本发明专利技术公开了一种环空带压气井油管柱震颤模拟实验装置及方法，将液体注入筒体的环空中形成环空带压，将高压气体注入储层模拟单元，高压气体从储层模拟单元的井底模拟空间流入筒体轴心的测试管柱，经高压气体排出管线放喷；通过电磁阀不同的关阀速度模拟不同的关井时间，电磁阀迅速关闭产生压力波动，形成水锤效应，使测试管柱发生震颤，以模拟油管柱震颤；应力应变片可以监测测试管柱震颤的动态响应过程，并将数据传输至计算机实时存储。通过本发明专利技术的装置及方法不仅能有效模拟环空带压气井油管柱震颤的过程，还能定量分析管柱震颤过程中不同位置的应力应变情况；突破了理论研究的限制，更加真实的模拟环空带压气井油管柱震颤。颤。颤。
【技术实现步骤摘要】
一种环空带压气井油管柱震颤模拟实验装置及方法
[0001]本专利技术涉及天然气开发
，尤其涉及一种环空带压气井油管柱震颤模拟实验装置及方法。
技术介绍
[0002]随着近年来我国天然气消费需求不断攀升，天然气产业的进一步发展，天然气的勘探开发也在向深层、复杂地层与非常规领域推进。深层、复杂地层天然气勘探开发面临着更加苛刻的条件，高压高产天然气井生产过程中环空带压问题日益严重，井筒完整性失效风险上升。有些气井甚至存在多层环空均同时出现带压的情况。环空带压，又称持续环空压力（Sustained Casing Pressure），是指气井环空压力在泄压后短时间内又恢复到泄压之前压力水平的现象。生产过程中，如果高压天然气突破井筒完整性屏障进入环空，会严重影响气井安全生产。环空压力过高，会造成油套管、封隔器、井口装置等挤毁失效，进而对气井的安全生产造成巨大威胁。环空带压不明显时，压力监测和泄压作业会增加生产成本和安全风险；严重时会导致关井甚至整口井的报废。持续的环空带压一旦发生，处理办法非常有限，环空带压气井补救困难，修井往往要起出油管柱并对损伤的油管柱检测并对其处理，且修井的费用极其高昂。
[0003]气井环空带压产生原因有两种，一种是油管柱失效，通常为油管柱、油套管、井下封隔器失效，导致产层气体窜流至油套环空，并在井口聚集形成环空带压，这种引起的环空带压风险是最大的，也是环空带压最主要的原因；二是水泥环密封失效，由于水泥环在浇筑或冷却过程中的一些特殊情况，导致水泥环内部存在一些微小缝隙，井下的高压气体就沿着这些缝隙渗流至套管环空的井口，产生环空带压。气井井下油管柱失效成为制约我国多个油气田稳定发展的重要因素。环空带压气井在生产过程中，井下气体通过窜流不断在井口环空聚集，不仅造成环空憋压，而且如果气井天然气中含有的CO2和H2S等腐蚀性气体会腐蚀管柱，削弱管柱强度，对气井井筒的完整性产生直接威胁，影响气井的安全生产。
[0004]对于高压高产气井，生产过程中产量波动、开关井作业都会使天然气流动处于不稳定状态。高速气流的瞬变压力波动，施加给油管柱强的动态交变载荷诱发震颤，产生应力疲劳损伤，萌生裂纹最终断裂失效，油管与套管内壁接触产生摩擦磨损问题和其他形式的损坏；若油管柱处于恶劣的生产环境中，存在腐蚀问题，油管柱的震颤会加速油管柱的损伤失效，导致油管柱的服役环境更加苛刻。
[0005]而目前对于油管柱震颤的研究主要是通过数值模型来计算，但模型处理过程存在大量的简化，计算模型的假设条件与真实井筒环境存在差异，导致油管柱震颤的理论模型计算结果会出现较大偏差。
[0006]因此，有必要进行相关实验研究，以清楚油管柱震颤的动态响应规律。针对以上问题，对油管柱采气生产期间的震颤以及应力分布是有必要进行分析，为高压高产气井油管柱的安全提供科学依据。通过研究得出失效风险较高的位置，就可以通过改进完井设计等措施进行预防，提高油管柱的服役寿命，为油田的油管柱安全地长期地服役提供一定的理
