海上浅层气井喷燃烧场景模拟

海洋油气钻采过程中,当钻井遇浅层气时容易引发井喷事故,井喷可燃气体泄漏引起的火灾对海上平台及钻采装置构成严重威胁。基于计算流体力学(CFD)与有限元分析方法,利用热-流-固耦合与扩散原理构建了井喷燃烧场景,预测了井喷燃烧过程中火焰的扩散与发展规律,并获得井口装置在高温下的热力学响应。结果表明:随着井喷可燃气体的蔓延,高温区域不断扩大,火焰及热辐射对相邻井口装置的服役状况产生显著影响,风速与井喷速度为影响火焰延伸及井口装置热力学响应的主要因素。所建立的热-流-固耦合模型与分析方法可应用于井喷事故中海洋平台的安全评估。

电缆防喷器填料密封性能评价及其影响因素分析

在开采高蜡高沥青质原油的自喷井时,常用电缆来加热析出物以解决井筒堵塞问题,但对能够配套电缆使用的井口高压防喷装置的密封性能研究不足。提出一种适用于加热电缆防喷器的填料密封结构,建立填料环在压缩变形阶段和流体渗透阶段的理论模型和有限元模型,并提出采用密封性能系数来评价不同影响因素下的填料密封性能。研究结果表明:填料环受压缩变形后,应力集中于最上端的主、副密封面上,流体压力渗透后,副密封面密封性能优于主密封面;增大压阀预紧应力,减小流体压力,减小电缆与填料间摩擦因数,可提高填料环主、副密封面的密封性能系数,从而改善填料密封性能;随着过盈量的增加,主、副密封面上的有效接触应力有所增加,但有效接触长度呈现先增大后减小的趋势,当过盈量大于0.06 mm时,密封性能系数降低,填料密封性反而变差。

激荡式气举诱喷排液工艺在停喷井复产中的应用研究

气举是井筒积液停喷井复产中常用的工艺方法。常规气举受注入气压力、停喷井地层压力、含水率及井筒积液程度等多因素影响,整体气举复产成功率不高。针对上述问题,在井筒气液流态分析的基础上,提出通过反复增大和降低生产压差,使气液两相在举升过程中产生气液混合流体柱,再分阶段举升由此产生的气液混合流体柱,可实现停喷井复产。激荡式气举诱喷排液复产法在现场应用表明,有效提高了气举效率,且操作简单、适用范围广、复产效果好。

井喷失控喷流运动学特征参数确定方法

井喷失控是石油及天然气开发中出现的重大恶性事故 ,它将严重危及人民的生命财产 ,污染良田 ,破坏生态环境 ,造成地下资源损失。文章利用空气中紊动射流理论 ,视失控井喷流为一束沉没自由紊动射流 ,分析喷流形状特征尺寸和速度场分布及参数的确定方法 ,为失控井喷着火井处理方案分析 ,处理设计及处理作业提供基础数据 ,达到快速清障、灭火、重建井口控制系统。

气井泥浆喷空后的压井

气井泥浆喷空后的压井，如果压井方法不当，措施不正确，不仅会导致压井失败，浪费人力、时间和材料，而且对油气产层还可能造成严重污染和损害。对于气井泥浆喷空后的压井，现在还没有一种比较成熟的方法，仍是根据经验来确定各压井参数和制定压井工艺措施，成功率不高，其结果往往导致压井失败或将地层压漏。在详细分析气井泥浆喷空后压井过程的基础上建立了平衡点的概念和环空气液两相流模型并结合现场实践经验，提出了气井泥浆喷空后各压井参数的计算方法以及压井施工工艺措施。

深水钻井隔水管与防喷器紧急脱离后的反冲响应分析

深水钻井中,若底部隔水管总成与防喷器紧急脱离,隔水管会反冲,易导致钻井事故。为了解隔水管紧急脱离后的反冲响应规律,分析了隔水管反冲产生的原因及反冲响应过程,明确了隔水管反冲响应的机理和关键影响因素。在此基础上,建立了隔水管张紧器及钻井液下泄分析模型,以探究张紧力随活塞冲程变化的规律及钻井液下泄时作用在隔水管上的摩擦力随时间变化的规律。综合考虑各关键影响因素,基于ANSYS有限元分析软件,建立了隔水管反冲响应分析模型,并以1 500m水深钻井中的隔水管为例,计算、分析了不同紧急脱离时刻和顶部张紧力条件下的反冲响应。分析结果表明,与防喷器紧急脱离后,隔水管在顶部张紧力作用下加速向上反冲,伸缩节冲程减小。研究认为,紧急脱离的时间与顶部张紧力的大小对隔水管反冲响应有重要影响,因此应合理选择紧急脱离时刻和顶部张紧力,以保证紧急脱离条件下深水钻井隔水管系统的作业安全。

