高压高产气井完井管柱振动特性及安全分析

目前针对油气井完井管柱振动的研究没有考虑气体诱发管柱横向和纵向耦合情况,而实际管柱与管内流体存在横向和纵向的相互影响。为此,对完井管柱系统流固耦合振动响应进行初步分析和探索,建立了气井完井管柱流固耦合模型,编制了相应的Fortran程序,并结合华北油田某完井管柱现场数据,讨论了产气量、井口压力和气体密度等参数对管柱振动特性的影响。研究结果表明:在开阀门的瞬间,完井管柱产生剧烈振动,随着产出气体压力逐渐稳定以及管柱自身的刚度具有抵抗变形的能力,管柱的振动呈现逐渐衰减的趋势;随着产气量的增加或井口压力的降低,气体对管柱的作用力增大,管柱振动产生的变形增大;当气体密度增加时,管柱与气体之间的摩擦耦合作用加剧,管柱振动增强。研究结果对于降低完井管柱的振动和保护管柱安全具有重要意义。     

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。     

高温高压井双封隔器管柱安全评估

高温高压油气井投产后受到地层高温流体影响,完井管柱双封隔器密闭空间内的流体介质受热膨胀,导致圈闭憋压,可能造成油管挤溃和油层套管破坏的危险,严重威胁管柱服役周期和井筒完整性。针对密闭空间压力上升带来的安全生产问题,运用弹性力学和传热学理论,分析了温度载荷作用下井筒与地层耦合作用机理,研究了自由段油管和封固段油层套管处管柱位移形变量随温度和压力变化的关系,建立了双封隔器密闭环空压力预测模型,同时对不同生产工况下的封隔器管柱安全性能进行了校核分析。研究结果表明:在开井生产阶段,环空压力随双封隔器的间距增加而增加,不会影响管柱安全;在完井液循环阶段,考虑极端工况情况下,环空压力随双封隔器的间距增加而减小,但均超出油层套管抗内压强度,不能立即坐封,因此等待一段时间后坐封封隔器才能保证管柱的安全性能。     

高温高压气井试油完井一体化工艺技术

针对高温高压碳酸盐岩深井往往具有测试产量不确定、易出现又漏又喷复杂情况、后续压井易造成二次污染等问题,文章设计了试油-封堵和试油-完井投产共2种试油完井一体化管柱,利用一趟管柱实现射孔-酸化-测试-封堵或完井投产等多种功能;其中试油-封堵一体化管柱现场试验多口井,压井钻井液漏失量均小于5 m~3;平均单层转层周期节约5 d以上;试油-完井投产一体化管柱现场试验5口井,平均单层节约试油时间7 d。试油完井一体化工艺技术不仅能有效解决测试后压井堵漏及产层伤害难题,同时还将试油测试与完井作业有效衔接,实现快速上试或完井投产,满足不同的作业需求,对于试油提速提效、降低试油成本并有效保护产层非常必要,是未来试油测试作业的重要发展方向,有较大的推广应用前景。     

斜井眼中具有初弯曲管柱的稳定性

利用能量法推导出斜井眼中具有初弯曲管柱稳定的轴向临界压力计算公式，讨论了初弯曲对轴向临界压力的影响。研究表明，轴向临界压力随初弯曲最大挠度的增大而减小，初弯曲对临界压力的影响随管柱所受侧向力的增大而增大，随管柱长度的增加而增加。当初弯曲最大挠度比较大时，对于受侧向力作用的较长管柱，初弯曲对管柱轴向临界压力影响很大，必须加以考虑。     

高温高压深井试油完井问题综述

简要介绍了我国陆上油田高温高压深井及其试油、完井作业具有"高、深、联、复"的特点;以套管为例,分析了高温高压深井及"高、深、联、复"对试油完井工程安全性的影响;概述了我国高温高压深井完井试油过程中套管、下井管柱、封隔器等井下工具、直读试井电缆、地面管汇与油嘴所出现的问题及基于目前研究、认识所采取的措施;并就高温高压高产深井试油完井工程问题,提出应进行以下研究:(1)动态试油,完井管柱力学分析;(2)试油完井系统压力分析;(3)完井工艺研究。     

高压气井生产管柱横向振动特性分析

高压气井生产管柱内流体的流动会诱发管柱振动,管柱振动会导致其疲劳、磨损甚至破裂,影响气井正常生产。结合油田现场实际,在考虑管柱重力的情况下,研究了高压气井生产管柱的横向振动特性。运用哈密顿原理,建立了包含生产管柱轴向力、管内流体流速和管内外流体压力等因素的生产管柱横向振动模型。运用伽辽金方法求解模型,计算并讨论了管柱重力、气井产量、井底压力和管柱底端轴向力等参数对油管振动频率及稳定性的影响。研究结果表明,管柱重力是生产管柱振动分析中不可忽略的因素;生产管柱的振动频率随着产量、井底压力以及轴向压力的增大而降低,其中井底压力和轴向压力对管柱振动频率的影响较大,产量的影响较小。     