论指导。
技术实现思路
[0007]为解决上述油管柱震颤的理论模型计算结果偏差较大的问题，本专利技术提出了一种环空带压气井油管柱震颤模拟实验装置及方法，实现对油管柱采气生产期间的震颤响应规律的探究，为高压气井油管柱减震提供科学的理论指导。
[0008]第一方面，一种环空带压气井油管柱震颤模拟实验装置，包括高压气体输入管线、高压气体排出管线和储层模拟单元，还包括筒体、测试管柱和液体输入管线；所述高压气体输入管线包括氮气瓶、气体增压泵、节流阀和气体流量计；所述氮气瓶依次连接气体增压泵、节流阀、气体流量计，高压气体输入管线，并接入储层模拟单元。
[0009]具体的，所述筒体上下两端分别通过盖板与底座密封，筒体轴心设置由盖板与底座固定的测试管柱，底座连接储层模拟单元；所述测试管柱上端由筒体上端的盖板中心穿出，并连接高压气体排出管线；所述盖板还连接液体注入管线，液体注入管线连接液体输送泵并与筒体内的环空相通；所述高压气体排出管线依次连接压力传感器、电磁阀和气体放喷出口。
[0010]具体的，所述测试管柱外壁上连接五个应力应变片，分别为应力应变片一、应力应变片二、应力应变片三、应力应变片四和应力应变片五；五个应力应变片均与位于环空中的数据传输线相连接，数据传输线连接至数据传输线接头，数据传输线接头另一端连接至计算机。
[0011]具体的，所述底座通过法兰连接方式与筒体和储层模拟单元连接，测试管柱穿过底座中心并受底座的固定约束，在一定范围内，底座可以固定测试管柱的不同位置；测试管柱与筒体内壁之间区域为环空，底座壁面设置一排液阀，排液阀与环空相通；所述筒体与测试管柱根据实验需要调整长度。
[0012]具体的，所述盖板以法兰连接方式通过螺栓与筒体连接固定，盖板上包括声波测距仪、数据传输线接头、泄压阀三和液体输入管线接头；所述数据传输线接头与筒体内部的数据传输线连接；所述声波测距仪与环空连通；所述泄压阀三与环空连通；所述液体输入管线接头连接液体输入管线，与环空相连通。
[0013]具体的，所述筒体壁面等间距设五个压力传感器，从下至上分别为压力传感器三、压力传感器四、压力传感器五、压力传感器六、压力传感器七。
[0014]具体的，所述储层模拟单元右端的气体输入管线接头连接高压气体输入管线，储层模拟单元右端设压力传感器一和泄压阀一；缝板组件内设置一宽度1mm的缝隙和缝板组件，所述缝板组件左端设置呈立方体形状的井底模拟空间，井底模拟空间连接压力传感器，井底模拟空间底端设置泄压阀二。
[0015]另一方面，一种环空带压气井油管柱震颤模拟实验方法，基于环空带压气井油管柱震颤模拟实验装置实现，包括以下步骤：步骤S1：实验准备，检查实验装置；氮气瓶保持关闭，关闭泄压阀一和泄压阀二，使储层模拟单元保持密闭状态；关闭泄压阀三和排液阀，使环空保持密闭状态；电磁阀保持开启状态；步骤S2：向环空注入液体，启动液体输送泵，将液体输入环空，待各项压力稳定之
后，分别记录压力感应器三、压力感应器四、压力感应器五、压力感应器六、压力感应器七的压力值P3、P4、P5、P6、P7，启动声波测距仪测量环空中液面高度，然后关闭单向阀；步骤S3：开启氮气瓶，向实验装置注气；开启气体增压泵，控制节流阀开度保持一定值，待各压力传感器和气体流量计数值稳定后，记录气体流量计的流量值Q，分别记录压力传感器一、压力传感器二、压力传感器八的压力值P1、P2、P8。
