深水高壓氣井測(cè)試生產(chǎn)中的開(kāi)關(guān)井作業(yè)窗口分析

楊穎

摘 要：隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)對(duì)能源的需求量在不斷的增加，同時(shí)也面臨著越來(lái)越嚴(yán)重的能源緊張形勢(shì)，為了緩解能源的緊張形勢(shì)，就需要對(duì)能源的開(kāi)采渠道進(jìn)行拓寬，并提高能源開(kāi)采的效率，從而緩解國(guó)內(nèi)發(fā)展所存在的能源危機(jī)。

關(guān)鍵詞：深水高壓氣井；測(cè)試生產(chǎn)；開(kāi)關(guān)井作業(yè)窗口；管柱；耦合振動(dòng)模型

1 建立管柱流固耦合振動(dòng)模型

1.1 相關(guān)數(shù)學(xué)模型分析

在進(jìn)行深水高壓氣井測(cè)試生產(chǎn)的過(guò)程中，由于作業(yè)環(huán)境的影響需要進(jìn)行頻繁的開(kāi)關(guān)井作業(yè)，這就會(huì)改變管柱內(nèi)部油氣流動(dòng)的狀態(tài)，并且導(dǎo)致管柱發(fā)生相應(yīng)的耦合振動(dòng)。對(duì)深水高壓氣井生產(chǎn)管柱進(jìn)行簡(jiǎn)化，使之成為具有橫截面的Euler-Bernoulli梁模型，并對(duì)該模型進(jìn)行相應(yīng)的假設(shè)：管柱的線(xiàn)彈性在各個(gè)方向上都是同性，在橫向上會(huì)存在微小的變形；其內(nèi)部的氣體是一種無(wú)黏流體；對(duì)管柱的剪切時(shí)產(chǎn)生的變形可以忽略。對(duì)氣體和管柱之間泊松耦合和摩擦耦合效應(yīng)的考慮，就可以用以下的動(dòng)力學(xué)微分方程進(jìn)行分析：

[ρP][AP][d2Ydt2]+[ρf][Af][d2Ydt2]+[Af][dpdt][dTdt]/[c2]+2[ρf][Afvf][dYdt][dTdy]+[ρf][Af][dvfdt][dYdy]+[[ρf][A][fv2f]+（1-2y）[ρ][Af]-E[AP]][d2Ydt2]+4[λ][ρfv2f][ρ][Af] /（DK）+[ρf][Af]（[dvfdt]+[vf][dvfdy]+）[Af][dpdt][vf] /[c2]+[ρP][AP]g+[ρf][Af]g=0

1.2 對(duì)開(kāi)關(guān)井閥門(mén)的控制

在進(jìn)行深水油氣測(cè)試生產(chǎn)的過(guò)程中，需要對(duì)井口的控制閥門(mén)進(jìn)行開(kāi)啟，這時(shí)候地層的油氣流才會(huì)進(jìn)入到生產(chǎn)管柱中，慢慢處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)。在進(jìn)行更換油嘴進(jìn)行產(chǎn)量變更或者突然發(fā)生某些情況時(shí)，需要進(jìn)行關(guān)井作業(yè)，這時(shí)候管柱內(nèi)的油氣流的速度就會(huì)逐漸下降到0。利用數(shù)學(xué)相關(guān)思想方法，設(shè)井口閥門(mén)的開(kāi)井函數(shù)和關(guān)井函數(shù)分別為：

[fop]（t）=[（ttc）1.51，t>tc]，[t≤tc]

[fcl]（t）=[（1-ttc）1.50]

在上述的公式中，[fop]是作為開(kāi)井過(guò)程中井口閥門(mén)的控制函數(shù)；而[fcl]是作為關(guān)井過(guò)程中井口閥門(mén)的控制函數(shù)；[tc]代表的是完全打開(kāi)或者關(guān)閉井口閥門(mén)的時(shí)間，單位為s。對(duì)于開(kāi)關(guān)井過(guò)程中油氣的產(chǎn)量[qSC]則滿(mǎn)足以下的關(guān)系式：

