基于ANSYS Workbench完井管柱流固耦合振动固有频率分析

试油完井工况下,处于高温高压环境中的管柱易受到压力、轴向力、温度以及流固耦合作用的影响而引发振动。以完井管柱为研究对象,在ANSYS Workbench中建立完井管柱的有限元模型,用六面体八节点单元进行了网格划分,并对流体和固体设置流固耦合交界面,分析了内压、轴向力以及流固耦合作用对完井管柱固有频率的影响。研究结果表明,完井管柱的固有频率随着管柱内压的增加而减小;完井管柱固有频率随着轴向力的增加而增加;流固耦合作用会降低管柱的固有频率。当管柱内流体为天然气时,管柱的固有频率减小1.4%;当管柱内流体为水时,管柱的固有频率减少18%,液体与管柱流固耦合作用对管柱固有频率的影响大于气体。该分析为试油完井管柱安全性评估和结构优化提供了理论支持。     

高压气井完井管柱的流固耦合振动模型及其应用

瞬态压力冲击诱发充液管道结构耦合振动,剧烈的振动将导致管道结构失效。笔者将进一步阐明天然气的瞬变流动诱发高压气井完井管柱的耦合振动过程。根据充液管道流固耦合振动模型,推导了适用于气井完井管柱的流固耦合振动四方程模型,采用特征线法及线性插值方法进行数值求解。以现场一口高压气井井口阀门开启过程中的瞬态响应为例,结合完井管柱系统的初边值条件,利用MATLAB语言编制了相应的计算机程序,计算分析了流体与管柱的耦合振动响应过程。计算结果表明：天然气的瞬变流动通过泊松耦合效应诱发完井管柱轴向往复运动,轴向往复运动将加剧完井管柱结构的疲劳破坏与磨损破坏。该结果对预防完井管柱先期失效有实际工程意义。     

高产气井完井管柱纵向振动特性分析

高产气井完井管柱是高产气藏采气过程中的关键工具。在高产高速气流作用下,完井管柱始终处在一个复杂的动力环境之中,承受多种力的激励和响应,产生剧烈的振动。搞清高产气井完井管柱的纵向振动特性,为完井投产及采气作业提供理论依据和技术参考,具有实际意义。针对高产气井实际工况,以井下管柱为研究对象,基于结构振动理论,运用位移激励法建立了高产气井完井管柱在轴向激振力作用下的纵向振动力学模型,采用解析法导出其固有频率和振型。算例分析结果表明,完井管柱无阻尼纵向振动一阶振型是简单的正弦函数,具有固定的周期,一阶固有频率为0.281 Hz,表明完井管柱无阻尼振动频率较低。     

高产气井完井管柱横向振动分析

考虑完井管柱轴向激振力及自重力的影响,运用瑞利-里兹级数法描述了高产气井完井管柱挠曲变形方程.以此为基础,根据雷利(L.Rayleigh)法导出了高产气井完井管柱横向振动频率方程,进而得到了钻柱在管柱相应振动频率下的钻速方程.分析结果表明:该数学模型的精度较高,实用性较好.为揭示高产气井完井管柱横向振动规律提供了一种行之有效的方法.     

气井完井管柱安全状态评估系统设计与应用

高温高压气井在生产和井下作业过程中,由于温度和压力的变化容易造成管柱变形,影响到管柱安全,因而需要开展天然气井完井管柱安全状况评估。文中在分析不同工况前后天然气井温度和压力变化的基础上,提出了相应的管柱变形计算和强度校核方法,并进行了实例计算,取得了较好效果。利用该方法,还可以帮助新井设计出安全的完井管柱,指导完井工艺的选择。     

超深井射孔爆轰波非线性传播及影响因素

随着油气井逐渐走向深井、超深井,射孔中完井管柱安全问题越来受到关注。基于计算流体力学原理,建立了射孔段-封隔器爆轰波传播模型,揭示了井筒完井液中爆轰波传播、反射规律,明确了完井液对爆轰波传播的影响特征。研究表明,爆轰波传播过程中表现出极强的非周期性、不规则性,传播至封隔器位置时爆轰波压力幅值降低高达75.65%,而爆轰反射波具有较好的周期性,传播至射孔段时的爆轰压力波幅值降低23.4%。完井液密度不仅对传播过程中爆轰波的幅值造成较大影响,对爆轰波波形特征也产生较大的干扰。完井液黏度对传播过程中爆轰波波形特征几乎没有影响,对爆轰波幅值有较小的影响。仅考虑爆轰波对完井管柱的影响时,应优先选择密度小、黏度大的完井液体系以降低爆轰波对井下完井管柱的冲击影响。研究结果为油气井现场完井液参数设计提供参考依据。     

