溢流关井时的水击压力及其影响因素

溢流关井的水击压力关系到能否关井，以及关井方式的选择。在对水击压力的基本计算方法进行讨论的基础上，推导出了直接水击压力计算式，分析了井口流速和水击波速对水击压力的影响规律。研究表明，水击压力随着水击波速、井口流速的增大而增大；“硬关井”、“软关井”、“半软关井”三种关井方式中，“硬关井”产生的水击压力最大，“软关井”最小；泡状流时的水击压力小于段塞流时的水击压力。这些认识对溢流关井水击压力的计算、溢流关井方式的选择等具有指导作用。     

“硬关井”水击压力计算及其应用

根据气侵后环空气液两相流分布特点及水击压力在气液两相流及单相流中传播特点，计算了“硬关井”情况下的水击压力变化情况。研究表明：对于气侵情况，硬关井引起的水击压力对井眼中下部影响很小，主要作用于井口装置；如果并口流速不太大，可以采用硬关并，以便减少地层流体进一步侵入。     

溢流关井水击压力数学模型研究

溢流关井水击压力的大小直接决定了现场是采用“软关井”、“半软关井”，还是“硬关井”的关井方式。从溢流关井实际情况出发，应用质量守恒原理、牛顿第二定律建立了气液两相流的溢流关井水击压力数学模型，采用基于特征线法的有限差分法求解数学模型，同时编制了相应的计算机程序并进行了实例计算。计算表明：①所建立的数学模型，适用于“软”、“半软”、“硬”关井的水击压力计算；②“硬关井”、“半软关井”、“软关井”井内水击压力逐渐减小；③井内压力波动由井口到井底逐渐减小，井内为气液两相流时产生的压力比单相流更小。为了便于油气田应用，建议在瞬态模型的稳态化方面开展进一步的研究。     

高含硫钻井软关井水击压力的ADINA模型

高含硫地质环境下钻井溢流发生时，及时关井非常重要，但关井产生的水击压力，可能使防喷器超压，而且易在井内最薄弱的环节发生压漏地层事故。通过对ADINA有限元软件的分析模拟计算，提出钻井溢流发生时关井的水击压力可用ADINA有限元软件来进行计算，模拟计算结果表明：“软关井”时水击压力波动较大，井口接近完全关闭时，水击压力突然增大；水击压力由井口到井底逐渐减小，井越深，井底作用的水击压力就越小。“软关井”水击压力的ADINA模型为关井水击压力的计算提供了新方法。     

井喷关井水击压力计算及可靠性分析

钻井过程中,发生了溢流或井喷,应立即关井。关井过程中,防喷器需经受关井产生的水击压力作用。该文对井喷喷流为天然气、钻井液和气液两相混合物三种情况下的关井水击压力进行分析计算,并以此进行了关井可靠性分析。分析认为,仅在井喷喷流为钻井液且喷流速度较大时,关井方式应选择“软关井”,以降低关井水击压力,其他情况应选择“硬关井”,以减少地层流体侵入。     

气侵硬关井时井口的安全性分析

本文重新推导了水击压力公式,对钻遇浅层气采用硬关井的情形进行模拟计算,从理论上证明硬关井时井口的安全性。     

气井多相流水击数学模型的建立和求解

针对气井关井瞬间产生的水击现象,由于井筒多相流和高压、高温以及天然气的强可压缩性特征,用于水力学的常规水击压力模型难以适用。基于水力学水击理论,分析气井水击机理,根据质量守恒定律和牛顿第二定律,建立由运动方程和连续性方程组成的描述气井多相流水击压力的数学模型;根据该方程属于拟线性双曲偏微分方程的特点,结合气井压力测试和应用需要,建立了两类边界条件:一类适用于通过井底压力计算井口及沿井深的水击压力,另一类适用于通过井口压力计算井底及沿井深的水击压力;通过特征线法对水击压力数学模型有限差分离散求解。计算结果与实测压力对比结果表明,水击压力模型能够精确地反映水击压力的大小、水击周期和水击衰减规律,从而提高压力恢复试井早期段数据质量,改善试井曲线拟合效果,提高试井解释准确度。     

