1、硬关井时的井口流场分析I摘 要在钻井过程中，为防止井涌、井喷、井喷失控等钻井事故的发生，实现安全高效的勘探钻井作业，井控设备的可靠性显得十分重要。近些年来，随着钻井技术和钻井工艺的不断发展，油田中深井、超深井和高压油气井越来越多，使得油气田发生井喷失控的危险性越来越高，因此，选择关井技术对控制溢流和防止井喷等显得尤为重要。目前，我国在井控过程中大多采用“软关井” 、 “ 半软关井”或“硬关井”三种关井方式，采用不同的关井方式，对井口装备产生的作用也各不相同，我们必须从安全性、可靠性和时间等反面考虑。因此，如何选用合适的关井方式就成为了一个需要认真研究并加以解决的问题。本文针对油田井控装备的现状
2、，在对目前井控装备和井控技术、流体模型研究的基础上，开展了硬关井程序下的水击模型的建立及不同因素下的井口压力变化的有限元模拟，并对闸板防喷器壳体进行了仿真分析。本论文主要完成了以下几方面的工作：(1) 在对现场井控理论和井控装备研究的基础上，分析各种客观条件下所适用的关井方式，得出在某些特定条件下使用硬关井更利于井控的结论，指出硬关井水击分析的必要性。(2) 完成了一定假设前提下提出水击波速和水击压力方程的推导、水击模型的建立。(3) 利用有限元分析软件 ADINA，完成溢流关井过程中不同时间关井的流体仿真模拟，得出不同关井时间下闸板处的压力和流速的变化规律。(4) 对硬关井井口流场、进行分析
3、。关键词：井控；硬关井；水击压力；流场模拟西南石油大学本科毕业论文IIAbstractIn the process of drilling, well kick, blowout preventing drilling accidents, realizing safety and high efficiency of exploration and development operation, reliable well control equipment is very important. In recent years, with the continuous development
4、of drilling technology in deep well, ultradeep well, oil field and the high pressure oil and gas well more and more oil and gas fields, the occurrence of blowout out of control risk is more and more high, therefore, how to choose the shut-in technology to control overflow and blowout prevention are
5、very important. At present, our country is in well control process is used mostly “ soft shut-in“,“ hard shut-in“ or“ half soft shut-in“ three kinds of shut-in, using different shut-in wellhead equipment, to produce action also each are not identical, we must from the safety, reliability and time. I
6、nto consideration. Therefore, how to choose an appropriate shut-in became a need studies seriously and try to solve the problem.This paper proposes a well control equipment current situation, on the well control equipment and well control technology, fluid model on the basis of the study, carry out
7、hard shut-in procedure under the water hammer model and different factors of wellhead pressure changes in the finite element simulation, and the flashboard blowout preventer shell are analyzed. This paper mainly completed the following work:(1)In the field of well control theory and well control equ
