（石油与天然气工程专业论文）小直径管管柱起下力学分析和疲劳性能研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 单位导师： 小直径管管柱起下力学分析和疲劳性能研究 石油与天然气 郭晓萌( 签名) 吴新民( 签名) 雷晓岚( 签名) 孽盆鍪必： 摘要 小直径管排水采气工艺是国外新兴的排水采气工艺技术。它是将小直径管下至积 液气井的底部，利用小直径管向井下注入起泡剂，有效地降低井底液柱压力，利用油 管生产使泡沫化的液体随天然气流携带出井筒，从而排出井底积液，可使积液气井复 产，提高气井产量。它克服了常规从油、套环形空间注入起泡剂，起泡剂不能直接到 达气层中部，影响排水效果的问题，从而大大提高了排水效率。 本文在对国内外小直径管使用和疲劳寿命研究情况调研的基础上，针对6 种不同 工况，对小直径管下入过程的受力状态进行分析，建立相应的数学模型，给出不同工 况下小直径管顺利下入所需最小长度计算方法。并对加重杆最小长度的影响因素进行 研究，为合理选择施工参数提供理论依据。 研究的结果表明为：小直径管正常失效的主要原因，一是小直径管本身的质量 问题：二是由于小直径管作业过程中的循环弯曲疲劳作用。造成小直径管早期失效的 主要原因有腐蚀性作业和人为操作失误引起的小直径管机械损伤，并提出了预防小直 径管的发生早期失效的措施。对小直径管进行实物疲劳试验，建立了小直径管弯曲 情况下的疲劳寿命分析模型，通过与实物实验结果对比验证了疲劳寿命分析模型的有 效性。另外，还讨论了小直径管下入深度、外径、壁厚、弯曲半径以及屈服强度对疲 劳寿命的影响，为实际作业中入合理确定小直径管入井作业次数提供理论和试验指 导。 关键词：小直径管、疲劳性能、疲劳试验、寿命预测 论文类型：应用基础研究 英文摘要 。一 s u b j e c t ：as t u d yo nm e c h a n i c a l b e h a v i o r sa n df a t i g u ep r o p e r t yo fs m a l l d i m e n s i o n a lp i p ed u r i n gd e s c e n d i n gp r o c e s s s p e c i a l i t y ：p e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a se n g i n e e r i n g n a m e ：g u ox i a o m e n g ( s i g n a t u r e ) 幽业型笏 i n s t r u c t o r ：w ux i n m i n ( s i g n a t u r e )型丛2 丑盈l2 2 l e ix i a o l a n ( s i g n a t u r e ) 上丛逊绝9 a b s t r a c l 。 t h et e c h n o l o g yo fd e w a t e r i n gg a sp r o d u c t i o nb ys m a l ld i m e n s i o n a lp i p ei san e w l y e m e r g i n gt e c h n i q u ea b r o a d b yd e s c e n d i n gs m a l ld i m e n s i o n a lp i p ed o w nt ot h eg a sw e l l b o t t o mw i t ha c c u m u l a t i n gf l u i da n di n j e c t i n gf o a m i n ga g e n ti n t ot h eg a sw e l lt h r o u g h s m a l ld i m e n s i o n a lp i p ei no r d e rt oe f f e c t i v e l yr e d u c et h ef l u i dc o l u m np r e s s u r ea tt h e b o t t o mo ft h eg a sw e l l ，t h i st e c h n o l o g ym a k e su s eo ft u b i n gt of o r c ef o a m i n gl i q u i df l o w o u tt h ew e l lb o r em i x e dw i t hg a sf l o wa n dd i s c h a r g et h ea c c u m u l a t i n gf l u i da tt h ew e l l b o t t o m i ti sa b l et or e s t o r et h eg a sw e l lw i t ha c c u m u l a t i n gf l u i do ri n c r e a s