[qSC]=[qoscfop（t）， 開(kāi)井過(guò)程qoscfcl（t）， 關(guān)井過(guò)程]

在上述關(guān)系式中[qosc]表示的是開(kāi)井后或者關(guān)井前穩(wěn)定的油氣產(chǎn)量。

1.3 相關(guān)邊界條件分析

在進(jìn)行深水高壓氣井測(cè)試生產(chǎn)的過(guò)程中，如果將生產(chǎn)管柱的兩端簡(jiǎn)化成固定端，那么管柱的邊界條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下列公式：

[x（0，t）=0，?x?zz=0x（L，t）=0，?x?zz=L]

通過(guò)利用相應(yīng)的分析軟件，建立起管柱和天然氣流固耦合相關(guān)的有限元模型，對(duì)每個(gè)時(shí)間步內(nèi)各單元的矩陣以及等效節(jié)點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，結(jié)合邊界條件對(duì)有限元方程進(jìn)行求解。

2 管柱振動(dòng)時(shí)的固有頻率

假定載荷矩陣為零，對(duì)生產(chǎn)管柱耦合系統(tǒng)的自由振動(dòng)特征值和特征向量進(jìn)行計(jì)算，能夠進(jìn)一步得到管柱前六階歸一化振動(dòng)。深水高壓油氣生產(chǎn)管柱的形態(tài)一般細(xì)長(zhǎng)又較大，管柱的頂部一直會(huì)受到一種張力的作用，由于受到相關(guān)重力的影響，隨著水的深度的不斷增加，管柱的軸向張力會(huì)逐漸的降低，從而對(duì)管柱的剛度矩陣造成一定的影響，沿著水深的方向，管柱的振型的極值會(huì)會(huì)逐漸的加大。當(dāng)管柱的振幅達(dá)到極值的相關(guān)區(qū)域時(shí)，就比較容易發(fā)生管柱斷裂的情況，這對(duì)工作人員來(lái)說(shuō)，是在生產(chǎn)管柱設(shè)計(jì)過(guò)程中需要特別注意的問(wèn)題。

3 開(kāi)關(guān)井過(guò)程的振動(dòng)響應(yīng)分析

對(duì)開(kāi)井后逐漸穩(wěn)定的天然氣產(chǎn)量進(jìn)行采取時(shí)，分析生產(chǎn)管柱中點(diǎn)瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間歷程，當(dāng)開(kāi)關(guān)井的閥門(mén)開(kāi)啟后，井下的壓力在這時(shí)會(huì)得到突然的釋放，會(huì)產(chǎn)生一種不穩(wěn)定的高壓氣流，進(jìn)而造成深水生產(chǎn)管柱產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)響應(yīng)，在這個(gè)過(guò)程中，管柱的振動(dòng)響應(yīng)會(huì)發(fā)生脈動(dòng)交變，并且出現(xiàn)逐漸衰減的現(xiàn)象。在閥門(mén)開(kāi)啟的一瞬間，管柱的振動(dòng)會(huì)得到急劇地增加，慢慢的在結(jié)構(gòu)和流體阻尼的作用下，管柱的振幅會(huì)逐漸的減小，在閥門(mén)完全處于開(kāi)啟的狀態(tài)后，深水油氣生產(chǎn)管柱仍然會(huì)發(fā)生相應(yīng)的振動(dòng)，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后振幅才會(huì)慢慢減小為0，這時(shí)候管柱內(nèi)部的天然氣的流動(dòng)狀態(tài)也會(huì)逐漸的穩(wěn)定。

