水锤激励下压裂管柱振动响应特性研究

启停泵工况下,由于边界条件突变,压裂管柱内初始流动平衡体系被打破,产生水锤现象,从而造成管内液体流动参数随时间突变。水锤现象将引起管柱的剧烈振动,严重时甚至会造成管柱破裂与失效。为定量分析启停泵工况下压裂管柱的水锤效应及振动响应,建立了压裂液-管柱的流固耦合四方程模型,采用特征线法和空间插值法分析了井口及不同井深处管柱内的流速、动压力、轴向振动速度以及轴向附加应力的变化规律。研究结果表明:启泵过程中,由于压裂泵组排液流量具有一定周期性,会引起压裂管内液体流动压力变化,从而产生管柱附加应力,可能引发管柱振动;压裂液的压力波动值及管柱轴向振动速度随着井深的增加而减小。停泵阶段,受管内液体压力积聚影响,井口附近产生水锤压力波,并向井下传播,此时井口压力变化值最大,井底最小。此外,受管内压力变化影响,压裂管柱产生附加轴向拉力,且井口处最大、井底处最小。相较启泵工况,停泵工况更容易对管柱产生破坏。     

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。