et h eg a s p r o d u c t i o n i tg r e a t l ye n h a n c e st h ed e w a t e r i n ge f f i c i e n c yb yb r e a k i n gt h ec o n v e n t i o n a l m e t h o do fi n j e c t i n gf o a m i n ga g e n tt h r o u g ht h ea n n u l a rs p a c eo ft u b i n ga n dc a s i n gb y w h i c ht h ef o a m i n ga g e n tc a nn o td i r e c t l yr e a c ht h ec e n t r a ll a y e ro fg a sr e s e r v o i rr e s u l t e di n a f f e c t i n gd e w a t e r i n ge f f e c t b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c ho nt h eu s ea n df a t i g u el i f e o fs i n a i l d i m e n s i o n a lp i p eb o t hd o m e s t i ca n da b r o a d ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef o r c es t a t ei nt h e p r o c e s so fd e s c e n d i n g s m a l ld i m e n s i o n a lp i p ei ns i xd i f f e r e n tc o n d i t i o n s f u r t h e r , i t p r e s e n t st h ec a l c u l a t i o no ft h er e q u i r e dm i n i m u ml e n g t ho fs u c c e s s f u l l yd e s c e n d i n gs m a l l d i m e n s i o n a l p i p e u n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s b ye s t a b l i s h i n gc o r r e s p o n d i n g m a t h e m a t i c a lm o d e l i ta l s os t u d i e st h ea f f e c t i n gf a c t o r so ft h em i n i m u ml e n g t ho fh e a v y r o d st op r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rar e a s o n a b l ec h o i c eo fc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： t h e r ea r et w om a i nc a u s e st ot h en o r m a lf a i l u r eo fs m a l l d i m e n s i o n a lp i p e ，i e i t so w nq u a l i t yp r o b l e ma n dt h ef a t i g u ed u et oc y c l i cb e n d i n gd u r i n g o p e r a t i o n t h em a j o rc a u s e so ft h ee a r l yf a i l u r eo fs m a l ld i m e n s i o n a lp i p ea r ec o r r o s i v e o p e r a t i o n sa n dm e c h a n i c a ld a m a g ec a u s e db yh u m a ni n a p p r o p r i a t eo p e r a t i o n s t h i sp a p e r n o to n l y a n a l y z e st h ec a u s e so fs m a l ld i m e n s i o np i p e sf a i l u r eb u ta l s op r o p o s e ss o m e m e a s u r e st op r e v e n tt h eo c c u r r e n c eo fi t se a r l yf a