多级压裂管柱强度分析及影响规律研究
Strength analysis of multisage fracturing string and study on its influence law
- 机械强度 2026年48卷第1期 页码：48-55
- 作者机构：
1.东北石油大学 机械科学与工程学院，大庆 163318
2.青海油田采油一厂，茫崖 816499
- 作者简介：
YUE Qianbei, E-mail: zlgbb529@126.com
- 基金信息：国家自然科学基金项目(52374034);黑龙江省自然科学基金项目(LH2022E018)
DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.01.006
中图分类号： TE357收稿：2024-01-28，
修回：2024-05-13，
纸质出版：2026-01-15
- 稿件说明：
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岳欠杯，李辉，许萍文，等. 多级压裂管柱强度分析及影响规律研究［J］. 机械强度，2026，48（1）：48-55.
YUE Qianbei，LI Hui，XU Pingwen，et al. Strength analysis of multisage fracturing string and study on its influence law［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（1）：48-55.
岳欠杯，李辉，许萍文，等. 多级压裂管柱强度分析及影响规律研究［J］. 机械强度，2026，48（1）：48-55. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.01.006.
YUE Qianbei，LI Hui，XU Pingwen，et al. Strength analysis of multisage fracturing string and study on its influence law［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（1）：48-55. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.01.006.
摘要
目的
2
针对多级压裂过程中由封隔器系统诱发的管柱强度失效问题，开展了管柱力学行为与强度影响规律研究，以保障压裂作业安全性与管柱结构可靠性。
方法
2
首先，基于多级封隔器工作特性，建立了压裂管柱系统力学模型，并推导了坐封与压裂两种工况下的控制方程。其次，采用有限元方法，将封隔器位移作为压裂工况的初始边界条件。然后，考虑了封隔器滑移与固定的非确定性边界条件，构建了多级压裂管柱系统的数值计算方法。最后，以现场某口井为实例进行了计算分析。
结果
2
分析结果表明，随着压裂级数增加，井口轴向力与等效应力显著上升，安全系数逐步下降；压裂液流量、井口压力与砂比对管柱强度均具有显著影响，任一参数的增大均会引起轴向力增加和安全系数下降，从而加剧管柱强度失效风险，并为多级压裂管柱强度设计与安全评估提供了依据。
Abstract
Objective
2
Aiming at the string strength failure problem induced by the packer system during multi-stage fracturing
the investigation on the mechanical behavior of the string and the influence law of strength was carried out to ensure the safety of fracturing operations and the structural reliability of the string.
Methods
2
Firstly
based on the working characteristics of multi-stage packers
a mechanical model of the fracturing string system was established
and the governing equations under the two working conditions of setting and fracturing were derived. Secondly
the finite element method was adopted
and the packer displacement was taken as the initial boundary condition of the fracturing working condition. Then
the non-deterministic boundary conditions of packer sliding and fixing were considered
and a numerical calculation method for the multi-stage fracturing string system was constructed. Finally
calculation and analysis were carried out through field well cases.
Results
2
The analysis results showed that with the increase of fracturing stages
the wellhead axial force and equivalent stress increased significantly
and the safety factor decreased gradually; the fracturing fluid flow rate
wellhead pressure and proppant concentration all had significant effects on the string strength; the increase of any parameter would lead to the increase of axial force and the decrease of safety factor
thereby aggravating the risk of string strength failure. The research results provided a basis for the strength design and safety evaluation of multi-stage fracturing strings.
关键词
Keywords
references
李国欣 ， 雷征东 ， 董伟宏 ， 等 . 中国石油非常规油气开发进展、挑战与展望 ［J］. 中国石油勘探 ， 2022 ， 27 （ 1 ）： 1 - 11 .
LI Guoxin ， LEI Zhengdong ， DONG Weihong ， et al . Progress，challenges and prospects of unconventional oil and gas development of CNPC ［J］. China Petroleum Exploration ， 2022 ， 27 （ 1 ）： 1 - 11 . （In Chinese）
李子丰 ， 孙虎 ， 苏金柱 ， 等 . 压裂管柱力学分析理论与应用 ［J］. 应用基础与工程科学学报 ， 2012 ， 20 （ 5 ）： 846 - 862 .
LI Zifeng ， SUN Hu ， SU Jinzhu ， et al . Theory and applications of mechanical analysis of tubing string in fracturing operation ［J］. Journal of Basic Science and Engineering ， 2012 ， 20 （ 5 ）： 846 - 862 . （In Chinese）
练章华 ， 张颖 ， 赵旭 ， 等 . 水平井多级压裂管柱力学、数学模型的建立与应用 ［J］. 天然气工业 ， 2015 ， 35 （ 1 ）： 85 - 91 .
LIAN Zhanghua ， ZHANG Ying ， ZHAO Xu ， et al . Establishment and application of mechanical and mathematical models for multi-stage fracturing strings in a horizontal well ［J］. Natural Gas Industry ， 2015 ， 35 （ 1 ）： 85 - 91 . （In Chinese）
黄志宏 ， 王旱祥 ， 马珍福 ， 等 . 多级多段细分注水管柱动态力学分析及蠕动规律 ［J］. 中国石油大学学报（自然科学版） ， 2019 ， 43 （ 6 ）： 144 - 150 .
HUANG Zhihong ， WANG Hanxiang ， MA Zhenfu ， et al . Study on dynamic mechanical analysis and creep law of multi-stage segmental subdivision water injection pipe string ［J］． Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science） ， 2019 ， 43 （ 6 ）： 144 - 150 . （In Chinese）
李明飞 ， 窦益华 ， 曹银萍 ， 等 . 力法在多封隔器管柱轴向力分析中的应用 ［J］. 西安石油大学学报（自然科学版） ， 2020 ， 35 （ 1 ）： 89 - 96 .