8、ipment on the basis of the research, analysis of various objective conditions applicable to shut in the well, that in certain conditions more conducive to use hard shut-in well control the conclusion, points out the hard shut-in hammer analysis necessity.(2)We will Complete the hypothesis premise wa
9、ter hammer wave speed and the pressure of water hammer equation, water hammer model.硬关井时的井口流场分析III(3) Using finite element analysis software ADINA, complete overflow shut-in process in different time to shut in the well fluid simulation, different time at Kansai gate pressure and flow rate variation
10、.(4) For hard shut-in wellhead flowing analysis.Key words: well control; hard shut-in pressure; water hammer; flow field simulation西南石油大学本科毕业论文IV目录摘 要 .IABSTRACT .II第 1 章 绪论 .11.1 概述 .11.2 问题的提出 .11.3 研究的目的和意义 .11.4 研究的主要内容 .21.5 本章小结 .2第 2 章 井控装备和技术 .32.1 井控装备概述 .32.1.1 井控设备组成及功能 .32.1.2 井口防喷器介绍 .4
11、2.1.2.1 防喷器结构和工作原理 .42.1.2.2 防喷器组合压力级别的选择 .72.1.2.3 防喷器通径的选择 .72.2 井控技术概述 .72.2.1 井控方式分类 .72.2.1.1 一级井控 .72.2.1.2 二级井控 .72.2.1.3 三级井控 .82.2.2 井口事故 .82.2.2.1 井侵 .82.2.2.2 溢流 .92.2.2.3 井涌 .92.2.2.4 井喷 .92.2.2.5 井喷失控 .92.3 本章小结 .9第 3 章 关井方式 .103.1 关井方式的分类 .103.1.1 硬关井 .103.1.2 软关井 .10硬关井时的井口流场分析V3.1.3
12、半软关井 .103.2 关井方式的选择 .113.3 本章小结 .11第 4 章 硬关井流场分析和模型计算 .124.1 流体流型分析 .124.2 硬关井水击模型 .134.2.1 水击波传播的第一阶段 .134.2.2 水击波传播的第二阶段 .144.2.3 水击波传播的第三阶段 .144.2.4 水击波传播的第四阶段 .154.3 水击压力的计算公式 .154.4 本章小结 .16第 5 章 流场模拟试验和数据分析 .175.1 ADINA 软件介绍 .175.2 流固耦合有限元模型 .185.2.1 防喷器选择 .185.2.2 固体有限元模型 .195.2.3 流体有限元模型 .19
13、5.3 流场试验及分析 .205.3.1 不同时间关井井口压力测量和分析 .225.3.2 各井段的水击压力分析 .255.3.3 井井口流速测量和分析 .285.4 本章小结和结论 .29第 6 章 减小水击方法 .30致谢 .31参考文献 .32硬关井时的井口流场分析11. 绪论1.1 概述常规钻井作业主要依靠井筒内的液柱压力略大于地层流体压力，达到正常钻进的目的 4。但在钻井作业中，各种不确定的因素造成油气井的压力平衡遭到破坏，当井筒内的液柱压力不足以平衡地层压力时，就会发生溢流，对钻井的安全性产生严重影响。溢流的严重程度主要取决于地层的孔隙率、渗透率、井底欠压差值及地层流体进入井筒的数