高含硫气井关井后井口压力异常影响因素研究

高含硫气井关井后常呈现关井后井口压力上升和井口压力下降两种截然不同变化趋势。为了深入揭示高含硫气井关井后井口压力恢复异常变化的本质,通过建立开关井过程中气液两相非稳态变化模型,计算求解生产压差、水击压力、温度效应、重组分沉降和续流效应对气井关井后井口压力变化规律的影响。通过研究,揭示了高含硫气井关井后井口压力变化是受到多个因素的综合影响。关井后井口压力异常通常在小压差大产量气井发生,且井口压力异常在不同关井时期受到的影响因素略有不同。在关井初期,井口压力受到水击压力和重组分沉降的综合影响; 在关井中期,主要是重组分沉降影响; 在关井后期,则主要受到温度的影响。研究结论对于认识和指导高含硫气井实现井口测压代替井底测压开展动态监测工作提供了重要依据。     

水击现象与水击消除器

描述了水击现象产生的原因、传播过程及可能造成对设备的损害,介绍了水击压力的计算公式和选择水击消除器时计算设计容量的经验公式,提出了安装和使用水击消除器时的注意事项。     

海底液相管道水击压力动态计算研究

对于已确定的管道规格和输送工艺来说,影响海底管道动态水击分析的因素主要有管道输量变化及阀门动作的扰动等。为了研究上述因素的影响,在对国内外水击动态分析技术进行简要梳理的基础上,以渤海海域某海底注水管道为例,采用OLGA瞬态流分析软件对其进行了研究。结果表明,阀门关闭先后顺序对水击压力有一定的影响,且存在着一个使水击压力最大或最小的关阀顺序组合;延长关阀时间可以缓解水击增压,但是对于特定的管路,延长关阀时间对于缓解最大水击压力的作用可能并不明显;利用非线性的阀门关阀特性可以有效缓解关阀水击增压;水击增压与流速基本呈线性关系,可以按照流速评估水击增压的幅度。     

海上自喷油井关井井口压力预测方法

油井生产过程中紧急关井的井口压力是合理选择井口设备以及管线的重要依据,但目前缺乏该方面的理论计算方法。分析认为水击压力主要受关井瞬间流体流速、压力波传播速度和流体密度等3个因素影响,建立了水击压力及由井底压力恢复引起的井口压力变化的计算方法;综合考虑水击压力和关井压力恢复的影响,研究了生产油井紧急关井情况下井口压力的变化趋势。研究表明:中高渗地层的井口压力随着时间的增加而增大,关井时间越长,井口压力越大;低渗地层的井口压力会在短时间内突然增加。      

吸收振动抑或引发共振——空气罐在水力扰动系统中作用的模拟研究

采用波动法模拟研究了空气罐在水力扰动系统中的作用。用算例证明了不同的空气罐容积和安装位置对管道内压力脉动振幅具有吸收脉动或者引发共振的作用。研究结果对现场使用空气罐来控制水击提供了理论指导。     

炼油化工装置水锤事故分析及处理措施

当蒸汽或可凝气体与过冷的冷凝水或冷凝液接触并冷凝时,冷凝水或冷凝液的体积仅为相同质量原蒸汽或可凝气体体积的几百分之一甚至千分之一以下,导致原气相区域变为低压区域。由于压差作用,周边的冷凝水或冷凝液将以极高的速度冲向该区域,产生瞬时压力很大的冲击,并沿管道内存有冷凝水的部位向外传播,引起水锤(水击)发生。水锤会严重影响工业生产,极易导致安全事故发生,必须引起高度重视。结合几个具体实例说明了水锤事故的危害,分析了水锤事故发生的原因并提出了改正措施。对于蒸汽和冷凝水系统,水锤产生的压力和破坏程度是管内蒸汽压力、冷凝水过冷度、形成的汽泡尺寸、汽泡内不凝气体含量的函数。一般而言,产生的压力和破坏程度随前3项的增大而增大,随后一项的增大而降低;不应将蒸汽送至含过冷冷凝水的管线中;在发生水锤事故时应首先关闭蒸汽进料阀,再打开冷凝水放凝阀。对于可凝气体和冷凝液系统,在设计或操作时应避免可凝气体快速冷凝而引起的水锤事故,特别是对塔压热旁路控制方案,应做到冷凝液和热旁路气体分别进回流罐液相和气相部分,两者互不混合。     

底水油藏的压锥效果分析

底水锥进是影响底水油藏开发效果的重要因素。底水锥进常常使油井过早见水、含水上升迅速、产量递减加快。关井压锥是人们常常想到的抑制底水锥进的方法之一,但压锥效果并不理想。因此,从理论上分析了压锥效果差的原因：底水锥进的动力为油井的生产压差,水锥动力强,水锥速度快,而压锥的动力为地层的水油重力差,压锥动力弱,压锥速度慢。还通过数值模拟方法对压锥效果进行了研究,模拟结果显示,压锥后油井的含水快速升高至压锥前的水平,油井产量虽略有提高,但与压锥期间油井关井损失的产量相比,仍然得不偿失。建议矿场上不要采用关井压锥的方法来克服底水锥进带来的不利影响。     