i l u r e b yc o n d u c t i n gs m a l ld i m e n s i o n p i p e sp h y s i c a lf a t i g u et e s t ，t h i ss t u d yd e v i s e sa na n a l y t i c a l m o d e lo fs m a l ld i m e n s i o n p i p e sf a t i g u el i f eu n d e rt h ec o n d i t i o no fb e n d i n ga n dv e r i f i e st h ev a l i d i t yo ft h ea n a l y t i c a l m o d e lo ft h ef a t i g u el i f eb yc o m p a r i n gw i t ht h ep h y s i c a le x p e r i m e n t a lr e s u l t s i ta l s o 英文摘要 d i s c u s s e st h ei n f l u e n c eo fs m a l ld i m e n s i o np i p e sd e s c e n d i n gd e p t hi n t ot h ew e l l ，o u t s i d e d i a m e t e r , w a l lt h i c k n e s s ，b e n d i n gr a d i u sa n dt h ey i e l ds t r e n g t h0 ni t sf a t i g u el i f e a sa r e s u l t ，i tp r o v i d e st h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lg u i d a n c et od e t e r m i n et h er e a s o n a b l e o p e r a t i n gf r e q u e n c yo fs m a l ld i m e n s i o np i p e sd e s c e n d i n gi n t ow e l l s k e y w o r d s ：s m a l l d i m e n s i o n a l p i p e ，f a t i g u ep e r f o r m a n c e , f a t i g u et e s t , l i f e p r e d i c a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o na n df u n d a m e n ts t u d y i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 敝储徘玉vk , 速丽 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 做作者签名：勃雇诵 导师签名：勉 牾i 鎏坐9 s 日期：丝翌丝：王， 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的及意义 长庆油田鄂尔多斯盆地靖边气田在开发过程中【啦l ，部分气井由于产地层水而影 响了气井产量，甚至个别并因井筒积液严重而不能自喷。截止2 0 0 2 年底，长庆靖边 气田已有4 9 口气井产水，其中一些气井因积液严重无法正常生产。小直径管排水采 气工艺是国外新兴的排水采气工艺技术。它是将小直径管下至积液气井的底部，利用 小直径管向井下注入起泡剂，有效地降低井底液柱压力，利用油管生产使泡沫化的液 体随天然气流携带出井筒，从而排出井底积液，可使积液气井复产，提高气井产量。 它克服了常规从油、套环形空间注入起泡剂，起泡剂不能直接到达气层中部，影响排 水效果，从而大大提高了排水效率。用于积液气井复产，具有见效快、复活施工周期 短、天然气损耗少等优点。此外，该工艺也为油、套不连通的气井加注起泡剂提供了 新的方法，为井口和地面未设加注系统的气井提供了有效的加注方式p 】。但是，小直 径管由于其直径小、壁厚薄，所以其刚度较小。在小直径管下井过程中，井内介质对 小直径管产生一个上顶力，若该上顶力过大，会使小直径管弯曲，从而影响其下入， 甚至导致小直径管锁死而不能下入井内。 对于典型的小直径管作业过程，小直径管在作业过程中至少循环起下一次。小直 径管柱起出或下入井内时都包含3 个弯曲动作： a ) 小直径管通过注入头牵引拉离滚筒，滚筒液压马达施加一定的反向拉力将油 管拉直，这是最基本的一次弯曲动作； b ) 当小直径管进入导向架时，小直径管沿导向架的弯曲半径发生弯曲； c ) 通过导向架后进入牵引链条总成，小直径管重新被拉直。 因此，对于一次完整的起下作业，总共包含了6 个弯曲动作。