一種模擬生產鑽柱振動及動態應力的測試方法及裝置與流程
2023-12-02 20:57:31
本發明涉及一種石油與天然氣採氣工程技術領域，具體是一種模擬生產鑽柱振動及動態應力的測試方法及裝置。
背景技術：
在鑽井工程中，尤其氣體鑽井，鑽柱振動主要形式有縱向振動、扭轉振動和橫向振動。縱向振動是由於井底的不平整、牙輪鑽頭牙齒間隔接觸井底、鑽頭破巖過程中受到不穩定的反作用力等因素引起的，縱向共振產生的強大衝擊載荷加速了鑽具的疲勞過程，導致鑽柱、鑽頭、井下動力鑽具等下井工具的損壞。對於扭轉振動，由於鑽具的公轉或渦動，外徑較大的接頭或彎曲鑽具會不斷地敲擊井壁產生「粘卡」現象，導致井下鑽具旋轉停止，而鑽柱的旋轉能量在鑽柱中不斷積累，當鑽柱中積累的動力足以夠克服井壁與鑽具間的磨阻時，瞬間產生「釋放」現象，此時鑽頭和鑽具以高速旋轉釋放能量，正是因為鑽柱的往復「粘卡—釋放」引發了扭轉振動。嚴重的粘卡會造成卡點以上附近鑽具超扭矩，導致鑽具內部的永久變形，持續的粘卡能引起鑽具的疲勞破壞。鑽柱橫向振動主要表現是不規則的橫向擺動，它是由鑽柱的偏轉或渦動造成的。嚴重的橫向振動可能導致鑽柱受到高頻率下的交變應力，最終產生疲勞破壞。
鑽具的扭轉振動、縱向振動和橫向振動雖然各有區別，但又相互聯繫和耦合。現場數據表明：一種振動常常會引起另外兩種形式的振動。輕微的振動對鑽井不會有很大的影響，當振動的頻率接近鑽柱系統的固有頻率時，鑽柱處於共振狀態，嚴重影響鑽井作業。
為此，基於鑽具組合/結構、運動狀態、所受載荷特性等動力學因素，國內外諸多學者已對鑽井過程中的鑽柱振動問題開展了系統而深入的工作，主要包括：下部鑽具組合（bha）的縱向、橫向和扭轉振動特性研究、氣體鑽井鑽柱振動特性及控制措施研究，氣體鑽井鑽柱振動力學模型研究、減振工藝及工具研究。此外，也形成了實時監測鑽井過程中鑽柱振動信號的相關測量儀器及系統。因此，目前的研究成果及相關測試手段基本能實現鑽井過程中鑽柱振動的實時監測及分析，並提出相應的控制措施。
然而，除了鑽井過程中的鑽柱振動以外，在高溫高壓高產氣井應急工況下的生產過程中，流固耦合很可能引發井下鑽柱的劇烈振動（主要包括橫向和縱向），其主要原因是，高溫高壓高產氣井出現應急工況時，完全來不及下生產管柱及配套的井下封隔器，更來不及安裝配套的井口裝置及採油樹，只能採用井筒內的鑽柱生產、鑽柱與套管之間的環空生產及鑽柱和環空同時生產三種方式。應急工況下生產的鑽柱只有在井口固定，其餘完全懸掛在井筒內容，無任何約束，因此，在流固耦合產生的高頻動態應力及劇烈振動下非常危險，極易導致鑽柱疲勞破壞甚至直接斷裂，如新疆塔河油田某區塊的高溫高壓高產氣井。
目前，國內外還沒有提出應急工況下生產鑽柱動態應力及振動的測試方法及裝置，無法預測應急工況下生產鑽柱動態應力及振動特性，從而不能為應急工況下鑽柱生產方案的設計提供理論依據，為此，本發明提出一種模擬生產鑽柱振動及動態應力的測試方法及裝置，該裝置可根據相似性原理開展鑽柱在不同應急生產工況下的模擬試驗，並準確獲取鑽柱在不同生產條件下的振動特性參數及動態應力。
技術實現要素：
本發明的目的是，提出一種模擬生產鑽柱振動及動態應力的測試方法及裝置，以解決不同應急生產工況下鑽柱動態應力及振動特性難以準確預測的技術難題，並在達到上述目的的同時，簡化測試裝置的複雜性，降低測試裝置的成本。
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案：
