开实施例中，将由图7所得到的增产改造和生产阶段中的环空最大温差作为环空温度变化值代入后续步骤进行计算。
步骤S24，基于环空温度变化值以及管壁内部压力和管壁外部压力确定密闭环空的环空体积变化值。
该步骤S24可以包括：
S241，基于管壁内壁温度和管壁外壁温度，确定油管的半径的第一变化量。由于在增产改造阶段和生产阶段中，完井管柱中的密闭环空中的环空温度发生了变化，位于密闭环空中的流体的温度也会发生相应的变化。在增产改造阶段，酸液从井口大排量流向井底，油管管壁内壁温度随之降低，而管壁外部流体，即环空流体的温度较高，管壁外部流体的热量通过油管管壁传导到油管壁内部，油管管壁外壁的温度也随之降低。而在生产阶段中，井底的高温气体由井底流向井口，油管管壁内壁温度随之升高，而管壁外部流体，即环空流体的温度较低，管壁内部流体的热量通过油管管壁传导到油管壁外部，油管管壁外壁的温度也随之升高。
在进行增产改造和生产的过程中，油管管柱基于内壁与外壁的温度变化产生形变，导致油管的半径发生变化。在本公开实施例中，油管管柱因内壁与外壁的温度变化所导致的油管半径变化量为第一变化量。
该第一变化量可以由下列公式(10)得到：
Figure BDA0002368256540000111
在公式(10)中，Δrt为第一变化量，αt为油管的热膨胀系数，单位为℃-1；γt为油管的泊松比，无因次；Tci为油管内壁温度，单位为℃；Tco为油管的外壁温度，单位为℃；rco为油管的外半径，rci为油管的内半径，单位均为m，以上数据均可以通过油管的生产资料查询得到。
S242，基于油管的管壁内部压力和管壁外部压力，确定油管的半径的第二变化量。
由于在增产改造阶段和生产阶段中，完井管柱中的密闭环空中的环空温度发生了变化，位于密闭环空中的流体的体积也会发生相应的变化，相应的，密闭环空中流体作用在油管管壁外壁上的压力也会发生变化。密闭环空中流体为气体，在增产改造阶段，油管管壁外壁的温度降低，密闭环空中流体的体积减小，管壁外部压力降低。而在生产阶段中，油管管壁外壁的温度升高，密闭环空中流体的体积增大，管壁外部压力增大。
在本公开实施例中，油管因管壁内部压力和外部压力变化所导致的油管半径变化量为第二变化量。
该第二变化量Δrp可以由下列公式(11)得到：
Figure BDA0002368256540000112
在公式(11)中，Δrp为第二变化量，Pin为油管的管壁内部压力，单位为MPa；Pou为油管的管壁外部压力，单位为MPa；rco为油管的外半径，rci为油管的内半径，单位均为m；γt为油管的泊松比，无因次；Et为油管的弹性模量，单位为MPa，该油管的弹性模量可以通过油管的生产资料查询得到。
S243，基于第一变化量和第二变化量确定环空体积变化值。
结合第一变化量Δrt和第二变化量Δrp得到环空体积变化值ΔVA的计算公式(12)：
Figure BDA0002368256540000121
在公式(12)中，ΔVA为环空体积变化值，rao为密闭环空的外半径，单位为m；rai为密闭环空的内半径，单位为m；VA为密闭环空的原始体积，单位为m3；zao为密闭环空上部封隔器坐封深度，单位为m；zai为密闭环空下部封隔器坐封深度，单位为m，以上数据可以通过测井资料查询得到。
Δrto为温度效应造成的环空外半径变化量，单位为m；Δrpo为压力效应造成的密闭环空外半径变化量，单位为m，以上数据可以根据公式(10)计算得到。Δrti为温度效应造成的密闭环空内半径变化量，单位为m；Δrpi为压力效应造成的密闭环空内半径变化量，单位为m，以上数据可以根据公式(11)计算得到。
步骤S15，基于环空温度变化值和环空体积变化值，确定密闭环空的环空压力变化值。
该步骤S25可以包括：