水平井完井管柱摩阻预测模型建立与下入性分析

水平井井眼轨迹复杂,完井管柱下入到弯曲段后将与井壁大面积接触,所受的摩擦阻力将大大增加,使完井管柱发生大的变形甚至屈曲变形以致不能顺利下入。为此,分析了水平井完井管柱下入过程中的受力情况,建立了管柱三维摩阻预测模型,根据建立的模型,利用VB语言编制了分析软件。分析软件对井眼数据采用三次样条插值法处理,并采用建立的摩阻计算模型求出完井管柱在下入过程中的总摩阻力。实例计算表明,建立的摩阻计算模型有较高的准确性,所开发的软件可用于大斜度井及水平井完井管柱的摩阻预测。     

压力温度数值模拟在管柱变形计算中的应用

以气井生产阶段井筒压力、温度分布规律为研究对象,考虑井筒径向传热过程,根据气体流动的基本方程及气体状态方程,推导建立了综合描述气体稳定流动时压力、温度、流速及密度分布的常微分方程纽,并采用四阶龙格一库塔法进行数值求解,通过与实测数据的对比,验证了模型和数值解法的准确性。在此基础上,通过与传统方法对比计算管柱的变形量,证明了产气阶段采用传统方法计算管柱变形量将产生较大误差,认为采用考虑压力、温度耦合的计算模型结果更符合实际。     

油砂开发生产井完井管柱设计优化与应用

油砂生产井通常采用两趟完井管柱作业,导致完井工期长,完井费用高。以油砂A区块为例,开展常规生产井完井管柱设计优化和热循环效果评价,提出一种适宜于油砂生产的管柱结构优化设计方案,并在现场3口调整井中试验应用。优化后的生产井完井管柱较常规管柱的实际作业工时下降66%,实际费用下降20%,投产1 a均正常生产,达到预期成果。可为类似油砂区块的完井设计提供借鉴。     

浅层稠油油藏水平井完井技术

为增加原油自然流动的能力,目前稠油普遍采用蒸汽吞吐稠油热采.稠油水平井尾管完井工具除了要求悬挂器能安全、牢固地将完井管柱悬挂外,还须保证在稠油热采时的高温高压条件下,完井管柱与技术套管间实现长期、有效的防砂封隔.在稠油水平井φ68.3 mm完井管柱下入时剩余钩载很小,因此要求下管柱时现场须按设计要求调整好泥浆性能,改善其润滑性能,在直井段及井斜较小的井段尽可能采用加重钻杆和钻铤作为送入钻具,以增大管柱下入的驱动力.良好的井眼轨迹和泥浆性能是完井作业顺利完成的基础.     

XQ90气井分支井完井技术

XQ90井是我国在川西地区所钻成的第一口气井分支井组，该井在完井工艺上采用了先进的完井管柱和加砂压裂管柱，达到了主、分支井分层压裂，分层开采的目的；其自行研制的双管采气井口可以分别控制主、分支井井口油压，为后期的采气作业提供了可靠的保障。该井的完井工艺达到国际TAML分类5级水平。     

速度管柱排水采气技术的应用及改进

苏里格气田气井普遍具有低压、低产、携液能力差及井筒压力损失大的特点,为了提高气井携液能力,形成中后期排水采气技术储备,依据管柱优化理论,于2009年开始将Ф38.1mm的连续管作为生产管柱进行排水采气,到目前已完成速度管柱排水采气施工气井10多口。通过研究和现场实践,改进了悬挂器、卡瓦及堵塞器等配套工具,优化了降压方式和井口采气树,提高了施工效率和安全性,取得了良好的应用效果。     

储气库注采参数与管柱临界屈曲载荷分析

针对华北油田储气井井身结构及其采气过程,开展了储气井井口油压、产量与油管柱屈曲变形的深入研究。在前人研究的基础上,讨论了管柱在井筒中发生正弦屈曲或螺旋屈曲变形的3个临界载荷值以及这3个临界载荷之间的屈曲状态,在此基础上,得到了划分不稳定区的新临界载荷,推导出了计算油管底部轴向力的数学模型。基于带有封隔器的管柱力学分析和理论研究、封隔器管柱中的各种效应变化计算数学模型以及建立的管柱临界屈曲载荷的数学模型,用VB2013开发出了一套储气井注采管柱力学安全性评价软件,应用该软件对华北油田S-x储气井注采管柱进行了研究,为储气井井口油压、产量等参数的优选及注采管柱安全性评价提供依据。     

克拉2气田排水采气工艺优选及效果分析

克拉2气田作为西气东输的主力气田,因地质原因部分气井已经出水,严重影响气井产能和最终采收率,亟需采取排水采气工艺措施以维持气井稳定生产和边底水均匀推进。对常用排水采气工艺适应性进行了对比,指出克拉2气田目前最合适的排水采气工艺为井口增压和优选管柱,并对其开展了应用效果评价。结果表明:优选管柱和井口增压两种工艺可作为克拉2气田的排水采气工艺;对于出水气井而言,下入油管最优尺寸为62 mm,可有效携液生产并延长自喷生产时间;井口增压工艺可有效降低井口压力,释放地层能量,在井口压力降低6 MPa的情况下,自喷结束对应地层压力降低幅度可达10 MPa左右,大幅度延长了气井自喷周期。研究结果表明,井口增压可作为克拉2气田首选排水采气工艺,优选管柱可作为备选工艺。     