所述的模擬生產鑽柱振動及動態應力的測試方法，其特徵是：利用高壓泵向鑽柱和環空注入一定壓力的氣體，讓鑽柱和環空憋壓，打開鑽柱排氣閥或打開環空排氣閥或同時打開鑽柱排氣閥和環空排氣閥，分別模擬鑽柱生產、環空生產和鑽柱與環空同時生產三種應急生產方式，同時採用動態信號測試系統及振動傳感器測量三種應急生產方式下閥門開度及流固耦合引起的鑽柱振動特性參數，採用動態應力測試系統及應力傳感器測量三種應急生產方式下閥門開度及流固耦合引起的鑽柱動態應力，所述的模擬生產鑽柱振動及動態應力的測試方法包括以下步驟：
步驟1：基於現場高溫高壓高產氣井應急工況下的生產數據，運用相似性原理，計算實驗所需的壓力、流速、管徑、管長、環空間隙，完成鑽柱振動及動態應力測試裝置設計及安裝；
步驟2：採用高壓泵通過環空進氣口向環空和鑽柱注入氣體，直到環空壓力表和鑽柱壓力表上升到指定壓力（根據實際模擬工況而定）且相等為止，鑽柱和環空處於憋壓狀態；
步驟3：打開鑽柱排氣閥，模擬應急工況下的鑽柱生產，當壓力降到一定值時，關閉鑽柱排氣閥，同時採用動態信號測試系統及鑽柱底部的振動傳感器測量這一過程中流固耦合引起的振動特性參數，採用動態應力測試系統及鑽柱頂部的應力傳感器測量振動引起的動態應力；
步驟4：同理，鑽柱和環空憋壓後，可打開環空排氣閥而關閉鑽柱排氣閥模擬環空生產，也可同時打開環空排氣閥和鑽柱排氣閥模擬環空與鑽柱同時生產，並採用動態信號測試系統和動態應力測試系統分別測量環空生產和環空與鑽柱同時生產時流固耦合引起的振動特性參數及動態應力；
步驟5：動態改變鑽柱排氣閥和環空排氣閥的開度，模擬不同天然氣產量，重複步驟3和步驟4，可測得不同產量下鑽柱生產、環空生產和鑽柱與環空同時生產時調整閥門開度及流固耦合引起的振動特性參數和動態應力；
步驟6：動態振動信號及應力的分析處理，得到不同產量下鑽柱生產、環空生產和鑽柱與環空同時生產時鑽柱的橫向振幅、縱向振幅、周期/頻率及動態等效應力。
為使用上述方法，本發明提供一種模擬生產鑽柱振動及動態應力的測試裝置，其特徵在於，主要包括：鑽柱排氣閥、懸掛器、直角臺肩、環空進氣口、特殊接頭、套管、環空、動態信號測試系統、導線、振動傳感器、底座、堵頭、水泥石、鑽柱、支架、外筒、環空壓力表、環空排氣閥、動態應力測試系統、鑽柱壓力表、應力傳感器、錐形臺肩。其中，鑽柱頂部通過螺紋連接固定於帶有直角臺肩和錐形臺肩的懸掛器上；外筒由上部特殊接頭和下部套管組成並固定於支架上，上部特殊接頭帶有直角臺肩和錐形臺肩，在鑽柱重力作用下懸掛器通過直角臺肩和錐形臺肩實現對環空的密封，套管下部採用帶螺紋的堵頭密封並用水泥石固定於底座上；外筒與鑽柱形成環空；動態信號測試系統及鑽柱底部外壁的振動傳感器用於測量鑽柱振動特性參數，動態應力測試系統及鑽柱頂部內壁的應力傳感器用於測量鑽柱動態應力；環空進氣口用於給環空及鑽柱注入一定壓力的氣體，環空壓力表和鑽柱壓力表分別用於檢測環空及鑽柱的壓力變化；鑽柱排氣閥和環空排氣閥用於模擬不同產量下的鑽柱生產、環空生產及鑽柱與環空同時生產；鑽柱底部與外筒底部之間的間隙足以避免鑽柱振動時與外筒底部之間的碰撞發生。
本發明的優點是：
（1）該裝置可根據相似性原理開展鑽柱在不同應急生產工況下的振動模擬試驗，並準確獲取鑽柱在不同生產工況下的鑽柱動態應力及振動特性參數，為應急工況下採用鑽柱生產、環空生產及鑽柱與環空同時生產的方案設計提供理論依據，同時也為不同應急生產工況下鑽柱振動機理的研究提供了較為完備的中間試驗條件；
（2）裝置結構簡單，操作方便，成本低廉，能真實模擬不同應急生產條件下鑽柱振動的過程。
附圖說明
圖1是本發明結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例，對本發明進行詳細描述。
