深水高压气井测试生产中的开关井作业窗口分析

杨颖

摘 要：随着我国社会经济的不断发展以及科学技术的不断进步，我国对能源的需求量在不断的增加，同时也面临着越来越严重的能源紧张形势，为了缓解能源的紧张形势，就需要对能源的开采渠道进行拓宽，并提高能源开采的效率，从而缓解国内发展所存在的能源危机。

关键词：深水高压气井；测试生产；开关井作业窗口；管柱；耦合振动模型

1 建立管柱流固耦合振动模型

1.1 相关数学模型分析

在进行深水高压气井测试生产的过程中，由于作业环境的影响需要进行频繁的开关井作业，这就会改变管柱内部油气流动的状态，并且导致管柱发生相应的耦合振动。对深水高压气井生产管柱进行简化，使之成为具有横截面的Euler-Bernoulli梁模型，并对该模型进行相应的假设：管柱的线弹性在各个方向上都是同性，在横向上会存在微小的变形；其内部的气体是一种无黏流体；对管柱的剪切时产生的变形可以忽略。对气体和管柱之间泊松耦合和摩擦耦合效应的考虑，就可以用以下的动力学微分方程进行分析：

[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 对开关井阀门的控制

在进行深水油气测试生产的过程中，需要对井口的控制阀门进行开启，这时候地层的油气流才会进入到生产管柱中，慢慢处于一种稳定的状态。在进行更换油嘴进行产量变更或者突然发生某些情况时，需要进行关井作业，这时候管柱内的油气流的速度就会逐渐下降到0。利用数学相关思想方法，设井口阀门的开井函数和关井函数分别为：

[fop]（t）=[（ttc）1.51，t>tc]，[t≤tc]

[fcl]（t）=[（1-ttc）1.50]

在上述的公式中，[fop]是作为开井过程中井口阀门的控制函数；而[fcl]是作为关井过程中井口阀门的控制函数；[tc]代表的是完全打开或者关闭井口阀门的时间，单位为s。对于开关井过程中油气的产量[qSC]则满足以下的关系式：

[qSC]=[qoscfop（t）， 开井过程qoscfcl（t）， 关井过程]

在上述关系式中[qosc]表示的是开井后或者关井前稳定的油气产量。

1.3 相关边界条件分析

在进行深水高压气井测试生产的过程中，如果将生产管柱的两端简化成固定端，那么管柱的边界条件的数学表达式如下列公式：

[x（0，t）=0，?x?zz=0x（L，t）=0，?x?zz=L]

通过利用相应的分析软件，建立起管柱和天然气流固耦合相关的有限元模型，对每个时间步内各单元的矩阵以及等效节点应力进行相应的计算，结合边界条件对有限元方程进行求解。

2 管柱振动时的固有频率

假定载荷矩阵为零，对生产管柱耦合系统的自由振动特征值和特征向量进行计算，能够进一步得到管柱前六阶归一化振动。深水高压油气生产管柱的形态一般细长又较大，管柱的顶部一直会受到一种张力的作用，由于受到相关重力的影响，随着水的深度的不断增加，管柱的轴向张力会逐渐的降低，从而对管柱的刚度矩阵造成一定的影响，沿着水深的方向，管柱的振型的极值会会逐渐的加大。当管柱的振幅达到极值的相关区域时，就比较容易发生管柱断裂的情况，这对工作人员来说，是在生产管柱设计过程中需要特别注意的问题。

3 开关井过程的振动响应分析

对开井后逐渐稳定的天然气产量进行采取时，分析生产管柱中点瞬态响应时间历程，当开关井的阀门开启后，井下的压力在这时会得到突然的释放，会产生一种不稳定的高压气流，进而造成深水生产管柱产生相应的振动响应，在这个过程中，管柱的振动响应会发生脉动交变，并且出现逐渐衰减的现象。在阀门开启的一瞬间，管柱的振动会得到急剧地增加，慢慢的在结构和流体阻尼的作用下，管柱的振幅会逐渐的减小，在阀门完全处于开启的状态后，深水油气生产管柱仍然会发生相应的振动，在经过一段时间后振幅才会慢慢减小为0，这时候管柱内部的天然气的流动状态也会逐渐的稳定。

4 深水高压气井测试生产中开关井作业窗口分析

4.1 确定开关井作业窗口的流程

在对深水高压气井测试生产的开关井作业窗口进行确定时，首先需要获得深水油气生产管柱的相关结构参数和油气井的相关详细参数，在这个基础上建立管柱内流固耦合的分析模型。对于每个工况，分析生产管柱的耦合动态响应，对管柱激振响应结果进行提取，然后参考管柱系统中内外管柱之间的间隙，进而对开关井作业的可行性进行判断。通过不断对开关井作业时间进行调整，进行耦合分析模型的更新，一直到找到相应的临界作业时间。组合不同产量下的允许作业参数，就能够确定深水油气生产管柱的开关井作业窗口。

4.2 分析不同张力比下的开关井作业窗口

针对深水油气生产管柱开关井作业，在不同的天然气产量下进行相应的动态分析，能够得到在不同张力比下开关井的极值安全作业时间。生产管柱的开关井作业窗口对天然气的产量具有极为敏感的特点，在天然气产量不断增加的过程中，开关井作业窗口的极值安全作业时间也会加大。通过分析不同张力比下的开关井作业窗口，可以发现随着张力比的不断增加，开关井作业窗口也会逐渐增加。分析图中的数据能够总结出一个特点：提高顶张力有助于减小开关井过程极值安全作业时间。较大的顶张力能够有效增加管柱的刚度，降低其振动幅值，有效降低管柱和立管之间的接触和碰撞，从而能够很好地降低开关井的作业风险。

5 总结

综上所述，随着我国社会经济的不断发展以及对能源的大量需求，需要进行深水油气开发和利用。在进行深水高压气井测试生产的过程中，通过建立管柱流固耦合振动模型，对管柱开关井作业振动特性进行了分析，包括管柱的振動时的固有频率和开关井过程的振动响应，最后分析了深水高压气井测试生产中开关井作业窗口，从而为深水高压气井测试生产中管柱的设计以及作业的安全提供一定的参考。

参考文献：

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