论文摘要
在油气注采生产过程中，井筒与油藏互为边界条件，相互影响，相互制约，构成了一个复杂的井筒-油藏动力学系统。井筒作为地面与地下油气储层联系的唯一通道，担负着油气采出、水/气驱注入以及完井、储层改造等任务。井筒系统内的多相流体流动受高温/高压、CO2/H2S腐蚀等环境的影响，由此引起的井筒内管柱温度/腐蚀应力、管柱与井壁的接触与摩擦、管柱振动、流体-管柱结构耦合效应等一系列复杂的力学问题，构成了包括多相流体动力学、管柱结构动力学两部分研究内容，本文以井筒动力学系统概括之。基于连续介质力学理论架构，本文综合应用力学基础理论模型、数值分析、物理模拟实验等手段，并结合现场实践，开展了井筒水/汽两相混合机制与管柱结构安全评价的研究，主要工作如下：1.稠油热采井筒水/汽两相流重力分异及混合机制研究（1）.建立了垂直井筒压力/干度参数分析模型，并采用迭代方法求解。以此为基础，采用Beggers-Brill流型判别法分析，当注汽与储层吸汽匹配时，水/汽两相流动形态为气弹状间歇流，即含气量较小的液塞和含汽量较大的气泡交替出现，水/汽两相不规则分布、均匀性较差。由于湿蒸汽中水/汽两相密度差异较大，密度较小的汽相易停留在上部，密度较大液相易进入下部，产生重力分异现象，形成水/汽界面，油层越厚，这种现象越显著。（2）.在静态混合器混合机理研究基础上，结合稠油热采注汽工艺，设计加工了填球式水/汽混合器与叶片式水/汽混合器，并提出了井筒内水/汽混合方案。（3）.应用COMSOL Multiphysics软件，数值仿真了叶片式水/汽混合器流场特性。当流体流经混合器内螺旋状叶片时，产生较强的旋转流动和径向流动，推动管壁处与轴心处流体的交换，达到混合效果。在此基础上，研究了叶片式混合单元的数量、排量方式、长径比、注入速度四个因素对混合器内流场特性的影响规律。（4）.基于流动相似性原理，设计并搭建了井筒水/汽两相混合器性能测试地面试验系统。以空气与水作为试验介质，对比分析填球式水/汽混合器与叶片式水/汽混合器的混合效能，并优选叶片式水/汽混合器推广应用于现场生产，提出了井筒水/汽混合技术方案。2.复杂井筒管柱结构动力学特性研究（1）根据井筒管柱井下作业状态，描述了实际井身轨迹中管柱几何形态，考虑超细长管柱的几何非线性与接触非线性特征，将井筒管柱运动视为有阻尼作用的弹性杆柱纵向振动力学问题，采用微元体力学分析方法，建立管柱动力学模型。（2）系统分析了管柱动力学求解方法，并以两个工程问题—射孔桥塞联作管柱泵送下井过程中的动力学问题与油管输送射孔管柱碰撞冲击动力学问题为例，分别采用理论解析与数值分析方法，研究了管柱的动力学响应，探讨了关键工程因素的影响规律。在此基础上，采用VB6.0编制了配套的应用软件系统，为现场施工作业提供指导。