4 深水高壓氣井測(cè)試生產(chǎn)中開(kāi)關(guān)井作業(yè)窗口分析

4.1 確定開(kāi)關(guān)井作業(yè)窗口的流程

在對(duì)深水高壓氣井測(cè)試生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)井作業(yè)窗口進(jìn)行確定時(shí)，首先需要獲得深水油氣生產(chǎn)管柱的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和油氣井的相關(guān)詳細(xì)參數(shù)，在這個(gè)基礎(chǔ)上建立管柱內(nèi)流固耦合的分析模型。對(duì)于每個(gè)工況，分析生產(chǎn)管柱的耦合動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)管柱激振響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行提取，然后參考管柱系統(tǒng)中內(nèi)外管柱之間的間隙，進(jìn)而對(duì)開(kāi)關(guān)井作業(yè)的可行性進(jìn)行判斷。通過(guò)不斷對(duì)開(kāi)關(guān)井作業(yè)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行耦合分析模型的更新，一直到找到相應(yīng)的臨界作業(yè)時(shí)間。組合不同產(chǎn)量下的允許作業(yè)參數(shù)，就能夠確定深水油氣生產(chǎn)管柱的開(kāi)關(guān)井作業(yè)窗口。

4.2 分析不同張力比下的開(kāi)關(guān)井作業(yè)窗口

針對(duì)深水油氣生產(chǎn)管柱開(kāi)關(guān)井作業(yè)，在不同的天然氣產(chǎn)量下進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)態(tài)分析，能夠得到在不同張力比下開(kāi)關(guān)井的極值安全作業(yè)時(shí)間。生產(chǎn)管柱的開(kāi)關(guān)井作業(yè)窗口對(duì)天然氣的產(chǎn)量具有極為敏感的特點(diǎn)，在天然氣產(chǎn)量不斷增加的過(guò)程中，開(kāi)關(guān)井作業(yè)窗口的極值安全作業(yè)時(shí)間也會(huì)加大。通過(guò)分析不同張力比下的開(kāi)關(guān)井作業(yè)窗口，可以發(fā)現(xiàn)隨著張力比的不斷增加，開(kāi)關(guān)井作業(yè)窗口也會(huì)逐漸增加。分析圖中的數(shù)據(jù)能夠總結(jié)出一個(gè)特點(diǎn)：提高頂張力有助于減小開(kāi)關(guān)井過(guò)程極值安全作業(yè)時(shí)間。較大的頂張力能夠有效增加管柱的剛度，降低其振動(dòng)幅值，有效降低管柱和立管之間的接觸和碰撞，從而能夠很好地降低開(kāi)關(guān)井的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

5 總結(jié)

綜上所述，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及對(duì)能源的大量需求，需要進(jìn)行深水油氣開(kāi)發(fā)和利用。在進(jìn)行深水高壓氣井測(cè)試生產(chǎn)的過(guò)程中，通過(guò)建立管柱流固耦合振動(dòng)模型，對(duì)管柱開(kāi)關(guān)井作業(yè)振動(dòng)特性進(jìn)行了分析，包括管柱的振動(dòng)時(shí)的固有頻率和開(kāi)關(guān)井過(guò)程的振動(dòng)響應(yīng)，最后分析了深水高壓氣井測(cè)試生產(chǎn)中開(kāi)關(guān)井作業(yè)窗口，從而為深水高壓氣井測(cè)試生產(chǎn)中管柱的設(shè)計(jì)以及作業(yè)的安全提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉秀全，劉康，劉紅兵，陳國(guó)明，孟文波，呂濤.深水高壓氣井開(kāi)關(guān)井作業(yè)窗口分析[J].中國(guó)海上油氣，20164）：88～93.

[2] 楊書(shū)輝，張昊，喬宇.深水高產(chǎn)氣井測(cè)試實(shí)踐與工藝分析[J].中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2016（2）：272.

[3] 張偉國(guó)，韋紅術(shù)，暢元江，李家儀，逄淑華.深水水下井口完井作業(yè)窗口分析[J].石油鉆采工藝，2015（6）：44～48.