楊穎

摘 要：隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進步，我國對能源的需求量在不斷的增加，同時也面臨著越來越嚴重的能源緊張形勢，為了緩解能源的緊張形勢，就需要對能源的開采渠道進行拓寬，并提高能源開采的效率，從而緩解國內(nèi)發(fā)展所存在的能源危機。

關(guān)鍵詞：深水高壓氣井；測試生產(chǎn)；開關(guān)井作業(yè)窗口；管柱；耦合振動模型

1 建立管柱流固耦合振動模型

1.1 相關(guān)數(shù)學(xué)模型分析

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

[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 對開關(guān)井閥門的控制

在進行深水油氣測試生產(chǎn)的過程中，需要對井口的控制閥門進行開啟，這時候地層的油氣流才會進入到生產(chǎn)管柱中，慢慢處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)。在進行更換油嘴進行產(chǎn)量變更或者突然發(fā)生某些情況時，需要進行關(guān)井作業(yè)，這時候管柱內(nèi)的油氣流的速度就會逐漸下降到0。利用數(shù)學(xué)相關(guān)思想方法，設(shè)井口閥門的開井函數(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]是作為開井過程中井口閥門的控制函數(shù)；而[fcl]是作為關(guān)井過程中井口閥門的控制函數(shù)；[tc]代表的是完全打開或者關(guān)閉井口閥門的時間，單位為s。對于開關(guān)井過程中油氣的產(chǎn)量[qSC]則滿足以下的關(guān)系式：

[qSC]=[qoscfop（t）， 開井過程qoscfcl（t）， 關(guān)井過程]

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

1.3 相關(guān)邊界條件分析

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

[x（0，t）=0，?x?zz=0x（L，t）=0，?x?zz=L]

通過利用相應(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，對每個時間步內(nèi)各單元的矩陣以及等效節(jié)點應(yīng)力進行相應(yīng)的計算，結(jié)合邊界條件對有限元方程進行求解。

2 管柱振動時的固有頻率

假定載荷矩陣為零，對生產(chǎn)管柱耦合系統(tǒng)的自由振動特征值和特征向量進行計算，能夠進一步得到管柱前六階歸一化振動。深水高壓油氣生產(chǎn)管柱的形態(tài)一般細長又較大，管柱的頂部一直會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，管柱的軸向張力會逐漸的降低，從而對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會逐漸的加大。當管柱的振幅達到極值的相關(guān)區(qū)域時，就比較容易發(fā)生管柱斷裂的情況，這對工作人員來說，是在生產(chǎn)管柱設(shè)計過程中需要特別注意的問題。

3 開關(guān)井過程的振動響應(yīng)分析

對開井后逐漸穩(wěn)定的天然氣產(chǎn)量進行采取時，分析生產(chǎn)管柱中點瞬態(tài)響應(yīng)時間歷程，當開關(guān)井的閥門開啟后，井下的壓力在這時會得到突然的釋放，會產(chǎn)生一種不穩(wěn)定的高壓氣流，進而造成深水生產(chǎn)管柱產(chǎn)生相應(yīng)的振動響應(yīng)，在這個過程中，管柱的振動響應(yīng)會發(fā)生脈動交變，并且出現(xiàn)逐漸衰減的現(xiàn)象。在閥門開啟的一瞬間，管柱的振動會得到急劇地增加，慢慢的在結(jié)構(gòu)和流體阻尼的作用下，管柱的振幅會逐漸的減小，在閥門完全處于開啟的狀態(tài)后，深水油氣生產(chǎn)管柱仍然會發(fā)生相應(yīng)的振動，在經(jīng)過一段時間后振幅才會慢慢減小為0，這時候管柱內(nèi)部的天然氣的流動狀態(tài)也會逐漸的穩(wěn)定。

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

4.1 確定開關(guān)井作業(yè)窗口的流程

在對深水高壓氣井測試生產(chǎn)的開關(guān)井作業(yè)窗口進行確定時，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)詳細參數(shù)，在這個基礎(chǔ)上建立管柱內(nèi)流固耦合的分析模型。對于每個工況，分析生產(chǎn)管柱的耦合動態(tài)響應(yīng)，對管柱激振響應(yīng)結(jié)果進行提取，然后參考管柱系統(tǒng)中內(nèi)外管柱之間的間隙，進而對開關(guān)井作業(yè)的可行性進行判斷。通過不斷對開關(guān)井作業(yè)時間進行調(diào)整，進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)管柱的開關(guān)井作業(yè)窗口。

4.2 分析不同張力比下的開關(guān)井作業(yè)窗口

針對深水油氣生產(chǎn)管柱開關(guān)井作業(yè)，在不同的天然氣產(chǎn)量下進行相應(yīng)的動態(tài)分析，能夠得到在不同張力比下開關(guān)井的極值安全作業(yè)時間。生產(chǎn)管柱的開關(guān)井作業(yè)窗口對天然氣的產(chǎn)量具有極為敏感的特點，在天然氣產(chǎn)量不斷增加的過程中，開關(guān)井作業(yè)窗口的極值安全作業(yè)時間也會加大。通過分析不同張力比下的開關(guān)井作業(yè)窗口，可以發(fā)現(xiàn)隨著張力比的不斷增加，開關(guān)井作業(yè)窗口也會逐漸增加。分析圖中的數(shù)據(jù)能夠總結(jié)出一個特點：提高頂張力有助于減小開關(guān)井過程極值安全作業(yè)時間。較大的頂張力能夠有效增加管柱的剛度，降低其振動幅值，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關(guān)井的作業(yè)風(fēng)險。

5 總結(jié)

綜上所述，隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及對能源的大量需求，需要進行深水油氣開發(fā)和利用。在進行深水高壓氣井測試生產(chǎn)的過程中，通過建立管柱流固耦合振動模型，對管柱開關(guān)井作業(yè)振動特性進行了分析，包括管柱的振動時的固有頻率和開關(guān)井過程的振動響應(yīng)，最后分析了深水高壓氣井測試生產(chǎn)中開關(guān)井作業(yè)窗口，從而為深水高壓氣井測試生產(chǎn)中管柱的設(shè)計以及作業(yè)的安全提供一定的參考。

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