分段酸化—测试—完井一体化管柱在双探2井的应用

针对双探2井的储层特点和试油需求,设计了分段酸化—测试—完井一体化管柱,一趟管柱可实现分段酸化、获取井下资料,封堵保护储层,更换管柱完井投产。满足双探2井试油测试需求,降低了井控风险,有效解决了试油测试后严重井漏及产层损害问题,为试油获产后的完井投产做好准。对于易漏探井的试油测试作业具有重要的指导意义。     

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。     

深水测试管柱应力分布规律与动态响应分析

为了研究深水测试管柱在不同工况下的应力分布规律及内压波动对管柱动态响应参数的影响,根据深水测试管柱作业特点及结构,推导了测试管柱的轴向力、轴向应力、径向应力和环向应力计算公式,建立了海水段测试管柱的横向及纵向振动模型。根据不同工况,建立了测试管柱的有限元模型,进行了测试管柱最大应力及内压波动下的动力响应分析。研究结果表明:测试管柱各段的最大应力随水深的增加而减小、随悬挂力的增大而增大;由于泊松耦合的影响,最大应力与水深的变化率随着内外压差的增大而增大;初开井前,由于测试管柱的内加压和环空泄压,测试管柱出现最大应力,其值为255.7 MPa,但各工况下测试管柱的安全系数满足强度使用要求;内部压力波动周期对测试管柱的应力响应影响显著,低周期的内压波动使管柱应力过度增大,管柱易发生危险。研究结果可为深水测试管柱的强度研究提供一定的指导。     

一趟管柱分层分时射孔测试技术

精细试油是油气藏勘探中准确评价储层的一项重要手段,但在同一管柱内完成分层射孔、分层独立试油还难以实现.在陆上探井和海洋完井项目中,尤为重视针对不同井况采用不同策略进行一次性射孔测试联作完井,这项技术可缩短试采周期并节约作业成本.介绍了一种新型射孔测试联作技术,在不动管柱、不循环压井的条件下,利用一趟管柱实现了不同层位间的独立精细试油,试油周期短、成本低,测试信息准确,为油气田勘探精细评价提供了新思路.     

轴向力作用下换热管固有频率分析

现有文献关于轴向力对换热管固有频率的影响系统性的研究较少。鉴于此,简要对比了TEMA标准、GB151及有限元法3种轴向力作用下换热管固有频率的计算方法,利用ANSYS软件瞬态激振计算与傅里叶变换相结合,分析了跨距l=1.0 m的等长多跨管在不同轴向力作用下前3阶固有频率变化规律。研究结果表明:轴向拉应力起到了应力刚化作用,使换热管固有频率升高,但拉应力的应力刚化效果要小于等值压应力的应力软化效果;轴向力对于换热管1阶固有频率影响较大,对于2阶和3阶固有频率的影响逐渐减小;对于跨距相等的多跨换热管,随着跨数的增多,轴向力对于固有频率的影响越来越明显。所得结论对于保证换热器的安全运行具有一定的指导作用。     

深水测试管柱与隔水管的横向承载特性

在海上深水油气井测试过程中,隔水管、测试管柱与海水、环空流体、管内流体相互作用,并组成海上测试的“管中管”结构体系,目前对于由隔水管—测试管柱组成体系产生的复杂横向承载特性的认识不足。为了给海上安全测试作业的控制提供理论支撑,针对我国南海测试使用“管中管”体系结构及作业水深超过900 m的特点,建立了海水段测试管柱的井筒温度场、压力场及轴向力计算模型;考虑内外流体与管柱相互作用,建立了隔水管和测试管柱横向动态受力模型;基于数值求解方法,进行了不同顶张力、悬挂力、海流流速及平台漂移下的“管中管”结构体系横向承载特性分析。研究结果表明：①增大顶张力、悬挂力均能减小管柱体系的横向最大承载参数,同等幅度下的顶张力对管柱横向承载参数的影响更明显;②随着海流流速的增加,管柱体系的最大横向位移、转角、弯矩增大明显;③随着平台漂移量的增加,管柱体系的最大转角和弯矩先减小后增大,即顺着海流方向使平台产生适当的漂移有助于减小管柱体系横向的最大承载参数。结论认为,该研究成果可对海上测试作业的安全控制提供理论支撑。     

流体作用下钻柱运动状态试验研究

考虑钻柱在井口、井底的位移边界条件和力边界条件,建立了直井内钻柱与钻井液耦合动力学试验装置,进行了不同激振频率、不同轴向激振力、不同排量条件下的杆柱振动试验和不同轴向激振力、不同转速、不同排量条件下的杆柱旋转试验。试验结果表明,激振频率、转速和循环流体是影响钻柱运动状态的主要因素。在空气介质的情况下,随着激振频率的增加,杆柱的横向位移基本保持不变,轴向激振力、轴向加速度有显著增加;在循环流体作用下会减小轴向激振力、轴向加速度的增长趋势。在空气介质的情况下,随着转速的增加,轴向激振力变化不大,而钻柱的横向位移、杆柱轴向加速度均呈现出增加的趋势;但在循环流体的作用下,轴向激振力、振幅及钻柱的加速度振幅都降低,加速度振幅也显著降低。可见,流体循环可明显改善杆柱振动。     

