气致振动管柱危险井段的预测和预防失效方法技术

本发明专利技术公开了气致振动管柱危险井段的预测和预防失效方法，预测方法包括：针对目标采气管柱分别构建套管、目标采气管柱和流体的力学模型；基于有限单元法和现场配产参数，将套管、目标采气管柱和流体的力学模型耦合为全井气致振动分析模型；在目标采气管柱上选择若干等距离节点，通过全井气致振动分析模型计算各点的动力学特性参数；动力学特性参数包括各节点处的内部应力均值和外部应力均值；根据各节点处的内部应力均值和外部应力均值计算目标采气管柱的安全系数；根据安全系数校核目标采气管柱的危险井段。本发明专利技术能够得到管柱任一位置的动力学特性，通过分析管柱动力学特性预测管柱危险井段。在危险井段安装失效预防工具以降低管柱失效几率。降低管柱失效几率。降低管柱失效几率。

【技术实现步骤摘要】
气致振动管柱危险井段的预测和预防失效方法


[0001]本专利技术涉及油气开采
，尤其涉及气致振动管柱危险井段的预测和预防失效方法。

技术介绍

[0002]在“三高”气井生产过程中，管柱内的高速流体在流经目标采气管柱接箍、短节等处可能产生波动压力，使得目标采气管柱膨胀收缩，而目标采气管柱的变形又反作用于高速流体，因此流体与目标采气管柱柱之间相互作用，相互影响，此流固耦合作用可能引起气井内生产管柱发生振颤。如果这种振颤长期作用，将会造成天然气泄漏、生产管柱寿命缩短，给油田生产带来严重的经济损失。为了避免出现以上的不利情况，需要对危险井段进行预测，并通过一些措施来预防失效。
[0003]现有技术中的气致振动研究主要分为三大类，第一类是根据哈密顿原理，建立轴向振动、纵向振动或流固耦合模型，并使用伽辽金法、特征法、线性插值法、传递矩阵法进行求解；第二类方法是通过商业软件建立单根管柱有限元模型，分析内压、轴向力等因素变化对固有频率的影响；第三类是基于相似原理建立室内实验台架，基于应变片测试技术研究管柱横纵两向振动。
[0004]综合来看，上述研究方法均着力于不同配产参数、力学参数对固有频率的影响，并且由于管柱振动过程中与套管的随机碰摩，常规解析法难以开展计算；采用室内实验难以模拟高温高压的工作条件，只能定性的研究气致振动规律；已有数值模拟分析的管柱长度还有待增加。
[0005]对于气致振动管柱的失效预防，现有技术常用的是振动抑制与控制技术，即利用附属结构或装置对管柱的振动进行主动或被动的干预和调节，减小振幅和应力，消除或减弱共振或驰振现象，其中以扶正器为最主要的装置。而常见的扶正器的设置方法并不考虑管柱的实际情况，而是在井口和井底的位置分别设置或全段管柱等距离设置，这样的设置方式虽然有一定的减振效果，但对于危险井段的振幅降低有限。
[0006]另一方面，现有技术中将准确的气致振动管柱危险井段预测方法和预防方法结合起来的研究较少，这方面的技术现在是一大空缺。

