储气库注采管柱静、动力学安全性评价及软件开发

在储气库高速交变注采的特殊工况下,注采管柱的力学强度安全性将变得非常复杂。为了准确方便地评价注采管柱的力学强度的安全性问题,开展了储气库注采管柱静、动力学安全性评价研究,并开发了相应的评价软件。首先,根据注采管柱的实际结构和受力特点,建立了封隔器对管柱作用力的计算模型和注采管柱振动的有限元模型,通过模态分析,研究了带封隔器管柱的固有频率和振型;在模态分析的基础上,对储气库注采管柱进行了瞬态动力学研究,分析了距封隔器不同距离管柱的振动位移、速度和加速度的变化规律;根据不同时刻管柱的轴向力和应力分析,计算得到了注采管柱的动力学安全系数;最后,开发了储气库注采管柱静、动力学强度安全性评价软件,该软件包括数据库模块、管柱静力学分析模块、管柱动力学分析模块和管柱安全性评价模块,为储气井注采参数的优化或优选以及注采管柱安全的运行提供参考。     

新型强注强采完井管柱的研究与试验

地下储气库短期调峰所需注采气量过高,存在冲蚀风险,导致常规气井完井管柱难以满足储气库高气量、强注强采要求,并且注采交变应力周期变化致使多数储气库井套管带压,难以保证储气库长寿命安全注采。为此,设计了新型强注强采完井管柱及配套工具。根据不同缩径尺寸对管柱冲蚀的影响,优化井下安全阀上、下两端冲蚀流动短节内径,应用可移除封隔器配合预应力完井可以减小交变应力对封隔器上、下端卡瓦的影响。利用PIPESIM和WELLCAT等软件模拟注采气、坐封和套管试压等不同工况下封隔器的受力,管柱收缩长度及管柱整体强度,为优化工具尺寸及补偿预应力提供了理论与数据支持。新型强注强采完井管柱已在现场成功试验11井次,作业成功率100%,注气阶段各功能正常,说明注采气完井管柱设计合理,能够满足储气库强注强采及安全控制要求。     

天然气地下储气库注采完井工艺

简述了地下储气库的类型。对枯竭型地下储气库、完井管柱结构、注采完井管柱结构及施工工艺进行了介绍；对盐穴型地下储气库有溶腔和无溶腔注采完井作业施工工艺进行了系统分析，为国内地下储气库的建设提供了指导和借鉴。     

基于多弹簧—空间梁有限元模型的海上热采管柱力学分析

海上稠油多元热流体热采过程中,高温、高压环境给作业管柱的安全带来很大威胁,而目前并没有针对多元热流体热采作业管柱的受力分析方法来分析井下管柱受力情况,以进行强度校核和工具设计。本文采用多弹簧—空间梁有限元方法建立了海上热采管柱受力分析模型,解决了作业过程中管柱—井筒非线性接触问题,形成了海上热采管柱力学分析有限元方法,并通过计算软件实例分析了海上某热采井作业过程中管柱结构力学参数,获得了随井深变化的管柱径向位移、摩擦力、轴力及安全系数,为后期热采管柱设计和校核提供方法。     

地下储气库注采管柱密封试验研究

为了研究注采管柱在交变载荷下的密封性能,评价注采管柱气密封螺纹对储气库井工况的适用性,通过研究储气库井工况下注采管柱所受载荷的变化情况,在实验室内进行注采管柱气密封循环试验。以177.80 mm×9.19 mm的气密封螺纹套管为例,按标准密封循环试验和多周次气密封循环试验分别进行。试验结果表明,依据API RP 5C5标准进行的套管气密封试验不满足储气库井多次注采作业和压力的变化需求;在拉伸-压缩载荷交变循环过程中,注采管柱在注采压力下的耐压缩能力较低,且经过多周次交变循环后其额定密封承载能力下降。     

地下储气库注采管柱气密封螺纹接头优选

为解决国内地下储气库井注采管柱气密封螺纹接头选用混乱且适用性不清的问题,首先对现有标准和气密封试验数据进行统计比对分析,发现各种气密封螺纹接头的拉伸效率相同,但其压缩效率差异大且现有标准已不适用于储气库注采管柱气密封螺纹接头的选择,认为注采管柱气密封螺纹接头的选择必须考虑管柱载荷的交变;然后结合2口储气库井注采工况,基于管柱力学理论计算获得2种规格注采管柱的最大拉伸载荷和最大压缩载荷,对比已选用的气密封螺纹接头,重点研究了接头拉伸效率、压缩效率与管柱载荷之间的关系,提出了注采管柱气密封螺纹接头优选判据;进一步利用全尺寸实物复合加载试验机对2种规格注采管柱进行多周次气密封循环试验,试验结果证实了上述判据的合理性。所提出的优选判据不仅可以作为气密封螺纹接头优选的基本依据,而且还可以作为储气库井注采管柱设计的依据,并纳入了中国石油天然气行业标准。     

