高产气井排砂管汇极限放喷能力研究及其安全性评价

【摘要】目前气体(氮气)钻井已经成为钻井提速的重要手段之一,但是如果钻遇高压高产气层,井眼破坏了原始地应力场,高压高产气层聚集的能量突然释放,发生井底“岩爆”,气体以Qv≥100×104m3/d的突发产量经钻柱环空“涌入”地面排砂管汇,使排砂管汇受到“突发”的冲击或冲刷振动,在极短时间内导致地面排砂管汇被“冲刺穿”或者发生振动断裂而失效。与此同时,排砂管汇振动摩擦产生的高温或摩擦火花使高产混合天然气发生爆炸、燃烧,造成重大的井场事故。该类事故已经在现场发生过,且造成了巨大的经济损失和人员伤亡。因此气体钻井过程中,高压高产气井的突发事件,使得地面排砂管汇失效问题已成为气体钻井技术必须解决的难题,基于该背景和面临的难题,提出了本文的研究目标和研究内容。首先本文对国内外相关的高压管汇流固耦合的冲蚀研究、排砂管汇冲蚀失效以及输流管道流固耦合振动的文献资料进行了大量调研、收集和阅读,同时对川渝及新疆地区174口井、194井次气体钻井排砂管汇连接方式及失效数据的现场资料进行了收集、阅读和分析,再结合计算流体动力学理论、流固耦合动力学理论、力学强度理论以及冲蚀理论等,提出了本文详细地研究思路、研究手段和主要的研究内容。本文的主要研究内容及研究成果如下：(1)开展排砂管汇冲蚀失效机理和流固耦合问题的理论研究,基于计算流体动力学(CFD)理论,建立了高速携岩气体冲蚀不同弯头的CFD两相流的有限元模型,开展了高速携岩气体流过不同过弯结构中的气体速度场分布、岩屑颗粒的运动轨迹和冲蚀区域及冲蚀速度的研究,改变弯头的主要结构参数,对其进行了安全性评价研究。(2)针对川渝地区实际现场排砂管汇的布局：T型弯头+直管线的组合方式,建立了整个排砂管汇放喷能力计算和研究的CFD有限元模型,开展了不同放喷气量的计算机仿真模拟,建立了排砂管汇放喷能力预测的数学模型,提出了不同弯头排砂管汇放喷能力的预测计算方法,为其极限放喷能力的预测和排砂管汇的安全性评价提供理论依据。(3)基于对排砂管汇冲蚀机理研究的结果,以及基于内压、瞬时冲击作用力以及冲蚀与放喷量的关系,提出了预测排砂管汇放喷能力以及不同放喷条件下排砂管汇剩余强度的计算方法。(4)基于流固耦合以及动力学模态分析的基本理论,开展了排砂管汇系统流固耦合的动力学理论研究和计算机仿真模拟研究,建立了排砂管汇流固耦合的轴向振动和横向振动的计算数学模型,同时建立了突发事件的高产气井排砂管汇系统流固耦合的动力学研究的计算机仿真模型。为排砂管汇的安全性评价和稳定性评价提供了数学模型和计算机仿真模型。研究结果为减少来自井筒内高产多相气流的对排砂管汇冲击振动和疲劳损伤失效的预防以及排砂管汇整体结构的优化设计提了供理论依据。(5)为了减少或吸收来自井底“突发”事件导致高产多相流对排砂管汇的冲击或冲刷引起的振动,提出了在排砂管汇的适当位置安装一个或多个减振或吸振的装置,以便达到预防排砂管汇由“突发”事件引起的失效,设计出了一种能安装在排砂管汇上的减振和减冲击的新型装置,该装置可以有效地预防高产气井突发事件引起的排砂管汇的失效问题。
【作者】明鑫；
【导师】练章华；
【作者基本信息】西南石油大学，油气井工程，2014，博士
【关键词】气体钻井；排砂管汇；冲蚀；CFD；流固耦合；

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