所述的模擬生產鑽柱振動及動態應力的測試方法，其特徵是：利用高壓泵向鑽柱14和環空7注入一定壓力的氣體，讓鑽柱14和環空7憋壓；打開鑽柱排氣閥20或打開環空排氣閥18或同時打開鑽柱排氣閥20和環空排氣閥18，分別模擬鑽柱14生產、環空7生產和鑽柱14與環空7同時生產三種應急生產方式，同時採用動態信號測試系統8及振動傳感器10測量三種應急生產方式下閥門開度及流固耦合引起的鑽柱14振動特性參數，採用動態應力測試系統19及應力傳感器21測量三種應急生產方式下閥門開度及流固耦合引起的鑽柱14動態應力，所述的模擬生產鑽柱振動及動態應力的測試方法包括以下步驟：
步驟1：基於現場高溫高壓高產氣井應急工況下的生產數據，運用相似性原理，計算實驗所需的壓力、流速、管徑、管長、環空間隙，完成鑽柱振動及動態應力測試裝置設計及安裝；
步驟2：採用高壓泵通過環空進氣口4向環空7和鑽柱14注入氣體，直到環空壓力表17和鑽柱壓力表20上升到指定壓力（根據實際模擬工況而定）且相等為止，鑽柱14和環空7處於憋壓狀態；
步驟3：打開鑽柱排氣閥1，模擬應急工況下的鑽柱生產，當壓力降到一定值時，關閉鑽柱排氣閥1，同時採用動態信號測試系統8和鑽柱14底部的振動傳感器10測量這一過程中流固耦合引起的振動特性參數，採用動態應力測試系統19和鑽柱14頂部的應力傳感器21測量振動引起的動態應力；
步驟4：同理，鑽柱14和環空7憋壓後，可打開環空排氣閥18而關閉鑽柱排氣閥1模擬環空7生產，也可同時打開環空排氣閥18和鑽柱排氣閥1模擬環空7與鑽柱14同時生產，並採用動態信號測試系統8和動態應力測試系統19分別測量環空7生產和環空7與鑽柱14同時生產時流固耦合引起的振動特性參數及動態應力；
步驟5：動態改變鑽柱排氣閥1和環空排氣閥18的開度，模擬不同天然氣產量，重複步驟3和步驟4，可測得不同產量下鑽柱14生產、環空7生產和鑽柱14與環空7同時生產時調整閥門開度及流固耦合引起的振動特性參數和動態應力；
步驟6：動態振動信號及應力的分析處理，得到不同產量下鑽柱14生產、環空7生產和鑽柱14與環空7同時生產時鑽柱14的橫向振幅、縱向振幅、周期/頻率及動態等效應力。
參見圖1，為使用上述方法，本發明提供一種模擬生產鑽柱振動及動態應力的測試裝置，其特徵在於，主要包括：鑽柱排氣閥1、懸掛器2、直角臺肩3、環空進氣口4、特殊接頭5、套管6、環空7、動態信號測試系統8、導線9、振動傳感器10、底座11、堵頭12、水泥石13、鑽柱14、支架15、外筒16、環空壓力表17、環空排氣閥18、動態應力測試系統19、鑽柱壓力表20、應力傳感器21、錐形臺肩22。其中，鑽柱14頂部通過螺紋連接固定於帶有直角臺肩3和錐形臺肩22的懸掛器2上；外筒16由上部特殊接頭5和下部套管6組成並固定於支架15上，上部特殊接頭5帶有與懸掛器匹配的直角臺肩3和錐形臺肩22，在鑽柱14重力作用下懸掛器2通過直角臺肩3和錐形臺肩22實現對環空7的密封，套管6下部採用帶螺紋的堵頭12密封並用水泥石13固定於底座11上；外筒16與鑽柱14形成環空7；動態信號測試系統8及鑽柱14底部外壁的振動傳感器10用於測量鑽柱14振動特性參數，動態應力測試系統19及鑽柱14頂部內壁的應力傳感器21用於測量鑽柱14動態應力；環空進氣口4用於給環空7及鑽柱14注入一定壓力的氣體，環空壓力表17和鑽柱壓力表20分別用於檢測環空7及鑽柱14的壓力變化；鑽柱排氣閥1和環空排氣閥18用於模擬不同產量下的鑽柱14生產、環空7生產及鑽柱14與環空7同時生產；鑽柱14底部與外筒16底部之間的間隙足以避免鑽柱14振動時與外筒16底部之間的碰撞發生。