S251，基于环空温度变化值和环空体积变化值建立压力变化计算模型。结合步骤S23中得到的环空温度变化值ΔTA和步骤S24中得到的环空体积变化值ΔVA，建立多封隔器密闭环空在增产改造阶段和生产阶段中的热胀冷缩所造成的环空压力变化计算模型(13)：
Figure BDA0002368256540000122
在公式(13)中，：PA为环空压力变化值，αl为环空流体热膨胀系数，单位为℃-1；kl为环空流体等温压缩系数，单位为MPa-1以上数据可以根据测井资料查询得到；ΔTA为环空温度变化值，由步骤S23确定。
S252，将环空温度变化值ΔTA和环空体积变化值ΔVA代入压力变化计算模型，即公式(13)中，得到环空压力变化值PA。
图8是本公开实施例提供的一种增产改造阶段中环空压力变化示意图。如图8所示，以8m3/min的酸液排量进行增产改造时，不考虑完井管柱温度压力变化产生的密闭环空压力变化时，封隔器间密闭环空压力为坐封前的压力，此时密闭环空顶部压力，即密闭环空中靠近井口的封隔器所受到的压力为45MPa，密闭环空的底部压力，即密闭环空中靠近井口的封隔器所受到的压力为46.6MPa，即图8中点a和b对应的密闭环空压力；考虑改造过程中完井管柱压力温度变化产生的密闭环空压力变化后，封隔器间环空压力会降低，此时环空顶部压力为0MPa，底部压力为4MPa，即图8中点a1和b1对应的密闭环空压力。
图9是本公开实施例提供的一种生产阶段中的环空压力变化示意图。如图9所示，以80×104m3/d的产量进行生产之时，考虑完井管柱温度压力变化产生的密闭环空压力变化时，封隔器间密闭环空压力增加了9MPa，即图9中点a1和点a、点b1和点b之间的压力之差。
示例性地，在本公开实施例中，经过步骤S25的计算，在增产改造阶段，第一层密闭环空的环空压力变化值为-40MPa、第二层密闭环空的环空压力变化值为-87.6MPa、第三层密闭环空中的环空压力变化值为-87.9MPa。在生产阶段中，第一层密闭环空的环空压力变化值为-57.3MPa、第二层密闭环空的环空压力变化值为8.9MPa、第三层密闭环空中的环空压力变化值为5.3MPa。
通过上述步骤S23至步骤S25，即可实现基于工作阶段的初始工况信息、管壁内壁温度、管壁外壁温度、管壁内部压力和管壁外部压力，确定在完井管柱中的任意两个相邻的油管封隔器之间，油管所对应的密闭环空的环空压力变化值。
步骤S26，基于环空压力变化值确定油管的三轴安全系数。
油管的三轴安全系数计算公式(14)为：
Figure BDA0002368256540000131
在公式(14)中，St为油管的三轴安全系数，σt为油管的屈服强度，单位为MPa，该数据可由油管的生产资料查询得到。σe为油管的三轴应力。
而油管的三轴应力可以采用公式(15)计算：
Figure BDA0002368256540000132
在公式(15)中，σe为油管的三轴应力，σ1为油管的轴向应力，单位为MPa；σ2为油管的周向应力，单位为MPa；σ3为油管的径向应力，单位为MPa；
该步骤S26可以包括：
S261，基于油管的外半径和内半径确定油管的轴向应力值。
油管的轴向应力值计算公式(16)为：
Figure BDA0002368256540000141
在公式(16)中，rto为油管的外半径，rti为油管的内半径，Fc为油管的轴向力，以上数据可以根据测井数据查询得到。
S262，基于环空压力变化值确定油管的周向应力值和径向应力值。
油管的周向应力值计算公式(17)为：
Figure BDA0002368256540000142
油管的径向应力值计算公式(18)为：
Figure BDA0002368256540000143
