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[摘 要]随着油田开发的不断深入，开采层位的不断增多，层间物性差异大，层间干扰严重，为了有效降低钻采、开发成本，积极推广分层采油工艺，并对其管柱结构进行优化，已成为当前油田开发的重要工作内容。对此，文章主要对分层采油工艺进行了分析，并对其结构优化措施进行了探讨。
[關键词]分层采油；管柱结构；优化措施
中图分类号：TU802 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）42-0042-01
1 分层采油管柱有限元分析方法
在分层采油管柱结构优化过程中，我们需要了解其优化的方向——有限元分析法。由于分层采油管柱的长径比很大，若对其进行实体建模则需要划分极为精密的网格，成本费用较高，因此，文章采用梁结构处理方法，将分层采油工艺管柱处理为梁结构进行分析。常规分层采油管柱图如图1所示：
首先，在油管的建模中，应该将四种部件分别建立模型，然后将四种结构按照顺序组合成完整的油管结构，其中封隔器、连通器等定义为油管结构，在边界条件定义时进行处理；套管部分可以直接建立出相应长度的模型。分析的具体过程共分为以下七步：建立模型，使用有限元分析法模拟并显示管柱结构的截面形状；材料属性定义，将定义了材料属性的各个部件在装配体模块中进行装配；分析定义，在此模块中需要对分析时长以及增量大小、类型、求解器设置以及输出变量进行设置；载荷与边界条件设置，按照实际工况对载荷与边界条件进行定义，其中套管整体约束所有自由度，油管下顶点约束全部自由度。
其次，管-管接触定义是本次有限元分析的核心之一，主要分以下四步进行：定义tube-tube接触单元，二维梁、管、桁架等使用接触单元类型为ITT21，三维梁、管、桁架等使用接触单元为ITT31。
最后，定义完成后，将此修改过的输入文件导入ABAQUS中进行线性摄动分析，即可得到在给定工况下油管的屈曲模态，这一结果将作为后续分析的初始边界。
2 分层采油管柱优化设计方法
分层采油管柱力学分析的作用主要有两个，一是在设计阶段对设计方案进行力学分析，依据分析结果优化管柱结构；二是对已有管柱进行校核。
2.1 井下工艺管柱的优化设计
管柱的优化设计有两种方法，一是依据优化设计理论，依据实际需求，确定优化目标，建立优化的数学模型，采用数值方法进行优化；二是采用管柱力学分析软件或有限单元法，在管柱设计过程中对设计方案进行力学分析，并根据分析结果以优质安全为目标，结合现场经验进行人工优化。
第一，预赋参数，是设计时按具体要求事先给定的，在优化设计过程中始终保持不变的参数。
第二，荷载条件，是设计时考虑的荷载因素；设计变量，是指在优化过程中由最优设计方法来自动决定的基本参数，它们对设计方案的优劣有重要影响，优化的目的就是要寻找这些变量的最优组合。
第三，状态变量，描述结构受力状态的量，通常是设计变量的函数，在实际的工程结构优化设计当中一般常取应力与位移作为状态变量。
第四，约束条件，是指对优化问题施加的种种限制，每个可行设计方案均应满足这些要求，约束条件可能是等式方程（设有个），记为： ；也可以是不等式方程，记为：或，。
第五，目标函数，是用于衡量设计方案最优性的标准，亦称评价函数，它是设计变量的函数，常记为，它表征了设计性能要求与涉及参数之间的关系。
2.2 分层采油工艺管柱结构优化验证
在理想状态下，分层采油管柱在支井底自由状态下，靠近井底部位的管柱将产生螺旋弯曲，封隔器下移；坐封打压时随着管内压力的上升，螺旋弯曲加剧，封隔器继续下移；在丢手状态下，封隔器会上移一小段距离，但由于封隔器的摩擦力的影响，管柱还是处于屈曲状态。为了使分层采油封隔器封隔目的层更加准确，可以在适当位置加长油管的长度。下面我们以3种类型的管柱结构为例进行分析。
第一，1#井分层采油管柱结构。1#井丢手设计深度为901.52m，封隔器与丢手之间短接相连，接箍设计深度在902.92m。在管柱自由支井底的状态下实际测井，测出接箍深度为903.01m，下移了0.09m。经过软件计算，算得结果为0.076m；而采用有限元法计算结果为0.072m。
第二，2#井分层采油管柱结构优化。2#井分4层采油，采用如下表所示管柱结构。其丢手接头深度为948.34m。封隔器与丢手之间短接相连，接箍设计深度在956.16m，管柱结构如表1所示。
在管柱自由支井底的状态下实际测井，测出接箍深度为956.26m下移了0.10m。经过软件计算，算得结果为0.093m；而采用有限元法计算结果为0.087m。
第三，3#井分层采油结构。3#井可以划分为5个采油层，丢手接头深度为860.64m。封隔器与丢手之间短接相连，接箍设计深度在870.39m。在管柱自由支井底的状态下实际测井，测出接箍深度为870.48m，下移了0.086m。经过软件计算，算得结果为0.081m；而采用有限元法计算结果为0.079m。
结束语
分层采油工艺是当前石油开采常用的一项技术，对其管柱结构进行优化分析，能够解决分层采油工艺自身的问题，提高采油效率。因此，技术人员在后续工作中，应加大对该技术的研究力度，不断对其工艺管柱进行优化，提高分层采油工艺效果。
参考文献
[1] 张晶明.分层采油工艺管柱受力模拟分析及结构优化[D].东北石油大学，2016.