小直径管在内压条 件下循环弯曲时，小直径管会发生膨胀现象，管径增大，管壁变薄。随内压和循环次 数的增加，小直径管直径会很快胀大或破裂。为了研究小直径管在作业条件下各种外 部载荷对其使用寿命的影响，国外对小直径管的循环弯曲疲劳行为进行了一系列的模 拟试验 4 - 7 1 。 本文主要针对小直径管柱的起下过程，研究开井和关井两种情况下管柱在井筒中 的运动规律，考虑小直径管直径、加重杆直径、加重杆长度以及气井产量对管柱起下 的影响，为合理选择施工参数提供理论依据。对小直径管工作过程中的疲劳，因现场 实际中一般弯曲循环次数均在1 0 0 0 次以下，所以属于典型的低周疲劳或应变疲劳问 题【8 】。同时由于小直径管在工作过程中一般要受到内部液体的压力和弯曲疲劳联合作 用，其应力状态较复杂，所以小直径管的疲劳问题是一个多轴低周疲劳问题。对于小 直径管疲劳性能的研究，主要是通过实物疲劳性能实验进行，合理预测管柱的疲劳寿 命。 西安石油大学硕士学位论文 1 2 国内外技术现状及其发展趋势 早在2 0 世纪3 0 年代以前，人们就对连续钻井管柱的概念和优点有了初步的认 识。在二战期间，盟军曾用小直径管从海底输送能源，以满足战争的需要。据报道， 1 9 6 2 年加利福尼亚石油公司及勃温工具厂研制了第一个原始型“连续管轻型修车装 置”，用来清除海岸区油气井中的砂桥。1 9 6 4 年，r o yh ic u l l ar e s e a r c h 公司研制了 一种钻井系统，该系统使用了一个连续的、灵活的钻井管柱( 外径西6 6 6 8 m m ) 来循环 液体，并使用电流来驱动井下电动马达，使用一个液压注入头来放入或回收钻井管柱。 该系统曾经在德克萨斯州的m a r b l ef a l l s 附近的采石厂花岗岩地层上钻了一口 掣乏o 6 5 m m 、并深固虬璺m 的试验井，钻井速度为1 1 5 3 - - 3 1 0 5 m h 。 在此后的2 0 多年内，连续油管技术虽然取得了一些进步【，并在修井和完井 作业中获得了一些应用，也进行过钻井尝试，但由于连续油管可靠性问题，未能在石 油界取得大范围的推广应用。8 0 年代中后期，世界范围内原油价格下跌，迫使国内 外作业公司和服务公司研究和采用可降低钻井成本的新方法，再加上连续油管质量和 可靠性的提高，连续油管在修井和完井等作业中的应用急剧增加，并取得了明显的经 济效益和社会效益i l 引。 连续油管钻井技术的发展和应用始于9 0 年代初，目前仍处于研究和开发的初级 阶段【1 3 , 1 4 】。1 9 9 1 年，美国、加拿大、法国相继成功地试验应用了连续油管钻井技术。 近年来，世界上用连续油管所钻井的数量急剧增加，1 9 9 6 年为4 1 0 口，1 9 9 7 年猛 增至6 0 0 多口，目前仍在继续增加。近年来，随着连续油管器材和制造工艺的进一步 发展，可靠性高的高强度大直径连续油管、小直径容积式马达、先进的定向工具及测 量系统和金刚石钻头的相继问世，极大地推动了连续油管钻井技术发展及应用。 目前，随着材质和设备制造技术的更新提高，促使连续油管技术飞速发展，生产 的新型连续油管车在性能方面大为改进，能够适应更加恶劣环境和从事更为复杂的技 术，其应用范围已扩展到修井、完井、测井、增产措施、钻井、管道集输以及用于生 产油管等多种作业。 小直径管( 又称毛细管) 井下注剂技术是国外最近几年发展起来的一种作业技术， 主要用于因积液导致产量下降或停产的采气井，通过作业消除积液影响，恢复产量。 其作业过程是：通过油井将不锈钢小直径管下入井下生产管中，由地面注剂系统通 过小直径管将化学剂注入井内，使液体泡沫化后随天然气流携带出井筒，从而消除气 井井底的液体滞留。 国外从事此项技术研究与应用的公司主要有w e a t h e r f o r d 、d y n a - c o i l 、w c p ( w e l l h e a dc o n t r o l p r o d u c ti n c ) 等公司。其地面作业设备是微型化的连续管作业机，主 要包括注入头、滚筒、动力单元、控制系统、井控系统和注剂系统。在过去5 年内， 仅d y n a - - c o i l 公司作业就已达4 0 0 0 口井以上。 2 第一章绪论 小直径管作业系统组成类似于连续油管系统，所不同的是连续油管多用于短时间 作业，因此一般采用车载系统【l5 1 。小直径管需考虑一口井较长时间应用，故设计成 撬装式，施工时需配运输车和吊车，同时配备地面悬挂装置，实现一套机组机动使用。 为满足生产需要，国内已有一些油田开始使用小直径管作业技术，用于排水采气、注 化学剂或井下测试、控制，但作业设备、工艺与国外水平有较大差距。 与普通的管柱不同，由于小直径管的刚性较小，难以承受纵向压力载荷，在下入 弯曲井段时易发生失稳而产生正弦形和螺旋形变形，影响小直径管的通过能力和作业 能力，故采用小直径管作业之前应对具体的作业进行计算和作业方案设计，否则可能 导致小直径管作业困难甚至失败。