在公式(17)和公式(18)中，PA为环空压力变化值，可以由公式(13)得到，Pin为油管的管壁内部压力，单位为MPa；Pou为油管的管壁外部压力，单位为MPa；rco为油管的外半径，rci为油管的内半径，单位均为m，由公式(11)可知，r为求解点与气井完井管柱中心轴线的距离，单位为m，由公式(4)可知。
S263，基于周向应力值、径向应力值和轴向应力值确定三轴安全系数。
即，将S161中计算得到的油管的轴向应力值σ1，以及由S162中计算得到的油管的周向应力值σ2、油管的径向应力值σ3代入油管的三轴应力计算公式，即公式(15)中，确定油管的三轴应力值σe，再将该三轴应力值代入油管的三轴安全系数计算公式，即公式(14)中，得到油管的三轴安全系数St。
需要说明的是，上述公式(1)至公式(18)所涉及的数学模型建立和计算过程均通过计算机程序进行。
步骤S27，基于油管的三轴安全系数对完井管柱进行校核。
该步骤S27可以包括：
S271，确定油管的三轴安全系数的安全系数阈值。油管的三轴安全系数的安全系数阈值为在气井的增产改造阶段和生产阶段中，能够承受完井管柱中多封隔器间密闭环空由于热胀冷缩产生压力变化的油管的三轴安全系数值。该安全系数阈值可以由参考井中所使用的油管的三轴安全系数确定。
S272，将步骤S26中所计算得到的油管的三轴安全系数St，与安全系数阈值进行比较，判断所选用的油管是否符合增产改造阶段和生产阶段的强度要求。
若油管的三轴安全系数St不小于安全系数阈值，则确定油管的选用符合要求；或者，
若油管的三轴安全系数St小于安全系数阈值，则确定油管的选用不符合要求，提高油管的钢级重新进行校核，直至符合要求。
图10是本公开实施例提供的一种增产改造和生产阶段中完井管柱三轴应力安全系数最小值的对应关系表。如图10所示，示例性地，在本公开实施例中，油管的三轴安全系数阈值为1.5。根据步骤S252中所计算得到的增产改造和生产阶段中的环空压力变化值PA并通过步骤S26计算出增产改造和生产阶段中，第一层、第二层和第三层密闭环空中油管的实际三轴安全系数。通过分别与安全系数阈值进行对比，在考虑密闭环空压力变化效应之后，油管实际的三轴安全系数都会降低，增产改造和生产阶段中，在完井封隔器a以下的油管的实际三轴安全系数均小于安全系数阈值，无法满足强度要求。
示例性地，在本公开实施例中，若经过步骤S27的校核后，油管的选用不符合要求，即三轴安全系数St小于安全系数阈值，则采用更高钢级的管材制成的油管采用相同的完井管柱的油管设计方法进行校核，直到油管的三轴安全系数St不小于安全系数阈值为止。
图11是本公开实施例提供的一种完井管柱设计装置的结构示意图，该装置具有实现上述方法示例的功能，功能可以由硬件实现，也可以由硬件执行相应的软件实现。参见图11，完井管柱设计装置包括：第一获取模块101、第二获取模块102、第一确定模块103、第二确定模块104和校核模块105。
第一获取模块101用于确定完井管柱在工作阶段的初始工况信息，所述工作阶段包括增产改造阶段和生产阶段，所述初始工况信息包括油管流体在进入油管时的油管流体温度。第二获取模块102，用于确定在进行增产改造和生产的过程中，所述完井管柱中的油管的管壁内壁温度和管壁外壁温度，以及所述油管的管壁内部压力和管壁外部压力。第一确定模块103，用于基于所述工作阶段的初始工况信息、所述管壁内壁温度和所述管壁外壁温度以及所述管壁内部压力和所述管壁外部压力，确定在所述完井管柱中的任意两个相邻的油管封隔器之间，所述油管所对应的密闭环空的环空压力变化值。第二确定模块104，用于基于环空压力变化值确定油管的三轴安全系数；校核模块105，用于基于油管的三轴安全系数对完井管柱进行校核。
可选地，第二确定模块104，包括：第一应力确定子模块1041，用于基于所述油管的外半径和内半径确定所述油管的轴向应力值；第二应力确定子模块1042，基于所述环空压力变化值确定所述油管的周向应力值和径向应力值；安全系数确定子模块1043，基于所述周向应力值、所述径向应力值和所述轴向应力值确定所述三轴安全系数。