交变载荷对苏4储气库注采管柱安全性影响研究

随着储气库的注采运行,注采管柱承受周期性的交变载荷。现有注采管柱安全性研究多未能考虑并模拟交变载荷工况。如何解决运行阶段注采管柱的强度校核与设计问题是亟待解决的问题。采用有限元仿真模拟技术,分别建立苏4储气库注采管柱和气密封扣三维模型;按照储气库的实际运行工况加载边界条件,模拟在多个运行周期内注采管柱本体强度和气密封扣的密封性变化;采用塑性应变疲劳理论,研究注采管柱的疲劳寿命。研究发现,在苏4储气库注采工况下,注采管柱强度和密封性能可满足要求;丝扣螺纹的齿根部位易产生塑性累积发生疲劳破坏;注采管柱的疲劳寿命大于注采周期,可满足要求。     

套管柱和注汽管柱热弹性力学分析

结合固井和热采过程,分析了套管和注汽管柱在井内的受力状态,导出了注汽过程中套管和注汽管柱内各种应力的计算公式,给出了套管和注汽管柱强度校核方法。     

不同形式插管封隔器分段压裂管柱力学分析

部分非常规油气井会采用插管封隔器分段压裂管柱进行分段压裂完井。为了保障该管柱在分段压裂过程中能够安全可靠,研究了不同形式下插管封隔器分段压裂管柱的受力情况。以最典型的插管封隔器分段压裂管柱为研究对象,利用管柱轴向位移与变形理论得到了管柱总位移的计算模型。通过归纳分析管柱在分段压裂过程中的受力情况,建立了插管封隔器分段压裂管柱强度校核模型。以国外某油田油井的实际数据为例,计算了不同形式下插管封隔器分段压裂管柱的各种效应和强度校核结果。研究结果表明,不同形式的插管封隔器分段压裂管柱所对应的各种效应的数值和强度校核安全系数不同,并且地层破裂压力越高,管柱的回接形式对管柱安全的影响越大。该研究为同类型插管封隔器分段压裂管柱的受力分析提供了一定依据。     

地下储气库油管轴向变形安全评价研究

地下储气库在天然气供需关系中发挥着季节调峰,平衡管网压力和战略储备的重要作用。周期性地循环注采和强注强采工况是储气库现行的工作环境。由于压力、温度、气量的不断变化,储气库注采气井管柱受高压气体,循环交变载荷,冲蚀等多种因素影响,存在气井管柱失效风险。所以开展对管柱受力、变形分析研究,计算管柱在不同工况下安全系数,制定合理生产范围,对储气库安全、平稳、经济、高效的运行有重要意义。以地下储气库直井为例,管柱在轴向上受到"温度、胡克、活塞、鼓胀、螺旋弯曲"五种效应共同作用,通过Well Cat软件,计算管柱在不同工况下五种效应产生的轴向变形量以及管柱的抗拉、抗挤、抗内压安全系数。通过研究表明,受封隔器制约,五种效应综合形变为零,安全系数大于设计要求。     

CO2注采井油管柱服役安全状态评价方法

针对CO₂注采井油管柱因腐蚀失效而频繁更换的问题,研究了适用于CO₂注采井井筒环境的CO₂腐蚀速率预测模型及管柱力学分析方法,分析讨论了CO₂注采井工况、产出液含水率等因素随时间的变化对CO₂注采井油管柱腐蚀速率及承受载荷的影响,结合管柱腐蚀剩余强度计算方法,建立了CO₂注采井油管柱服役安全状态评价方法,并进行了实例计算和比较。结果表明,针对CO₂注采井油管柱腐蚀预测,DW-95模型有较好的适用性,生产阶段为CO₂注采井腐蚀发生主要阶段及安全状态评价的主要对象;管柱安全服役时间与其腐蚀速率及承受载荷呈负相关,且管柱抗压安全服役时间为管柱最小安全服役时间,是安全状态评价的主要依据,以此为标准可确定管柱更换周期,优化CO₂注采井吞吐周期,指导现场安全生产。     

地下储气库井管柱沿程流体状态数值模拟

确定注采过程中天然气在油管柱内的运动状态是分析储气库井管柱受力、确定冲蚀位置的关键。根据井身结构和运行参数建立天然气流经储气库定向井油管柱过程的物理模型,通过数值试验研究造斜段管柱内沿程速度、涡量和近壁压力分布;分析注采压差、井斜角及油管内径对管柱近壁压力的影响规律。结果表明:油管柱内流体状态受注采压差和井身结构影响,天然气流速和近壁压力在流入流出造斜段时发生波动;管柱沿程速度和动压随井深增大而减小,冲蚀点位置出现在造斜段流入端和流出端管柱中心线与最大狗腿角位置径向线的连线上;随着注采压差增大,流入端和流出端弯曲外侧和内侧平均压程比均明显增大;随着井斜角增大,流入端弯曲外侧和内侧的平均压程比增大,流出端弯曲外侧和内侧的平均压程比减小;随着油管内径增大,流入端弯曲外侧和内侧的平均压程比减小,流出端弯曲外侧和内侧的平均压程比增大。     