在正常的起升、下入工作时，需要分析小直径管的 受力情况，确定小直径管是否能够到达预定井段进行作业。 对小直径管工作过程中的疲劳，因现场实际中一般弯曲循环次数均在1 0 0 0 次以 下，所以属于典型的低周疲劳或应变疲劳问题。同时由于小直径管在工作过程中一般 要受到内部液体的压力和弯曲疲劳联合作用，其应力状态较复杂，所以小直径管的疲 劳问题是一个多轴低周疲劳问题。 人们在对单轴低周疲劳研究的基础上，已广泛开展了对多轴低周疲劳的研究。对 于塑性材料在多轴应力下的高周疲劳问题，一般用t r e s c a 判据( 最大剪应力失效理论) 或v o n m i s e s 判据( 歪形能失效理论) ，计算的应力应变结果比较接近实际。但对于多轴 应力下的低周疲劳问题应用上述理论得出的结果却与试验值之间存在较大的误差。例 如，l i b e r t i n y 研究认为v o n m i s e s 准则没有考虑静水压力的影响。g a r u db r o w n 和m i l l e r 分别对多轴疲劳的研究进行了评述，认为目前虽然提出了较多的多轴低周疲劳失效判 据，但还没有找到一个普遍适用的判据。 且前，国内许多学者已对连续油管疲劳寿命进行了较深入的研究l l ”丌，也取得了 许多成果。通过研究，认识到：连续油管的疲劳寿命受内部压力的影响较显著，即随 内部压力的增加而急剧降低；在其他条件不变的情况下，外径尺寸越大的连续油管， 其疲劳寿命越低，而且在连续油管外径较大时，壁厚对疲劳寿命的影响较显著；连续 油管的疲劳寿命随卷筒直径和导向拱弯曲半径的增大而增大；随连续油管材料抗拉强 度的提高，连续油管的疲劳寿命明显增加，提高材料的抗拉强度可有效地提高连续油 管的疲劳寿命【l 引。 1 3 本文研究的目标与内容 1 3 1 研究目标 在长庆油田小直径管使用现状调研的基础上，充分利用实际生产资料，建立适合 于分析小直径管起下过程的力学模型，研究开井和关井两种情况下管柱在井筒中的运 动规律，考虑小直径管直径、加重杆直径、加重杆长度以及气井产量对管柱起下的影 响，为合理选择施工参数提供理论依据。通过实物疲劳性能实验，对小直径管的循环 3 西安石油大学硕士学位论文 弯曲疲劳行为进行一系列的模拟试验，研究小直径管的疲劳性能。 1 3 2 主要内容 通过研究，主要解决以下几方面问题： ( 1 ) 针对小直径管柱的起下过程，研究开井和关井两种情况下管柱在井筒中的运 动规律，考虑小直径管直径、加重杆直径、加重杆长度以及气井产量对管柱起下的影 响，为合理选择施工参数提供理论依据。主要包括： 进行管柱受力分析，研究起下管柱时在开井和关井两种情况下管柱在井筒中 的运动规律，建立数学模型，并进行求解计算； 考虑小直径管下入气井时由于气体流动产生的阻力，计算管柱中的“中和 点 位置； 建立在给定的不同油管中合理的加重量计算模型，分析不同直径的加重杆对 管柱起下的影响，给出合理的加重杆直径计算方法； 研究加重杆长度对管柱起下的影响，建立相应的数学模型，给出合理的加重 杆长度计算方法； 研究不同的产量对管柱起下的影响，建立产量影响管柱动力学的模型。 ( 2 ) 针对管柱发生弯曲的情况，研究管柱形状及管柱与油管壁之间的接触力的计 算方法，为减小管柱与油管接触力提供理论依据。 研究管柱发生纵向弯曲的条件，给出合理参数组合，避免管柱发生纵向弯曲； 若管柱发生弯曲，给出管柱的形状及管柱与油管壁之间的接触力的计算方法。 ( 3 ) 通过疲劳性能实验，研究小直径管的疲劳裂纹萌生和扩展过程，从而获得管 柱的疲劳机理，合理预测管柱的疲劳寿命。 4 第二章小直径管管柱起下力学分析 第二章小直径管管柱起下力学分析 小直径管由于其直径小、壁厚薄，所以其刚度较小。在小直径管下井过程中，井内 介质对小直径管产生一个上顶力，若该上项力过大，会使小直径管弯曲，从而影响其下 入，甚至导致小直径管锁死而不能下入井内。本项目通过建立适合于分析小直径管起下 过程的力学模型，从而研究开井和关井两种情况下管柱在井筒中的运动规律，考虑加重 杆直径、井底压力、下入速度以及气井产量对管柱起下的影响，为合理选择施工参数提 供理论依据。 2 1 “中和点 的概念 小直径管在垂直的井眼中，如果其下端不受向上顶的力，则小直径管在井内也保持 垂直。当所受上项力足够小，则小直径管仍然保持垂直。当上顶力增大到某一所谓临界 值时，小直径管的垂直形状则不再稳定( 压杆失稳) ，此时小直径管产生纵向弯曲并与井 壁在某点相切接触。如果上项力继续增大，达到一个新的临界值时，小直径管则发生第 二次纵向弯曲，这称为第二次纵向弯曲。随着上项力继续增大，小直径管还可以发生第 三次纵向弯曲乃至多次纵向弯曲。 小直径管弯曲，则在切点处与井壁发生摩擦，当压弯的小直径管弯曲的更加厉害时， 与井壁之间的摩擦力也随之增加，摩擦作用则更加加剧。当上顶力大到某一数值时，可 导致摩擦力增大到足以阻止小直径管继续下入时，小直径管即发生“锁死 现象，这是 小直径管作业时必须避免发生的。 要阻止小直径管发生“锁死”现象，就需保证小直径管在下井作业时尽可能保持垂 直而不发生弯曲，这就需要小直径管下端在下入过程中下端不受上顶力或上顶力足够小。 