可选地，第二应力确定子模块1042用于根据前述公式(17)和公式(18)确定油管的周向应力值和径向应力值。
可选地，第一确定模块103包括：
温度变化确定子模块1031，用于基于所述初始工况信息，确定所述密闭环空的环空温度变化值；
体积变化确定子模块1032，用于基于所述管壁内壁温度和所述管壁外壁温度，以及所述管壁内部压力和所述管壁外部压力确定所述密闭环空的环空体积变化值；
压力变化确定子模块1033，用于基于所述环空温度变化值和所述环空体积变化值，确定所述密闭环空的环空压力变化值。
可选地，所述温度变化确定子模块1031用于基于完井管柱传热机理，结合动量守恒和能量守恒定理，建立完井管柱多环空瞬态温度场求解矩阵；将所述工作阶段的油管流体温度带入所述完井管柱多环空瞬态温度场求解矩阵中，确定所述环空温度变化值。
可选地，体积变化确定子模块1032，用于基于所述管壁内部温度和所述管壁外部温度，确定所述油管的半径的第一变化量；基于所述管壁内部压力和所述管壁外部压力，确定所述油管的半径的第二变化量；基于所述第一变化量和所述第二变化量确定所述环空体积变化值。
可选地，校核模块105用于若所述油管的三轴安全系数不小于安全系数阈值，则确定所述油管的选用符合要求；或者，若所述油管的三轴安全系数小于所述安全系数阈值，则确定所述油管的选用不符合要求。
图12是本公开实施例提供的一种完井管柱设计装置的框图，该装置1100可以为计算机设备。参照图12，装置1100可以包括以下一个或多个组件：处理器1101、存储器1102、通信接口1103和总线1104。
处理器1101包括一个或者一个以上处理核心，处理器1101通过运行软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及信息处理。存储器1102和通信接口1103通过总线1104与处理器1101相连。存储器1102可用于存储至少一个指令，处理器1101用于执行该至少一个指令，以实现上述方法实施例中的各个步骤。
此外，存储器1102可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，易失性或非易失性存储设备包括但不限于：磁盘或光盘，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，静态随时存取存储器(SRAM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，可编程只读存储器(PROM)。
在示例性实施例中，还提供了一种包括指令的非临时性计算机可读存储介质，例如包括指令的存储器，上述指令可由处理器执行完井管柱的油管设计方法。例如，非临时性计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。
以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种完井管柱的油管设计方法，其特征在于，所述方法包括：
确定完井管柱在工作阶段的初始工况信息，所述工作阶段包括增产改造阶段和生产阶段，所述初始工况信息包括油管流体在进入油管时的油管流体温度；
确定在增产改造阶段和生产阶段，所述完井管柱中的油管的管壁内壁温度和管壁外壁温度，以及所述油管的管壁内部压力和管壁外部压力；
基于所述工作阶段的初始工况信息、所述管壁内壁温度、所述管壁外壁温度、所述管壁内部压力和所述管壁外部压力，确定在所述完井管柱中的任意两个相邻的油管封隔器之间，所述油管所对应的密闭环空的环空压力变化值；
基于所述油管的外半径和内半径确定所述油管的轴向应力值；
基于所述环空压力变化值确定所述油管的周向应力值和径向应力值；