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。     

实验设计方法在气井完井管柱选择中的应用

当深层高温高压气井采用酸压措施生产一体化管柱完井投产时,既要防止管径太小酸化压裂时摩阻太大导致井口施工压力太大,影响井口的安全性,也要防止管径太大井筒携液能力差,使气井过早停喷,因此需要选择合理的完井管柱或完井管柱组合。通过利用实验设计软件对影响气井井口施工压力的4个主要参数进行优化设计,在优化设计的基础上对设计出的14种参数组合进行了井口施工压力计算,并进一步回归出了井口施工压力计算方程,经与实际计算的结果对比,模型的平均相对误差为0.24%,同时还利用优化设计得到了不同井深不同管柱组合下的井口施工压力曲线图版,可以从图版上很直观地选择管柱。运用该方法可以计算不同参数组合下的井口施工压力并进行敏感性分析,也可以对新井进行管柱优化设计。     

连续油管动态监测技术在相国寺储气库中的应用

储气库注采井注采能力是储气库工程设计中的关键参数,决定了储气库的最大应急调节能力,对已完钻的注采井开展准确的注采能力评价就显得尤为重要。针对相国寺储气库注采井大井斜角、长水平段、复杂注采管柱结构和强注强采等特点,开展动态监测技术适应性分析,优化连续油管动态监测工具及施工方案,并进行了2口注采井在高注气量条件下的连续油管动态测试现场施工作业,获取了动态监测数据。对现场施工工艺、配套工具及监测数据评价分析表明,连续油管动态监测技术可满足储气库注采井动态监测施工要求,录取的的数据真实可靠,能为注采井最大调峰能力的确定和注采井的调整提供充分的依据,对类似储气库注采井动态监测工作具有借鉴意义。     

直井油管柱有重始弯压力研究

直井油管柱无重始弯压力问题已在文献［ １ ］ 讨论, 但是由于油气井中的油管柱弯曲都是有重弯曲, 直井油管柱无重始弯压力还不能直接在油气井油管柱弯曲中应用, 因此需要在直井油管柱无重始弯压力公式基础上得出直井油管柱有重始弯压力公式。文中先介绍油管柱有重弯曲概念, 其次对油管柱无重弯曲和有重弯曲的特征进行对比, 再次介绍有重弯曲和无重弯曲始弯压力之间的关系, 介绍弯曲段上端处的压力, 最后对完全自重弯曲长度, 无重弯曲条件和无重弯曲极限长度, 直井油管柱的几种弯曲形式等进行讨论。     

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。     

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。     

动态载荷作用下UGS管柱非线性屈曲特性研究

为探究动态载荷作用下地下储气库(UGS)受压段管柱非线性屈曲特性,根据储气库井筒结构特点,建立了柔性约束下UGS管柱非线性屈曲力学模型,采用慢动力法阶跃式施加管柱外载荷,并结合考虑接触的管柱屈曲动力学方程,分析了动态载荷作用下管柱的非线性屈曲特性。以UGS-ZY11井现场数据为例,通过ABAQUS模拟计算进行对比研究,并分析储库产量和管径等因素对管柱非线性屈曲的影响,从而获得动态载荷作用下管柱屈曲演变过程和套管接触压力分布特点。研究结果表明:对于同一生产条件,动态载荷作用下管柱中和点到封隔器处的管柱处于连续非均匀的屈曲状态;管柱受力变形初始阶段,环空压力对其与套管壁接触存在“软约束”;随着储库产量和管径的增加,管柱屈曲变形过渡时间越短,管柱越容易发生螺旋变形;动态载荷作用下诱发管柱振动,导致径向位移较小的油管柱与套管壁发生接触,将加剧油套管损伤失效破坏,在管柱安全生产设计和运行时应做出相应的安全措施。研究结果为深入开展动态载荷作用下UGS管柱非线性屈曲特性研究提供了一种新的思路和方法。     

油管柱在套管中的屈曲行为试验研究

油管柱在套管中的屈曲行为对油气生产有重要影响。依据相似理论,采用1:10的比例尺以缩小的油管、套管模型进行了3组试验,安装分别为:①油管和套管上下同心; ②油管上部偏心2.5 mm; ③油管上下都朝同一个方向偏心2.5 mm。每次试验时都在油管的一端连续施加轴向载荷,测试油管另一端的轴向载荷。分析不同条件下摩擦力的变化,研究结果表明:管柱受压屈曲会导致摩擦力增大; 管柱相对套管的偏心对轴向力的分布影响很小; 证明了管柱力学分析理论中轴向力计算时油管与套管同心的假设是合理的。