硬关井方式对井口装置影响分析研究

论文摘要

在钻井过程中,为防止井涌、井喷等钻井事故的发生,实现安全高效的勘探开发作业,可靠的井控设备显得尤为重要。近年来,随着钻井技术的不断进步,深井、超深井和高压油气井越来越多,钻井过程中发生井喷失控的频率变得越来越高,如何选择关井方式对控制溢流和防止井喷等显得尤为重要。目前,我国在井控中大多采用“软关井”、或“半软关井”二种方式,但由于关井时间较长,造成过多的气体侵入井筒,产生更大的附加压降,增大了套管鞋处地层被压裂的危险,不利于后续的压井作业。而硬关井方式关闭时间较短,能较快的实施关井,降低了井喷的危险,但在会产生很大的水击作用影响井口装备的安全性。因此,对硬关井方式下井筒内部流体规律进行研究,是保证井口装备的安全性关键,同时也为最佳关井方式的选择提供参考。本文针对某油田井控装备现状,在对目前井控装备和技术、气液两相流模型研究的基础上,开展了硬关井程序下水击模型理论研究及有限元模拟,并对闸板防喷器壳体和密封性能进行了仿真分析。为此,本论文主要完成了以下工作：(1)在对现场井控技术和装备研究的基础上,分析了三种不同关井方式各自的优缺点,指出了硬关井方式水击分析的必要性。(2)在对垂直井筒内的气液两相流研究的基础上,建立了水击波速和水击压力方程,并完成了水击模型的建立及编程求解,为水击压力模拟和水击实验奠定理论基础。(3)完成了溢流关井过程中不同开度、不同气体含量和不同流速三种工况下的流体仿真模拟,得出了不同状态下闸板处的压力和流速的变化规律,指出采用“先慢后快”的关闭防喷器方式,可以有效的降低冲击载荷压力。(4)完成了70MPa和105MPa两种不同工况下防喷器壳体的有限元模拟,找出了防喷器壳体内部应力分布规律及应力集中区,得出了壳体安全系数达到2.4,能较好地满足闸板防喷器安全要求。(5)完成了40MPa井压冲击载荷下闸板胶芯与钻杆的密封性能仿真分析,得出胶芯组合能够实现安全密封,为胶芯的设计和优化提供理论参考。(6)完成了新型胶芯与常规胶芯之间接触应力对比分析,指出新型胶芯与钻杆之间将会产生更大的密封应力,提高了封井性能。同时由于PTFE环的低摩擦系数和高耐磨性,减弱了钻杆对胶芯的划伤破坏作用,延长了胶芯的使用寿命。(7)提出了硬关井和软关井两种方式下的水击实验方案,通过对测得实验数据进行对比,确定硬关井方式的可行性。综上所述,通过本文的研究工作,为油田上硬关井方式下的井控设备可靠性研究奠定了良好的理论基础,对提高井控装备的整体水平具有实际的应用价值,同时为下一步的水击模拟实验提供理论指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 问题的提出
• 1.3 国内外硬关井方式研究现状
• 1.4 本文研究的目的意义及来源
• 1.5 研究内容及技术路线
• 1.5.1 主要内容
• 1.5.2 本文技术路线
• 1.5.3 本文创新点
• 第2章 井控装备与技术研究现状
• 2.1 井控装备概述
• 2.1.1 井控设备组成及功能
• 2.1.2 井口防喷组合介绍
• 2.2 井控技术概述
• 2.2.1 井控方式分类
• 2.2.2 井控相关概念
• 2.3 关井方式分类
• 2.4 本章小结
• 第3章 硬关井方式下的水击研究
• 3.1 井筒气液两相流动模型研究
• 3.1.1 两相流的主要参数
• 3.1.2 气液两相流基本流型及特点
• 3.2 水击现象的分析
• 3.2.1 水击波传播的第一阶段
• 3.2.2 水击波传播的第二阶段
• 3.2.3 水击波传播的第三阶段
• 3.2.4 水击波传播的第四阶段
• 3.3 溢流关井的水击讨论
• 3.3.1 水击波速的计算公式
• 3.3.2 气体对水击波速影响
• 3.3.3 水击压力的计算公式
• 3.3.4 井口混合液流速对压力的影响
• 3.4 水击数学模型的建立
• 3.5 求解水击模型
• 3.5.1 水击模型简化
• 3.5.2 数学模型离散
• 3.5.3 数值分析实例
• 3.6 本章小结
• 第4章 硬关井下的井口流场模拟研究
• 4.1 计算流体动力学概述
• 4.2 建立防喷器流场有限元模型
• 4.2.1 实体模型
• 4.2.2 网格模型
• 4.2.3 初始边界
• 4.3 不同开度对水击压力和流速的影响
• 4.3.1 有限元模拟结果对比
• 4.3.2 不同开度下的压力和流速参数
• 4.3.3 有限元结果分析
• 4.4 不同混合速度对水击压力的影响
• 4.4.1 有限元模拟结果对比
• 4.4.2 不同气体含量下的压力和流速参数
• 4.4.3 有限元结果分析
• 4.5 不同气体含量对水击压力和速度的影响
• 4.5.1 有限元模拟结果对比
• 4.5.2 不同气体含量下的压力和流速参数
• 4.5.3 有限元结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 硬关井方式下井口装置的仿真分析
• 5.1 闸板防喷器的结构及机理研究
• 5.1.1 闸板防喷器的组成
• 5.1.2 闸板防喷器机理研究
• 5.2 防喷器壳体的有限元分析
• 5.2.1 有限元模型的建立
• 5.2.2 有限元分析结果
• 5.2.3 防喷器的静水压力实验
• 5.2.4 闸板防喷器壳体的安全性评价
• 5.3 闸板总成与钻杆之间密封性能分析
• 5.3.1 半封闸板胶芯有限元模型建立
• 5.3.2 初始边界
• 5.3.3 网格模型
• 5.3.4 材料参数
• 5.3.5 计算结果分析
• 5.4 PTFE新型胶芯设计及分析
• 5.4.1 新型胶芯三维模型
• 5.4.2 材料性能参数
• 5.4.3 计算结果分析
• 5.4.4 结果对比分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 硬关井水击压力试验方案研究
• 6.1 硬关井水击压力试验方案
• 6.1.1 实验目的
• 6.1.2 实验简图
• 6.1.3 实验测试数据
• 6.1.4 实验所需数据
• 6.1.5 实验步骤
• 6.1.6 实验内容
• 6.2 软关井水击压力试验方案
• 6.2.1 实验目的
• 6.2.2 实验简图
• 6.2.3 实验测试数据
• 6.2.4 实验所需数据
• 6.2.5 实验步骤
• 6.2.6 实验内容
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论与下一步工作
• 7.1 结论
• 7.2 下一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果