连续油管屈曲对环空摩擦压力损失的影响

针对带有非旋转屈曲内管柱的水平井,采用6种非牛顿流体,研究了连续油管管柱在3种流态区（层流区、过渡区和湍流区）和不同屈曲模式（正弦、过渡和螺旋）下对环空摩擦压力损失的影响,以及压力损失与流体流变性能（即屈服应力、粘稠指数和流动行为指数）之间的关系。结果表明,随着轴向压缩载荷的增加,摩擦压力损失显著降低。当使用具有更高屈服应力和更高剪切稀释能力的流体时,该效应更明显。此外,通过比较非压缩管柱和压缩管柱可以看出,随着轴向压缩载荷的增加,摩擦压力损失进一步减少。然而,对于低屈服应力、低粘稠指数、高流动性的流体,压缩管柱的影响则并不明显。     

深水高压气井开关井作业窗口分析

针对深水高压气井测试生产过程中频繁开关井作业诱发生产管柱耦合振动失效安全问题,以南海某深水高压气井为例,充分考虑管柱与天然气之间的泊松耦合和摩擦耦合作用,建立了深水高压气井生产管柱和天然气耦合振动模型,分析开关井作业过程生产管柱振动特性,建立并优化深水高压气井开关井作业窗口。研究结果表明:考虑流固耦合作用下管柱固有频率有所降低,不易发生"锁频"现象;开关井作业过程中管柱振动幅值随着天然气产量增大而增大;对于大产量油气井,延长开关井作业时间,并减小扶正器间距,可有效扩展开关井作业窗口,减少开关井作业对深水油气生产管柱的损伤。上述成果可为深水高压气井生产管柱设计及安全作业提供理论依据和工程指导。     

自由移动封隔器管柱变形量计算分析--封隔器管柱受力分析系统讨论(之四)

自由移动封隔器管柱是油气井封隔器完井的一种重要类型 ,在油气井封隔器管柱完井工艺中 ,井内压力、温度、流体发生变化后 ,自由移动封隔器管柱变形量计算是该封隔器管柱受力分析中十分重要的工作 ,是保证安全成功地进行完井作业的关键。文中对该封隔器管柱变形的有关问题进行了分析 ,对管柱变形量计算公式进行了推导和讨论 ,并给出了算例。     

深斜井注水管柱下放力学模型研究

为了研究深斜井注水管柱的受力情况,在前人研究的基础上建立了适合于深斜井注水管柱下放的力学模型,综合考虑管柱自重、摩阻力及液压力的作用,计算了直径段、弯曲段和稳斜段管柱的摩阻力和轴向力,同时计算了各井段井口的大钩载荷;提出了管柱顺利下放的判定依据,分析了管柱下放的影响因素,并结合实例验证了计算方法的正确性。分析结果表明,弯曲段下放的管柱摩阻力随着井斜角和摩擦因数的增大而增大,管柱下放到稳斜段时摩阻力随着摩擦因数、井斜角、管柱规格的增大而增大;弯曲段管柱的钩载与下放深度呈非线性关系,随着管柱在弯曲段下放角度的增大,钩载逐渐减小,且摩擦因数越大,钩载减小幅度越大。     

超深裸眼水平井完井模拟通井优化技术

由于水平井井深、水平段长、井眼条件差、通井管柱设计不合理等原因,通井管柱与完井管柱匹配度低、通井时效过长、通井管柱下入困难,增加了井控风险和作业成本。针对通井困难这一突出问题,通过理论分析,综合考虑井眼情况和完井管柱配置,分析了通井扶正器、通井管柱底部扶正器组合(BHA)和送入管柱对完井管柱安全入井的影响,提出了综合考虑井眼情况和完井管柱配置的个性化通井优化方案,即加长单扶通井,双扶通井BHA优化和增加送入管柱加重钻杆数等优化措施,为超深超长裸眼水平井完井管柱的顺利入井提供了技术支撑。     

试油井下管柱载荷测试器的研制及应用

为了验证试油井下管柱力学理论分析的准确性,创新研制了试油井下管柱载荷测试器。测试器由井下测试短节和地面参数预置、回放、处理系统两大部分组成。井下测试短节主要由内筒(应变筒)和外筒组成,与管柱连接在一起下井。根据材料力学和弹性力学理论,通过粘贴于内筒的轴向、环向、45°角应变片测出的应变信号可以导出轴向力、内压、扭矩等管柱载荷数值。应变信号经放大、A/D转化后存储于存储器中。试油结束,管柱与仪器出井后,回放、处理即可得到井下管柱载荷。制作的6只井下管柱载荷测试短节,下井进行了20井次现场测试,结果表明理论研究的计算结果与实测值的相对误差小于10%。