技术实现思路

[0007]针对上述技术问题，本专利技术提供了一种气致振动管柱危险井段的预测和预防失效方法，并公开了如下的技术方案：
[0008]气致振动管柱危险井段的预测方法，包括步骤：
[0009]S1、针对目标采气管柱分别构建套管、目标采气管柱和流体的力学模型；
[0010]S2、基于有限单元法和现场配产参数，将套管、目标采气管柱和流体的力学模型耦合为全井气致振动分析模型；
[0011]S3、在目标采气管柱上选择若干等距离节点，通过全井气致振动分析模型计算各
点的动力学特性参数；所述动力学特性参数包括各节点处的内部应力均值、外部应力均值、横纵变形量、横纵振动速度和三向弯矩；
[0012]S4、根据所述各节点处的内部应力均值和外部应力均值计算目标采气管柱的安全系数；
[0013]S5、根据所述安全系数校核目标采气管柱的危险井段。
[0014]在一些较优的实施例中，步骤S2中所述全井气致振动分析模型的建立方法包括：
[0015]S201、使用网格单元分别对套管、目标采气管柱和流体的力学模型进行离散，使用节点集合定义耦合仿真区域；
[0016]S202、设置分析参数，选取气体流动模型；
[0017]S203、利用分离解耦法分别求解流体和固体控制方程；
[0018]S204、通过流固耦合交界面进行数据传递，获得流体参数和固体结构参数将的关联关系作为全井气致振动分析模型。
[0019]在一些较优的实施例中，步骤S201中所述网格单元的确定方法包括：从流体、目标采气管柱两个方面验证网格无关性和求解精度，确定最优的网格单元数量。
[0020]在一些较优的实施例中，步骤S4中所述目标采气管柱的安全系数的计算方法包括：
[0021]S401、根据所述各节点处的内部应力均值和外部应力均值计算全井段的应力均值；
[0022]S403、利用各井段内最大的应力值与全井段的应力均值计算各井段的安全系数；
[0023]在一些较优的实施例中，所述步骤S5中危险井段的校核方法包括：
[0024]S501、根据所述各节点处的内部应力均值和外部应力均值计算全井段的应力均值；
[0025]S502、设定目标采气管柱的标准安全系数；
[0026]S503、将目的井段确定为目标采气管柱的危险井段。
[0027]在一些较优的实施例中，所述标准安全系数。
[0028]本专利技术还公开了气致振动管柱危险井段的预防失效方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0029]S11、根据前述的气致振动管柱危险井段的预测方法，确定目标采气管柱的危险井段；
[0030]S22、在所述危险井段等距离安装3
‑
4个扶正器以减小管柱振动。
[0031]有益效果：
[0032]1、本专利技术首次建立了全井气致振动动力学模型，能够对任意配产参数、任意井身结构下气致管柱振动响应进行分析，基于有限单元法和高速气体与细长采气管柱之间的流固耦合，建立了全井气致管柱振动响应模型。与现有技术相比，本专利技术可以快速、全面的得到管柱在任意位置的力学特性，如三向应力、管柱横纵变形量、弯矩、振动速度等。能够快速预判管柱危险区域，对管柱安全性、疲劳寿命预测具有一定的指导意义。
[0033]2、本专利技术能够通过分析管柱动力学特性预测管柱危险井段。在危险井段安装失效预防工具以降低管柱失效几率。
附图说明
[0034]图1为本专利技术一种较优实施例中气致振动管柱危险井段的预测方法的流程示意图；
[0035]图2为本专利技术一种较优实施例中气致振动管柱危险井段的预防失效方法的流程示意图；
[0036]图3为本专利技术一种较优实施例中套管、目标采气管柱和流体的力学模型和耦合的全井气致振动分析模型；
[0037]图4为本专利技术一种较优实施例中的目标采气管柱结构示意图和选取的五个等距离节点的位置示意图；
[0038]图5为本专利技术一种较优实施例中的目标采气管柱横向、纵向变形量图，其中(a)为X方向变形量；(b)为Z方向变形量；(c)为Y方向变形量；
[0039]图6为本专利技术一种较优实施例中的目标采气管柱全井段横向、纵向弯矩时间历程图：(a)为X方向弯矩时间历程；(b)为Z方向弯矩时间历程；(c)为Y方向弯矩时间历程；
[0040]图7为本专利技术一种较优实施例中的各等距节点的横向振动速度图；
[0041]图8为本专利技术一种较优实施例中的各等距节点的应力图；
[0042]图9为本专利技术一种较优实施例中的目标采气管柱全井段内外应力均值分布图；
[0043]图10为本专利技术一种较优实施例中的目标采气管柱全井段内外安全系数图；
[0044]图11为本专利技术另一种较优实施例中的扶正器数量对目标采气管柱动力学特性参数的影响：(a)为对应力及波动量的影响；(b)为对横向变形量；(c)为对振动速度的影本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.气致振动管柱危险井段的预测方法，其特征在于，包括步骤：S1、针对目标采气管柱分别构建套管、目标采气管柱和流体的力学模型；S2、基于有限单元法和现场配产参数，将套管、目标采气管柱和流体的力学模型耦合为全井气致振动分析模型；S3、在目标采气管柱上选择若干等距离节点，通过全井气致振动分析模型计算各点的动力学特性参数；所述动力学特性参数包括各节点处的内部应力均值、外部应力均值、横纵变形量、横纵振动速度和三向弯矩；S4、根据所述各节点处的内部应力均值和外部应力均值计算目标采气管柱的安全系数；S5、根据所述安全系数校核目标采气管柱的危险井段。2.如权利要求1所述的气致振动管柱危险井段的预测方法，其特征在于，步骤S2中所述全井气致振动分析模型的建立方法包括：S201、使用网格单元分别对套管、目标采气管柱和流体的力学模型进行离散，使用节点集合定义耦合仿真区域；S202、设置分析参数，选取气体流动模型；S203、利用分离解耦法分别求解流体和固体控制方程；S204、通过流固耦合交界面进行数据传递，获得流体参数和固体结构参数将的关联关系作为全井气致振动分析模型。3.如权利要求2所述的气致振动管柱危险井段的预测方法，其特征在于，步骤S201中所述网格单元的确定方法包括：从流体、目标采气管柱两个方面验证网格无关性和求解精度，确定最优的网格单元数量。4.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝效华，曾理，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：