基于所述周向应力值、所述径向应力值和所述轴向应力值确定三轴安全系数；
基于所述油管的三轴安全系数对所述完井管柱进行校核；
其中，所述基于所述环空压力变化值确定所述油管的周向应力值和径向应力值由以下公式确定：
Figure FDA0003765926670000011
Figure FDA0003765926670000012
其中，σ2为油管的周向应力值，σ3为油管的径向应力值，Pin为油管的管壁内部压力，Pou为油管的管壁外部压力，rto为油管的外半径，rti为油管的内半径，PA为环空压力变化值。
2.根据权利要求1所述的完井管柱的油管设计方法，其特征在于，所述基于所述工作阶段的初始工况信息、所述管壁内壁温度、所述管壁外壁温度、所述管壁内部压力和所述管壁外部压力，确定在所述完井管柱中的任意两个相邻的油管封隔器之间，所述油管所对应的密闭环空的环空压力变化值，包括：
基于所述初始工况信息，确定所述密闭环空的环空温度变化值；
基于所述管壁内壁温度和所述管壁外壁温度，以及所述管壁内部压力和所述管壁外部压力确定所述密闭环空的环空体积变化值；
基于所述环空温度变化值和所述环空体积变化值，确定所述密闭环空的环空压力变化值。
3.根据权利要求2述的完井管柱的油管设计方法，其特征在于，所述基于所述初始工况信息，确定所述密闭环空的环空温度变化值，包括：
基于完井管柱传热机理，结合动量守恒和能量守恒定理，建立完井管柱多环空瞬态温度场求解矩阵；
将所述工作阶段的油管流体温度带入所述完井管柱多环空瞬态温度场求解矩阵中，确定所述环空温度变化值。
4.根据权利要求2所述的完井管柱的油管设计方法，其特征在于，所述基于所述管壁内壁温度和所述管壁外壁温度，以及所述管壁内部压力和所述管壁外部压力确定所述密闭环空的环空体积变化值，包括：
基于所述管壁内部温度和所述管壁外部温度，确定所述油管的半径的第一变化量；
基于所述管壁内部压力和所述管壁外部压力，确定所述油管的半径的第二变化量；
基于所述第一变化量和所述第二变化量确定所述环空体积变化值。
5.根据权利要求1所述的完井管柱的油管设计方法，其特征在于，所述基于所述油管的三轴安全系数对所述完井管柱进行校核，包括：
若所述油管的三轴安全系数不小于安全系数阈值，则确定所述油管的选用符合要求；或者，
若所述油管的三轴安全系数小于所述安全系数阈值，则确定所述油管的选用不符合要求。
6.一种完井管柱设计装置，其特征在于，所述装置包括：
第一获取模块，用于确定完井管柱在工作阶段的初始工况信息，所述工作阶段包括增产改造阶段和生产阶段，所述初始工况信息包括油管流体在进入油管时的油管流体温度；
第二获取模块，用于确定在进行增产改造和生产的过程中，所述完井管柱中的油管的管壁内壁温度和管壁外壁温度，以及所述油管的管壁内部压力和管壁外部压力；
第一确定模块，用于基于所述工作阶段的初始工况信息、所述管壁内壁温度和所述管壁外壁温度以及所述管壁内部压力和所述管壁外部压力，确定在所述完井管柱中的任意两个相邻的油管封隔器之间，所述油管所对应的密闭环空的环空压力变化值；
第二确定模块，用于基于所述环空压力变化值确定所述油管的三轴安全系数；
校核模块，用于基于所述油管的三轴安全系数对所述完井管柱进行校核。
7.一种完井管柱设计装置，其特征在于，所述装置包括：处理器；被配置为存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为执行权利要求1至5任一项所述的方法。
8.一种计算机存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1至5任一项所述的方法。
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