异常高压特高产气井井下管柱力学分析

对异常高压、特高产气井完井及生产过程中的管柱受力进行分析,是确保气井长期安全生产的重要课题之一。现有的管柱力学计算方法基本是建立在Lubinski模型的基础上,只能分析、计算封隔器坐封好后由于温度、压力的改变而产生的温度效应、活塞效应、鼓胀效应和螺旋弯曲效应,而对于封隔器坐封前后管柱受力的变化、浮力的转移、生产过程中气体的粘滞力则没有现成的计算模型。文章通过将管柱受力分解为管柱入井、假定工况不变且无位移情况下的封隔器坐封以及工况改变且有位移时的封隔器坐封三步,在逐步推理的过程中分析了克拉2气田3口异常高压、特高产气井在完井过程中的管柱受力问题,对封隔器坐封前后浮力的转移、坐封过程管柱受力的变化进行了分析计算。并且采用新方法对生产过程中气体的粘滞力进行计算,最终给出了针对异常高压、特高产气井完井及生产的安全建议。     

压裂气举排液及完井一趟管柱

根据让那若尔油田低压、高气液比的油藏特征,设计出一种压裂气举排液及完井一趟管柱。该管柱在常规压裂管柱上安装气举阀,在油井压裂施工结束后不起出压裂管柱,采用气举方式实现压裂液快速返排和连续气举完井生产,是压裂工艺和气举技术的结合,一趟管柱实现压裂、排液及连续气举完井生产3项功能。24口井的应用表明,该管柱承受压力高,排液速度快,不动管柱可实现连续气举生产,既简化了作业程序,又能达到增产增效的目的,在油田具有广阔的应用前景。     

完井管柱力学分析及工程应用

分析了完井及其管柱的特点,综合考虑井身结构、管柱结构、工作载荷、高温高压及联作等因素,给出了管柱屈曲临界载荷;综合考虑管柱屈曲状态、弯曲摩阻、井口设备、井底封隔器对管柱轴向力与变形的相互影响,给出了管柱载荷、变形、应力计算公式。结合现场实践,得到了完井管柱力学分析方法,据此进行管柱下深、载荷、强度、轴向变形等必要的计算,可得到实用的结论与可操作的建议。     

油气井管柱冲击动力问题研究概况和发展趋势

钻采作业中经常遇到管柱冲击动力问题。具体工况包括：①射孔和爆炸松扣解卡时,炸药爆炸引发的管柱冲击振动;②用震击器解卡时,突然泄流和震击力引发的管柱冲击振动;③钻柱、套管柱、油管柱、抽油杆柱断脱或刹车不灵或操作失误,导致管柱沿井筒向下滑落冲击井底或泵阀,以及管柱下放时突然遇阻的情况。对文献的相关研究进展进行了评述,并介绍了油气井管柱力学三原理、油气井管柱动力学基本方程、油气井管柱的屈曲和拉力扭矩分析、钻柱动力学、直杆和薄壁管在轴向冲击作用下的应力和变形、以及有限元力学仿真的研究进展;最后,对管柱冲击动力研究的力学模型、数学模型、求解方法和预期结果等提出了建议。     

定向井抽油杆柱横向振动仿真模型及扶正器布点优化

将定向井抽油杆柱在井筒内横向振动的力学模型简化为具有初弯曲的纵横弯曲梁在井筒约束条件下的横向振动模型。在模型中考虑了交变轴向载荷对抽油杆柱横向振动的激励,并提出了弯曲井筒是轴向运动抽油杆柱横向振动的一项主要激励。综合考虑弯曲井筒对轴向往复运动抽油杆柱横向振动的激励以及交变轴向载荷对抽油杆柱横向振动的激励,应用弹性碰撞理论描述井筒对抽油杆柱横向振动的约束,并基于弹性体振动理论建立了具有初弯曲的抽油杆柱在井筒约束条件下横向振动仿真的数学模型。基于定向井抽油杆柱横向振动仿真模型,建立了扶正器布点优化的数学模型。采用龙格库塔法实现了定向井抽油杆柱横向振动的仿真计算;通过循环迭代方法实现了扶正器的布点优化。研究结果表明：⑥仿真结果与油田实际情况相符,验证了模型的适用性;②杆管偏磨的危险点为井眼的造斜段与杆柱受压段。井眼造斜段杆管接触力较大,杆柱受压段杆管碰撞剧烈;③优化扶正器配置后,杆体、接箍不与油管接触,扶正器的最大杆管接触力均在许用接触应力以内,保证了抽油杆柱的工作寿命。