14、量。当溢流没有得到有效控制时，溢流程度就会不断加剧，其后果是导致井喷失控，不仅造成地下资源及生态环境的严重破坏，还对人的生命安全构成严重威胁。对溢流和井喷等危险进行有效的控制就必须依靠相应的井控设备。井控设备是实施油气井压力控制技术的一整套专用设备、仪表与工具。溢流或井喷发生时可以由井控设备实施关井，对在井口施加回压，暂时恢复油气井内的压力平衡，为成功实施压井、彻底恢复油气井的压力平衡争取时间。近年来随着深井、超深井、高压油气井的增加及欠平衡钻井工艺的广泛采用，井控设备作为及时发现和控制溢流、防止井喷、避免油气资源浪费、保护设备及人身安全的关键设备，对整个钻井工程的安全保障作用愈加突出。因此，
15、如何对井口装备的可靠性进行评价变得尤为重要。1.2 问题的提出当井内发生溢流时，井口装备的关井操作程序的准确性成为关键。目前井场上常用的关井操作包括硬关井和软关井两种方式，不同关井方式下产生压力突变与流量突变各不相同，产生的水击现象也不相同。当采用软关井时，虽然对地层产生的水击压力较小，但是由于关井时间较长，使得更多的气体侵入井筒，产生更大的附加压降，使套管鞋处地层被压裂的危险性增大，不利于后续的压井作业；而采用硬关井时，由于防喷器关闭时间较短，在井口处会产生很大的水击现象，可能对防喷器等井口设备造成冲击破坏，极大地影响井口装备的安全性。因此，选用合适的关井程序，保证井口装备的安全性，对水击问
16、题的分析显得尤为关键。西南石油大学本科毕业论文21.3 研究的目的和意义本文主要是研究硬关井井口压力波动的变化以及波动变化的影响因素，用ADINA 软件模拟井口流场的变化，找出井内压力和流速的变化规律。确定最优关井时间和提出减小水击的一些措施。防止井喷事故的发生，保证钻井人员和钻井设备的安全。1.4 研究的主要内容本文研究的主要内容包括以下几个方面：(1)在对现场井控理论和井控装备研究的基础上，找出两种不同关井方式的优缺点，并进行对比研究，指出硬关井水击分析的必要性。(2) 在一定的假设前提下，对硬关井程序下井筒内的水击问题进行分析，在求出水击波速和水击压力计算公式基础上，建立水击模型，并对其
17、进行求解。(3) 利用有限元分析软件 ADINA，完成溢流关井过程中不同时间关井的流体仿真模拟，得出压力和流速随时间变化的规律。(4) 在仿真模拟的基础上，提出一些减小水击的可行措施。1.5 本章小结本章主要概述了目前的发展状况，提出正确关井操作程序的重要性。提出研究硬关井的重要意义，并就研究内容做了简单介绍。硬关井时的井口流场分析32.井控装备和技术2.1 井控装备概述2.1.1 井控设备组成及功能井控装备是指实施油气井压力控制技术所需的一整套专用设备、仪表和工具的统称，是对油气井实施压力控制、对事故进行预防、监测、控制、处理以及实现安全钻井必不可少的系统装备。为了满足油气井压力控制的要求，
18、井控设备必须能在钻井过程中对地层压力、地层流体、钻井主要参数、钻井液参数等进行准确地监测和预报；当发生溢流、井喷时，能迅速控制井口、节制井眼中流体的排放，并及时泵人压井钻井液使之在维持稳定的井底压力条件下重建井底与地层之间的压力平衡。即使发生井喷失控乃至着火事故，也具备有效的处理条件。因此，标准配套的井控设备应由以下主要部分组成。1以液压防喷器为主体的钻井井口，又称防喷器组合。其主要包括：(1)液压防喷器；(2)套管头；(3)四通；(4)过渡法兰。2液压防喷器控制系统。其主要包括：(1)司钻控制台；(2)远程控制台；(3)辅助遥控控制台。3以节流管汇为主的井控管汇。其主要包括：(1)节流管汇及
19、液动节流阀控制箱；(2)放喷管线；(3)压井管汇；西南石油大学本科毕业论文4(4)注水管线；(5)灭火管线；(6)反循环管线。一般来说，在钻井过程中一套完整的井控设备应具备以下主要功能：(1) 预防井喷。控制井筒内压力情况，防止井喷条件的形成。(2) 及时发现溢流。对井筒内进行监测，以便尽早发现井喷预兆，采取控制措施。(3) 迅速控制井喷。溢流、井涌、井喷发生后，迅速关井，实施压井作业，对油气井重新建立压力控制。(4) 处理现场复杂情况 。在油气井失控的情况下，进行灭火抢险等作业。2.1.2 井口防喷器介绍2.1.2.1 防喷器结构和工作原理防喷器的结构及其结构特点如下：(1)、壳体、中间法兰
20、等主要承压件采用高强度、高韧性合金钢，严格控制材料的有害化学成分和非金属夹杂物，进行炉外精炼锻造成型，并经适当热处理，保证防喷器使用安全可靠。壳体闸板腔采用长圆形，减少应力集中。(2)、侧门总成开关和闸板开关均采用液压驱动，并且是同一油路。侧门总成打开和关闭闸板是同一油路、同一操作；而侧门总成关闭和打开闸板是同一油路、同一操作。(3)、采用浮动式闸板密封，可减小闸板开关阻力，减少胶芯摩损，延长闸板使用寿命，还可防止壳体与闸板锈死在一起，易于拆卸。 (4)、壳体与中间法兰之间采用径向浮动密封结构，这样能形成可靠的密封。并且这种结构的侧门密封不需要很大的侧门螺栓预紧力。(5)、液压油路壳体内部及锁紧部分采用埋藏式结构，避免在安装、运输及使用过程中碰坏油道；开闸板时有两处为外置油路，且在侧门下面，这样可有效避免磕