LI Mingfei ， DOU Yihua ， CAO Yinping ， et al . Application of force method to axial force analysis of multi-packer tubing ［J］. Journal of Xi’an Shiyou University（Natural Science Edition） ， 2020 ， 35 （ 1 ）： 89 - 96 . （In Chinese）
杨向同 ， 沈新普 ， 王克林 ， 等 . 完井作业油管柱失效的力学机理——以塔里木盆地某高温高压井为例 ［J］. 天然气工业 ， 2018 ， 38 （ 7 ）： 86 - 92 .
YANG Xiangtong ， SHEN Xinpu ， WANG Kelin ， et al . Mechanical mechanisms of tubing string failures in well completion operation：a case study from one HTHP well in the Tarim Basin ［J］. Natural Gas Industry ， 2018 ， 38 （ 7 ）： 86 - 92 . （In Chinese）
王汉 ， 李玉飞 ， 蒲俊余 ， 等 . 多封隔器完井管柱优化研究 ［J］. 钻采工艺 ， 2020 ， 43 （ 增刊1 ）： 8 - 11 .
WANG Han ， LI Yufei ， PU Junyu ， et al . Research on optimization of multi-packer completion string ［J］. Drilling & Production Technology ， 2020 ， 43 （ Suppl.1 ）： 8 - 11 . （In Chinese）
刘洪涛 ， 沈新普 ， 刘爽 ， 等 . 高温高压气井多封隔器管柱完整性分析方法及应用实例 ［J］. 天然气工业 ， 2020 ， 40 （ 7 ）： 83 - 89 .
LIU Hongtao ， SHEN Xinpu ， LIU Shuang ， et al . Integrity analysis method of multi-packer string in HTHP gas wells and its application cases ［J］. Natural Gas Industry ， 2020 ， 40 （ 7 ）： 83 - 89 . （In Chinese）
刘延鑫 ， 苑得鑫 ， 王旱祥 . 注水管柱蠕动机理分析及蠕动量计算 ［J］. 钻采工艺 ， 2016 ， 39 （ 3 ）： 50 - 52 ， 73 ， 129 - 130 .
LIU Yanxin ， YUAN Dexin ， WANG Hanxiang . Creeping mechanism analysis and creeping displacement calculation of injection string ［J］. Drilling & Production Technology ， 2016 ， 39 （ 3 ）： 50 - 52 ， 73 ， 129 - 130 . （In Chinese）
李昂 ， 郝涛 ， 檀朝东 ， 等 . 注水井管柱轴侧向力耦合模型及安全评价研究 ［J］. 石油机械 ， 2022 ， 50 （ 5 ）： 134 - 141 .
LI Ang ， HAO Tao ， TAN Chaodong ， et al . Coupling model of axial lateral force of pipe string and its safety evaluation in injection wells ［J］. China Petroleum Machinery ， 2022 ， 50 （ 5 ）： 134 - 141 . （In Chinese）
乔雨 ， 张智 ， 张家振 ， 等 . 水平井多封隔器管柱力学分析及安全评价 ［J］. 科学技术与工程 ， 2023 ， 23 （ 13 ）： 5507 - 5514 .
QIAO Yu ， ZHANG Zhi ， ZHANG Jiazhen ， et al . Mechanical analysis and safety evaluation of multi packer string in horizontal well ［J］. Science Technology and Engineering ， 2023 ， 23 （ 13 ）： 5507 - 5514 . （In Chinese）
刘合 ， 张广明 ， 张劲 ， 等 . 油井水力压裂摩阻计算和井口压力预测 ［J］. 岩石力学与工程学报 ， 2010 ， 29 （ 增刊1 ）： 2833 - 2839 .
LIU He ， ZHANG Guangming ， ZHANG Jin ， et al . Friction calculation and wellhead pressure prediction of oil well hydraulic fracturing ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2010 ， 29 （ Suppl.1 ）： 2833 - 2839 . （In Chinese）
李琪 ， 李旭阳 ， 王再兴 ， 等 . 压裂管柱轴向变形的理论计算及应用 ［J］. 石油钻采工艺 ， 2016 ， 38 （ 4 ）： 467 - 472 .
LI Qi ， LI Xuyang ， WANG Zaixing ， et al . Theoretical calculation and application of axial deformation in fracturing pipestring ［J］. Oil Drilling & Production Technology ， 2016 ， 38 （ 4 ）： 467 - 472 . （In Chinese）
刘巨保 ， 姚利明 ， 李星月 ， 等 . 缩扩管内携砂压裂液的压力损失实验与数值模拟 ［J］. 石油学报 ， 2019 ， 40 （ 1 ）： 86 - 98 .
LIU Jubao ， YAO Liming ， LI Xingyue ， et al . Pressure loss experiment and numerical simulation of sand-carrying fracturing fluid in contraction-expansion pipe ［J］. Acta Petrolei Sinica ， 2019 ， 40 （ 1 ）： 86 - 98 . （In Chinese）
岳欠杯 . 压裂管柱有限元分析及应用 ［D］. 大庆 ： 大庆石油学院 ， 2009 ： 11 - 20 .
YUE Qianbei . Finite element analysis and application of fracturing string ［D］. Daqing ： Daqing Petroleum Institute ， 2009 ： 11 - 20 . （In Chinese）
曹传文 ， 薄珉 . 最小曲率法井眼轨迹控制技术研究与应用 ［J］. 石油钻采工艺 ， 2012 ， 34 （ 3 ）： 1 - 6 .
CAO Chuanwen ， BO Min . Well trajectory control technique by minimum curvature method ［J］. Oil Drilling & Production Technology ， 2012 ， 34 （ 3 ）： 1 - 6 . （In Chinese）
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