[2] 李志广，闫永维，李风涛，李川，张子佳，王勇.保护油层分层采油工艺管柱试验研究[J].石油矿场机械，2014，（11）：57-60.
[關键词]分层采油；管柱结构；优化措施
中图分类号：TU802 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）42-0042-01
1 分层采油管柱有限元分析方法
在分层采油管柱结构优化过程中，我们需要了解其优化的方向——有限元分析法。由于分层采油管柱的长径比很大，若对其进行实体建模则需要划分极为精密的网格，成本费用较高，因此，文章采用梁结构处理方法，将分层采油工艺管柱处理为梁结构进行分析。常规分层采油管柱图如图1所示：
首先，在油管的建模中，应该将四种部件分别建立模型，然后将四种结构按照顺序组合成完整的油管结构，其中封隔器、连通器等定义为油管结构，在边界条件定义时进行处理；套管部分可以直接建立出相应长度的模型。分析的具体过程共分为以下七步：建立模型，使用有限元分析法模拟并显示管柱结构的截面形状；材料属性定义，将定义了材料属性的各个部件在装配体模块中进行装配；分析定义，在此模块中需要对分析时长以及增量大小、类型、求解器设置以及输出变量进行设置；载荷与边界条件设置，按照实际工况对载荷与边界条件进行定义，其中套管整体约束所有自由度，油管下顶点约束全部自由度。
其次，管-管接触定义是本次有限元分析的核心之一，主要分以下四步进行：定义tube-tube接触单元，二维梁、管、桁架等使用接触单元类型为ITT21，三维梁、管、桁架等使用接触单元为ITT31。
最后，定义完成后，将此修改过的输入文件导入ABAQUS中进行线性摄动分析，即可得到在给定工况下油管的屈曲模态，这一结果将作为后续分析的初始边界。
2 分层采油管柱优化设计方法
分层采油管柱力学分析的作用主要有两个，一是在设计阶段对设计方案进行力学分析，依据分析结果优化管柱结构；二是对已有管柱进行校核。
2.1 井下工艺管柱的优化设计
管柱的优化设计有两种方法，一是依据优化设计理论，依据实际需求，确定优化目标，建立优化的数学模型，采用数值方法进行优化；二是采用管柱力学分析软件或有限单元法，在管柱设计过程中对设计方案进行力学分析，并根据分析结果以优质安全为目标，结合现场经验进行人工优化。
第一，预赋参数，是设计时按具体要求事先给定的，在优化设计过程中始终保持不变的参数。
第二，荷载条件，是设计时考虑的荷载因素；设计变量，是指在优化过程中由最优设计方法来自动决定的基本参数，它们对设计方案的优劣有重要影响，优化的目的就是要寻找这些变量的最优组合。
第三，状态变量，描述结构受力状态的量，通常是设计变量的函数，在实际的工程结构优化设计当中一般常取应力与位移作为状态变量。
第四，约束条件，是指对优化问题施加的种种限制，每个可行设计方案均应满足这些要求，约束条件可能是等式方程（设有个），记为： ；也可以是不等式方程，记为：或，。
第五，目标函数，是用于衡量设计方案最优性的标准，亦称评价函数，它是设计变量的函数，常记为，它表征了设计性能要求与涉及参数之间的关系。
2.2 分层采油工艺管柱结构优化验证
在理想状态下，分层采油管柱在支井底自由状态下，靠近井底部位的管柱将产生螺旋弯曲，封隔器下移；坐封打压时随着管内压力的上升，螺旋弯曲加剧，封隔器继续下移；在丢手状态下，封隔器会上移一小段距离，但由于封隔器的摩擦力的影响，管柱还是处于屈曲状态。为了使分层采油封隔器封隔目的层更加准确，可以在适当位置加长油管的长度。下面我们以3种类型的管柱结构为例进行分析。
第一，1#井分层采油管柱结构。1#井丢手设计深度为901.52m，封隔器与丢手之间短接相连，接箍设计深度在902.92m。在管柱自由支井底的状态下实际测井，测出接箍深度为903.01m，下移了0.09m。经过软件计算，算得结果为0.076m；而采用有限元法计算结果为0.072m。
第二，2#井分层采油管柱结构优化。2#井分4层采油，采用如下表所示管柱结构。其丢手接头深度为948.34m。封隔器与丢手之间短接相连，接箍设计深度在956.16m，管柱结构如表1所示。
在管柱自由支井底的状态下实际测井，测出接箍深度为956.26m下移了0.10m。经过软件计算，算得结果为0.093m；而采用有限元法计算结果为0.087m。
第三，3#井分层采油结构。3#井可以划分为5个采油层，丢手接头深度为860.64m。封隔器与丢手之间短接相连，接箍设计深度在870.39m。在管柱自由支井底的状态下实际测井，测出接箍深度为870.48m，下移了0.086m。经过软件计算，算得结果为0.081m；而采用有限元法计算结果为0.079m。
结束语
分层采油工艺是当前石油开采常用的一项技术，对其管柱结构进行优化分析，能够解决分层采油工艺自身的问题，提高采油效率。因此，技术人员在后续工作中，应加大对该技术的研究力度，不断对其工艺管柱进行优化，提高分层采油工艺效果。
参考文献
[1] 张晶明.分层采油工艺管柱受力模拟分析及结构优化[D].东北石油大学，2016.
[2] 李志广，闫永维，李风涛，李川，张子佳，王勇.保护油层分层采油工艺管柱试验研究[J].石油矿场机械，2014，（11）：57-60.