小直径管在下井时不可避免的要受到介质的浮力、阻力等，因此避免不了上顶力。另外， 由于小直径管其直径小、壁厚薄，所以刚度较小，这就要求在小直径管上所受的上顶力( 即 压力) 要足够小。 在下入井内的管柱上，必然存在某一特定的点，该点以下的这部分管柱在井内介质 中的重量等于上顶力，则该点通常称为“中和点刀【1 9 j 。也就是说，“中和点”以上的管 柱受拉，而。中和点一以下的管柱受压。所以中和点以上管柱在井内是垂直的，中和点 以下的管柱受压而容易失稳。因此，要保证整个管柱在井内始终处于垂直状态，应相应 地增加中和点以下管柱的刚性，即增加直径和壁厚，使其受压而不发生弯陷。 2 2 小直径管力学模型建立 本节针对6 种不同工况，对小直径管下入过程的受力状态进行详细分析，建立了相 应的数学模型。提出不同工况下，小直径管顺利下入所需最小长度计算方法。6 种工况 包括：开井、无断塞流，小直径管稳定下入工况；开井、无断塞流，小直径管下入 同时加注起泡剂工况：开井、有断塞流，小直径管稳定下入工况；开井、有断塞流， 小直径管下入同时加注起泡剂工况；关井，小直径管稳定下入工况；关井，小直径 西安石油大学硕士学位论文 管下入同时加注起泡剂工况。 2 2 1 几何参数定义 如图2 1 所示，小直径管内外径分别为d i 和d l ；油管内径为d 3 ：加重杆为实心圆柱 体，其直径为d 2 。为使小直径管起下过程中不发生弯曲，“中和点”应落在加重杆上，也 即中和点以下加重杆重量应与作用于加重杆上所有外力相平衡。若加重杆长度为l 时中 和点正好位于加重杆与小直径管的连接处，显然，l 即为保证小直径管不被压弯所需的加 重杆长度最小长度。 一d 1 一 - 一。| 1 一 一 7 一 乒 多 多 多 多 多 互 多 匕 j 一 一 。|2 图2 - 1 几何参数 下面分别按关井和开井两种状态建立小直径管起下过程力学模型，并求解所需加重 杆最小长度，。 2 2 2 力学模型建立 在开关井时会遇到一下几种工况状态： 工况l ：无断塞流小直径管稳定下入为便于计算做如下假设： 小直径管下入作业时套管关闭，只采用油管生产。 油管内流动形态为雾流，即气体是连续相，液体是分散相，气液之间相对运动速 度很小，气相是整个流动的控制因素。 图2 - 2 为开井、无断塞流，小直径管稳定下入工况力学模型。图中：表示加重杆 下端压力，即井底压力：为小直径管内起泡剂加注压力，在小直径管稳定下入工况，该 6 第二章小直径管管柱起下力学分析 压力为0 ； 表示加重杆上端压力。，为小直径管下入速度，v l 、v 2 和匕分别表示加重杆 下端、加重杆与油管环形面以及加重杆上端混合气流速。 一d 1 一 一。i l 一 、 z 十+ ； + + ； + + 叶； + + + 二i + 一2 ； + + + + ”1f + + 乎。 + + + + 了： j ， + + 一 + + ：鼍 d2 + ? 斗 i - + + + + t+ 4 - p 1 + + + + 1 ，r卜 + + + j+ + 图2 - 2 开井状态力学模型 设加重杆和小直径管以速度稳定下入止井底或预定最大深度，此处加重杆下端压力 为a ，日产气量( 标态) m 3 d ，日产水量为。此时，加重杆受力包括重力g 、上 端所受力辱、下端所受力最以及周围气体摩擦力e 。若中和点正好处于加重杆与小 直径杆连接处，上述各力应达到平衡，即： g + 辱一兄一乃= 0 ( 2 1 ) 式中各参数单位均采用国际单位，即s i 单位制，若无特殊说明，以下各式与此相同。 ( 1 ) 重力g g 2 _ 7 e 口2 2 l p 艮g q(2-2) 式中：以加重杆直径； ，加重杆最小长度，待求量； 如咖重杆密度，取； g 重力加速度。 ( 2 ) 上端所受力f t 欲求加重杆上端所受力昂，须先求出加重杆上端压力p ，。 以加重杆下端面为基准平面，由实际流体伯努利方程可以得到： 7 西安石油大学硕士学位论文 夕。+ 监2 = p g l + 死+ 争+ 卸 式中： p ，加重杆上端压力。 a 、1 ，。加重杆下端压力、流速。 ，l = g ”( 竿 ( ( 2 - 3 ) ( 6 0 x 6 0 x 2 4 1 0 9 6 l o 。3 器 ( 2 4 ) ) p 劣 互井内计算位置绝对温度，k ； g 譬标准状态日产量； 以油管直径； 矶加重杆下端压力； p 。计算位置气水混合物密度； p m = 见吼+ p g 【l h ) ( 2 - 5 ) 几液体密度，取1 o x1 0 3 k g m 3 ； 巩一液率； “日产水量； p g 计算位置气体密度： 如标准状态气体密度； 何，： 纽星! 3 7 1 1 5 t t q + g l f p i 2 9 3 p l p 尊 p g 2 1 0 1 3 2 5 二t l p s 2 y s p 谢 以气体相对密度，取以= 0 5 8 8 ； 标准状态空气密度，取如= 1 2 0 5 k g l m 3 ； 将式( 2 - 8 ) 代入式( 2 7 ) 得： 以= 黹兄9 x 1 0 - 3 五7 1 印加重杆上端混合气流速； 暑 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 第二章小直径管管柱起下力学分析 屹= 5 。