[0016]具体的，还包括以下步骤：步骤S4：设置一定的速度关闭电磁阀，通过计算机分别记录应力应变片一、应力应变片二、应力应变片三、应力应变片四和应力应变片五数值的动态变化过程，并绘制瞬态变化图；步骤S5：改变电磁阀关闭速度，重复步骤S3和步骤S4；步骤S6：结束实验，关闭氮氮气瓶、气体增压泵；将环空中液体通过排液阀排出实验装置筒体外；打开泄压阀一、泄压阀二和泄压阀三泄压。
[0017]本专利技术的有益效果：本专利技术提出了一种环空带压气井油管柱震颤模拟实验装置及方法，液体输送本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种环空带压气井油管柱震颤模拟实验装置，其特征在于，包括高压气体输入管线（5）、高压气体排出管线（23）和储层模拟单元（8），还包括筒体（13）、测试管柱（33）和液体输入管线（27）；所述高压气体输入管线（5）包括氮气瓶（1）、气体增压泵（2）、节流阀（3）和气体流量计（4）；所述氮气瓶（1）依次连接气体增压泵（2）、节流阀（3）、气体流量计（4），高压气体输入管线（5），并接入储层模拟单元（8）。2.根据权利要求1所述的一种环空带压气井油管柱震颤模拟实验装置，其特征在于，所述筒体（13）上下两端分别通过盖板（21）与底座（11）密封，筒体（13）轴心设置由盖板（21）与底座（11）固定的测试管柱（33），底座（11）连接储层模拟单元（8）；所述测试管柱（33）上端由筒体（13）上端的盖板（21）中心穿出，并连接高压气体排出管线（23）；所述盖板（21）还连接液体注入管线（27），液体注入管线（26）连接液体输送泵（28）并与筒体（13）内的环空（34）相通；所述高压气体排出管线（23）依次连接压力传感器（22）、电磁阀（24）、气体放喷出口（25）。3.根据权利要求1所述的一种环空带压气井油管柱震颤模拟实验装置，其特征在于，所述测试管柱（33）外壁上连接五个应力应变片，分别为应力应变片一（32）、应力应变片二（35）、应力应变片三（36）、应力应变片四（37）和应力应变片五（38）；五个应力应变片均与位于环空（34）中的数据传输线（30）相连接，数据传输线（30）连接至数据传输线接头（20），数据传输线接头（20）另一端连接至计算机（29）。4.根据权利要求2所述的一种环空带压气井油管柱震颤模拟实验装置，其特征在于，所述底座（11）通过法兰连接方式与筒体（13）和储层模拟单元（8）连接，测试管柱（33）穿过底座（11）中心并受底座（11）的固定约束，在一定范围内，底座（11）可以固定测试管柱（33）的不同位置；测试管柱（33）与筒体内壁之间区域为环空（34），底座（11）壁面设置一排液阀（12），排液阀（12）与环空（34）相通；所述筒体（13）与测试管柱（33）根据实验需要调整长度。5.根据权利要求2所述的一种环空带压气井油管柱震颤模拟实验装置，其特征在于，所述盖板（21）以法兰连接方式通过螺栓（41）与筒体（13）连接固定，盖板（21）上包括声波测距仪（19）、数据传输线接头（20）、泄压阀三（31）和液体输入管线接头（40）；所述数据传输线接头（20）与筒体（13）内部的数据传输线（30）连接；所述声波测距仪（19）与环空（34）连通；所述泄压阀三（31）与环空（34）连通；所述液体输入管线接头（40）连接液体...
【专利技术属性】
技术研发人员：李红涛，杨鹏，李皋，李一博，华缘，滕宇，张毅，田世界，郑杨，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：
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