深水高壓氣井測試生產中的開關井作業窗口分析

楊穎

摘 要：隨著我國社會經濟的不斷發展以及科學技術的不斷進步，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，從而緩解國內發展所存在的能源危機。

關鍵詞：深水高壓氣井；測試生產；開關井作業窗口；管柱；耦合振動模型

1 建立管柱流固耦合振動模型

1.1 相關數學模型分析

在進行深水高壓氣井測試生產的過程中，由于作業環境的影響需要進行頻繁的開關井作業，這就會改變管柱內部油氣流動的狀態，并且導致管柱發生相應的耦合振動。對深水高壓氣井生產管柱進行簡化，使之成為具有橫截面的Euler-Bernoulli梁模型，并對該模型進行相應的假設：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；其內部的氣體是一種無黏流體；對管柱的剪切時產生的變形可以忽略。對氣體和管柱之間泊松耦合和摩擦耦合效應的考慮，就可以用以下的動力學微分方程進行分析：

[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 對開關井閥門的控制

在進行深水油氣測試生產的過程中，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管柱中，慢慢處于一種穩定的狀態。在進行更換油嘴進行產量變更或者突然發生某些情況時，需要進行關井作業，這時候管柱內的油氣流的速度就會逐漸下降到0。利用數學相關思想方法，設井口閥門的開井函數和關井函數分別為：

[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；而[fcl]是作為關井過程中井口閥門的控制函數；[tc]代表的是完全打開或者關閉井口閥門的時間，單位為s。對于開關井過程中油氣的產量[qSC]則滿足以下的關系式：

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

在上述關系式中[qosc]表示的是開井后或者關井前穩定的油氣產量。

1.3 相關邊界條件分析

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

[x（0，t）=0，?x?zz=0x（L，t）=0，?x?zz=L]

通過利用相應的分析軟件，建立起管柱和天然氣流固耦合相關的有限元模型，對每個時間步內各單元的矩陣以及等效節點應力進行相應的計算，結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，對生產管柱耦合系統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。深水高壓油氣生產管柱的形態一般細長又較大，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區域時，就比較容易發生管柱斷裂的情況，這對工作人員來說，是在生產管柱設計過程中需要特別注意的問題。

3 開關井過程的振動響應分析

對開井后逐漸穩定的天然氣產量進行采取時，分析生產管柱中點瞬態響應時間歷程，當開關井的閥門開啟后，井下的壓力在這時會得到突然的釋放，會產生一種不穩定的高壓氣流，進而造成深水生產管柱產生相應的振動響應，在這個過程中，管柱的振動響應會發生脈動交變，并且出現逐漸衰減的現象。在閥門開啟的一瞬間，管柱的振動會得到急劇地增加，慢慢的在結構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后，深水油氣生產管柱仍然會發生相應的振動，在經過一段時間后振幅才會慢慢減小為0，這時候管柱內部的天然氣的流動狀態也會逐漸的穩定。

4 深水高壓氣井測試生產中開關井作業窗口分析

4.1 確定開關井作業窗口的流程

在對深水高壓氣井測試生產的開關井作業窗口進行確定時，首先需要獲得深水油氣生產管柱的相關結構參數和油氣井的相關詳細參數，在這個基礎上建立管柱內流固耦合的分析模型。對于每個工況，分析生產管柱的耦合動態響應，對管柱激振響應結果進行提取，然后參考管柱系統中內外管柱之間的間隙，進而對開關井作業的可行性進行判斷。通過不斷對開關井作業時間進行調整，進行耦合分析模型的更新，一直到找到相應的臨界作業時間。組合不同產量下的允許作業參數，就能夠確定深水油氣生產管柱的開關井作業窗口。

4.2 分析不同張力比下的開關井作業窗口

針對深水油氣生產管柱開關井作業，在不同的天然氣產量下進行相應的動態分析，能夠得到在不同張力比下開關井的極值安全作業時間。生產管柱的開關井作業窗口對天然氣的產量具有極為敏感的特點，在天然氣產量不斷增加的過程中，開關井作業窗口的極值安全作業時間也會加大。通過分析不同張力比下的開關井作業窗口，可以發現隨著張力比的不斷增加，開關井作業窗口也會逐漸增加。分析圖中的數據能夠總結出一個特點：提高頂張力有助于減小開關井過程極值安全作業時間。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井的作業風險。

5 總結

綜上所述，隨著我國社會經濟的不斷發展以及對能源的大量需求，需要進行深水油氣開發和利用。在進行深水高壓氣井測試生產的過程中，通過建立管柱流固耦合振動模型，對管柱開關井作業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井過程的振動響應，最后分析了深水高壓氣井測試生產中開關井作業窗口，從而為深水高壓氣井測試生產中管柱的設計以及作業的安全提供一定的參考。

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