9 6 l 。4 厕t l q x r ，加重杆与油管环形通流面节流压力损失； 卸= 名上v 2 2 p ! 4 r ， 2 j j c 。加重杆与油管环形通流面水力半径； 咫：粥2 2 ：扣畋， v ：加重杆与油管环形通流面混合气流速； 驴5 o 赳旷鼎 a 气体m o o d y 摩阻系数； 肚 1 - 1 1 4 - 2 1 。1 l 以e - - + 型r e o , ) 1 2 j p 油管内壁绝对粗糙度，考虑到管壁存在积垢，取p = 0 1 5 2 x 1 0 3m ； t 通流面有效直径； d 3 = 4 r i = d 3 一d 2 r e ：v 2 d , p 一 。 j 昆合气动力粘滞系数，p a s ； = 1 0 7 k e x p ( x p r ) 其中： 2 6 8 3 2 l o 。2 ( 4 7 0 + m g 1jk= = 1 1 6 1 1 1 1 + 1 0 5 5 5 6 m 窖+ z i x = o o - 3 5 0 45 4 7 7 7 7 8 + 以) 】，= 0 2 ( 1 2 - x ) m g 气体相对分子质量，取m s = 肘0 以= 2 8 9 7 x 0 5 8 8 = 1 7 0 3 k g i o n o l ； 几气水混合物密度，此处单位为g c m 3 ； 9 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 西安石油大学硕士学位论文 将式( 2 - 4 ) 、式( 2 - 5 ) 、式( 2 - 1 0 ) 和式( 2 11 ) 代入式( 2 - 3 ) 即可得到加重杆上端压力见， 加重杆上端所受力辱为： 日= 手一所) p 3 ( 2 - 2 1 ) ( 3 ) 下端所受力尼 瑶= 了7 9 口2 2 夕l ( 2 2 2 ) ( 4 ) 混合气摩擦力b 凡= r 4( 2 2 3 ) 式中：彳加重杆与流层的接触面积； a = 破， ( 2 - 2 4 ) f 单位面积上内摩擦力，即切应力； f ：丝苎鱼竖( 2 - 2 5 1 2 五气体m o o d y 摩阻系数，由式( 2 - 1 4 ) 计算； 成混合气密度，由式( 2 5 ) 计算； 1 ，：加重杆与油管环形通流面混合气流速，由式( 2 1 3 ) 计算。 将式( 2 - 2 ) 及式( 2 - 2 1 ) - - - ( 2 2 3 ) 代入式( 2 - 1 ) ，即可求得开井状态所需最小加重杆长度 ，。 工况2 ：无断塞流时小直径管下入同时加注起泡剂若小直径管下入过程 同时加注起泡剂，则小直径管管内压力p ：略大于加重杆上端压力办，可近似按p ，计 算，这样的近似是偏安全的。此时，加重杆上端受力为： 毋= 手p ；一研+ 砰b ， ( 2 2 6 ) 式中：巩加重杆直径； d l 小直径管外径； 4 小直径管内径； 死加重杆上端压力。 加重杆所受其它力，包括：重力、下端所受力以及周围气体摩擦力与工况l 完全相 同，即分别由式( 2 - 2 ) 、式( 2 2 2 ) 和式( 2 - 2 3 ) 计算。与工况l 类似，将计算出的所有外力代 入平衡方程式( 2 1 ) ，即可得到该工况下所需加重杆最小长度 工况3 ：有断塞流，小直径管稳定下入工况l 和工况2 是在均匀雾流假设 条件下计算的，而实际工程中，小直径管下入时往往会遇到断塞流，即油管中某段完全 为液相。考虑较不利情况，断塞流出现在井底，断塞流上端液相与气相分界面压力为井 底压力，加重杆上端没入液气相分界面下深度为。该工况力学模型见图2 3 ，图中其 l o 第二章小直径管管柱起下力学分析 它符号意义与图2 - 2 相同。 与工况l 类似，该工况下加重杆同样受到重力、上端所受力、下端所受力以及周 围液体摩擦力的作用。当中和点位于加重杆与小直径管连接处时，这些力也应该满足式 ( 2 一1 ) 说表示的平衡方程。不过，该工况下，各力的计算方法与工况l 有所不同。 一d 1 一 鱼l 、 d 1 f z ； 一一11 一一一； = - 鼍z 彦 工 #，2 ； 丰 j v 一 擘 d2 一 o ，生 图2 - 3 开井有断塞流工况 ( 1 ) 重力g g = d ；l p 艮g ( 2 - 2 7 ) 重力的计算与工况l 相同。 ( 2 ) 上端所受力昂 加重杆上端所受压力由气液交界面压力和液柱压力两部分产 生，在不进行起泡剂加注作业只是下入小直径管时，起泡剂喷射口关闭，小直径管内压 力p ，可视为0 。因此，加重杆上端受力为： 昂= 手一研b + p l g h ) ( 2 - 2 8 ) 式中：几液体密度，取1 o x1 0 3 堙m 3 。 ( 3 ) 下端所受力b 下端所受压力同样由气液交界面压力和液柱压力两部分产 生，那么，加重杆所受力为： b = 手d ；瞄。