体积压裂水锤效应对页岩气井屏障完整性影响及对策

体积压裂过程中井屏障完整性失效问题突出。基于页岩气井体积压裂技术特点和MIT24臂井径测井数据,分析了页岩气井压裂过程井屏障系统及其失效模式。根据水力学原理,体积压裂砂堵、停泵瞬间过程井筒内流体流速突变产生水锤效应,水锤压力在井筒内以斯通利波形式沿固?液界面传播。综合考虑水锤压力及流体压缩力因素影响,建立了水锤效应发生过程井筒流体最大波动压力计算模型;分析了压裂砂堵停泵瞬间水锤效应引起的井筒流体压力变化特征及其对套管安全强度系数的影响。研究表明:体积压裂砂堵停泵过程最大水锤压力达31.88 MPa;考虑水锤效应影响,套管的抗挤强度系数降低至0.95。综合考虑页岩气地层滑移错动、套管低温收缩导致抗挤能力降低等情况,体积压裂过程在不均匀外挤载荷影响下足以导致套管发生局部损坏。基于以上研究结果,提出井筒流体压力波动的施工对策,对基于体积压裂完井方式的页岩气井屏障完整性管理具有指导意义。     

防流体倒灌的新型泡沫锤研制及其应用

空气锤在油气田研磨性地层提速和高陡地层防斜应用中逐步成熟,但还存在出液地层钻井作业受井底压力的影响而出现输出功率低甚至不工作,以及停止循环时地层液体倒灌气缸而污染空气锤的问题。为此,研制出了同时适应于气体(干气)和雾化泡沫(湿气)钻井介质、具备防止井下流体倒灌的新型泡沫锤。该泡沫锤与空气锤相比,优化了气室结构以保证气体和雾化泡沫钻井介质的输出功率;新增的防倒灌装置在接单根时,依靠泡沫锤阀体与液体当量密度差推动阀体向上运行,可封闭地层流体进入泡沫锤的通道。在松辽盆地徐深气田外围的肇深17井下白垩统泉头组、登娄库组开展了现场试验,泡沫锤在气体介质条件下相比常规钻井机械钻速提高6.5倍,相比气体牙轮钻井提高1倍;在泡沫介质条件下相比常规钻井机械钻速提高2倍且钻进过程未发生井底流体倒灌现象。试验结果表明,所研制的泡沫锤在气体介质条件下相比空气锤输出功率未降低且具备了适应雾化泡沫钻井介质和防井下流体倒灌的能力。     

带空气锤的空气钻井破岩机理

国内外对空气钻井的井壁稳定性、最小体积流量、地层出水和井斜的控制、提高钻速的机理等方面作了深入的研究,但对破岩机理的研究却较少。为了弄清楚空气钻井尤其是带空气锤的空气钻井破岩机理, 依据空气钻井中的专用钻具空气锤的工作特性及其破岩特点,从井底破碎坑的分布、岩石的破碎形态两个方面对岩石破碎、空气钻井破岩机理进行了定性与定量分析,分析了空气钻井的工艺参数与空气锤的工作参数对破岩的影响,进而建议开展空气钻井破岩机理仿真、实验台架研制及专用空气钻井设备选型的研究工作。     

空气锤钻井机械比能计算方法

空气锤钻井是目前硬质岩层钻井提速提效的重要工艺,为了实时评价空气锤钻头的工作效率,提高钻井施工可控性,对空气锤钻井机械比能计算方法进行了研究。基于前人提出的机械比能相关理论,分析了空气锤钻头机械结构和钻进机理,引入冲击效率和冲击速度等参数修正完善机械比能计算模型,并提出能量传递效率η_tr,辅助分析空气锤钻井效率。根据以上理论模型,研制了空气锤钻井机械比能计算软件,可综合利用钻井参数、岩石力学参数、机械比能、能量传递效率等多种连续曲线剖面科学评估空气锤钻头的钻井效率,并采用元坝区域的钻井数据进行验证。结果表明,该计算方法得到的空气锤机械比能和能量传递效率对钻井效率的评价基本与现场实际情况相符,本文所研究的方法对评价空气锤钻井效率、优化钻井参数和钻后分析具有重要意义。