+ p 。g + ，) 】 ( 2 2 9 ) ( 4 ) 液体摩擦力b 弓：了d v ( 2 3 0 ) 西安石油大学硕士学位论文 式中：液体粘滞系数，取z = 1 0 0 5 1 0 - 3 p a s ； 彳加重杆与流层的接触面积，a = 破，； 宰- 、流层速度梯度， a y 1 ，小直径管下入速度； ，：小直径管下端液体流速，可认为断塞流随气体同速移动， ，：按式( 2 1 3 ) 计算； 将式( 2 2 7 ) 式( 2 3 0 ) 代入式( 2 1 ) ，整理后可得到关井状态最小加重杆长度计算公式如下： f = d 2 _ ( p t + 趸p l g 鬲h ) 丽(2-31)d2 g ( p e , 一凡) 一背 工况4 ：有断塞流，小直径管下入同时加注起泡剂在与- r 7 e3 相同的条 件下，小直径管下入同时加入起泡剂时，小直径管内压力将不再为0 ，而应略大于加重 杆上端压力。 不妨取加重杆上端压力进行计算，这样，加重杆上端受力为： 日= 手一所+ 砰b 。+ p , g h ) ( 2 3 2 ) 其它各力的计算与工况3 完全相同，与工况3 类似，可以得到该工况下小直径管最 小长度计算公式： i = ( d 1 2 - _ d 2 ) ( 趸p , + 雨p lg h 两)(2-33)d2 g ( p , 融一纯) 一竺华 在关井时会遇到一下工况状态： 工况5 ：小直径管稳定下入含水气井关井后，由于重力异分作用，拌生水会 聚集于井底而形成性质完全不同的上气柱、下液柱两段流体。考虑最不利情况：加重杆 和小直径管以速度稳定下入至液面下处，假设气液分界面处压力为p l 。 这一工况与工况3 非常类似，唯一不同的是此时液体并不流动，即加重杆与油管环形 通流面内液体流速，为0 ，这样，此通流面内流层速度梯度为： 考5 矗- 与d2 焘- d 2 ( 2 3 4 ) 一= = 一 i z j - 咖圭他：) 以 、 将式( 3 2 - 4 ) 代入式( 2 3 0 ) 可得到该工况下液体摩擦力，重力、上端所受力、下端所受 力的计算则与工况3 相同。根据加重杆受力平衡条件，可得到该工况下加重杆最小长度 计算公式为： ，- 丢炮 以g 一见) 一糍 1 2 鬻端 咖一砂 第二章小直径管管柱起下力学分析 工况6 ：小直径管下入同时加注起泡剂加注起泡剂时， 为0 ，而应按加重杆上端压力计算。这样，小直径管上端受力为： 弓= 詈一研+ d ? b + p 工g 日) 加重杆最小长度计算公式为： 小直径管内压力不再 ( 2 3 6 ) ，：粤型糌 以g 一见) 一嚣 2 3 算例分析 假设：小直径管内径吐：6 5 r a m 、外径d l - - 9 5 m m ，加重杆直径d 2 = 4 2 r a m 、密度 p r e = 1 6 2 4 0 k g m 3 ，油管直径以= 6 2 m m ，下入深度3 2 0 0 m ，日产气量= 1 0 0 0 0 m 3 d ，日 产水量细= 2 0 m 3 d ，井底压力p i = 1 0 m p a ，井底温度五- 8 0 ，气体相对密度以= 0 5 8 8 ， 小直径管下入速度，= 0 1 7 m s 。按开井状态和关井状态确定加重杆长度。 2 3 1 开井状态 工况l ：无断塞流，小直径管稳定下入假设为开井状态，小直径管下入过 程未遇到断塞流，油管内为均匀雾流。计算过程如下： g = i 口2 2 概g = 2 2 0 4 9 5 9 1 ( 2 - 3 8 ) ( 1 ) 加重杆下端流速v 。 v l ：5 0 9 6 l o 。3 生鸳：0 4 6 8 0 朋j ( 2 3 9 ) ( 2 ) 持液率吼 h ，：一j 丝l ：o 1 3 2 4 3 6 ( 2 - 4 0 ) ( 3 ) 井底气体密度& 以= 2 0 4 9 1 0 七争= 5 8 0 4 5 3 k g m 3 ( 2 - 4 1 ) ( 4 ) 混合气密度p m p = p l hl + p 臭一hl 、= 1 8 2 7 9 4 4 k g m 3 ( 2 - 4 2 ) ( 5 ) 加重杆上端混合气流速v 3 屹2 5 。9 6 l o 3 鼎= 0 4 7 9 2 2 4 m s ( 2 4 3 ) 西安石油大学硕士学位论文 ( 6 ) 加重杆与油管环行通流面水力半径墨 r = 丢亿吐) = o 0 0 5 册 ( 2 小) ( 7 ) 环行通流面混合气流速屹 v 2 = 5 。9 6 l 。一而t l q , c = 。8 6 4 8 5 册s ( 2 - 4 5 ) ( 8 ) 环行通流面有效直径t t = 以一d 2 = o 0 2 m ( 2 4 6 ) ( 9 ) 混合气动力粘度以 席= 1 0 。k e x p ( x p ：) = 2 2 5 0 3 9 1 0 弓p a s ( 2 - 4 7 ) 舯k = 篙篙缝嵩堋3 朋。7 x = 0 0 1 f ，3 5 0 + 下5 4 7 7 7 7 8