安全流变—突变模型在井喷事故中的应用分析

针对井喷事故从量变到质变整个过程的特征,首次运用安全流变—突变理论,分析了油气井从溢流到发生井喷整个过程的规律,描述了井喷事故中安全流变的特点及其影响因素。运用安全流变—突变的物理模型和数学模型,对井喷事故流变—突变过程进行了分析。最终将井喷事故划分为3大阶段:损伤减速增加阶段、损伤等速增加阶段和损伤加速增加阶段,具体归纳为6个小的阶段:溢流潜伏阶段、溢流阶段、井涌阶段、井喷阶段、后效阶段和过渡阶段,从而揭示了井喷事故发生的实质。研究结果表明:控制井喷事故发生的关键就是要将其控制在流变阶段(井喷阶段之前),最多不能超过突变的警戒点(井涌与井喷的交界点)。因此,通过加强安全管理并采取安全技术措施,应使安全流变阶段尽量延长,以防止其向突变的方向发展。

注水井泄压对井壁围岩应力场的影响

注水井泄压过程中的套管损坏现象在中国许多油田十分普遍,根据油藏流体渗流与地应力场耦合作用理论,建立了套管承载计算的力学模型,利用有限元方法,通过数值模拟的手段研究了泄压过程中井壁围岩应力场的变化规律以及油层孔隙压力的变化规律。根据计算结果提出,控制注水井泄压流量是有效防治泄压过程中套损的一种有效手段,并给出了具体的计算方法,从而,为油田现场预防和减少套管损坏提供了理论依据。

起下钻过程中井喷压井液密度设计新方法

钻井起下钻过程中,操作不当容易导致溢流或井喷,而此时钻头不在井底,U形管原理不能描述此时的井眼状况。针对该种情况,基于气液两相流理论,通过分析钻头不在井底时溢流、关井和压井期间的井筒流体特性,建立了钻头不在井底的Y形管模型。利用Y形管的3个分支结构代表钻头不在井底工况下钻柱、环空和钻头以下井眼3部分,钻柱和环空部分的井筒压力特性可以用典型U形管原理分析,当分析关井和压井期间井底压力等压井参数时,应考虑钻头以下井段的流体特性,即Y形管结构下部分支的流体特性,据此,应用Y形管描述钻头不在井底工况下整个井筒的压力特性。基于该理论,给出了根据关井压力恢复曲线读取关井压力的时机,推导出了钻头以下井段的流体密度计算公式,并给出了压井液密度设计方法。实例计算表明,设计压井参数时,钻头以下井段的含气性对地层压力获取和压井液密度求取具有较大影响,因此,在设计压井参数时应首先分析其含气性。

井喷失控点火时间与方位探讨

利用计算流体力学方法(CFD)对井喷失控后天然气扩散过程进行研究,在有限元基础上建立模型,采用κ-ε紊流模型求解得出井喷失控后可燃性蒸气云随时间、风速变化的影响情况,求出稳态以后易爆区域的蒸气云形状。取5.0%和15%作为甲烷的爆炸上、下限,在不同区域进行点火求解爆燃结果,通过比较给出推荐的点火时间和点火方位。该研究成果可对井喷失控蒸气云爆燃危害性进行预测,有助于指导井喷失控进行点火放喷工作,避免爆燃事故的发生。

泡沫混排解堵技术研究与应用

针对生产过程中油井近井地层的堵塞问题研究了泡沫混排解堵技术。通过数值模拟分析了混排过程中泡沫对近井带的影响及其解堵机理,发现泡沫流体在注入过程中一定程度上影响了近井地层的含水饱和度,从而影响了岩石强度;泡沫放喷过程对孔道岩石的影响和连续的冲蚀作用使近井带的渗流条件得到了一定程度的改善。认为泡沫混排解堵主要是通过放喷阶段对射孔孔道的径向及其末端的水平扩展和近井地带的冲蚀作用而达到目的。该项技术在胜利油田应用,获得了很好的效果。

应急放喷工况井下管柱冲蚀行为研究

钻遇高产气层时,气体大量侵入井内,应急放喷施工造成井下管柱面临严重冲蚀。为分析大放喷量、高携砂率工况下井下管柱的冲蚀情况,开展了应急放喷工况井下管柱冲蚀行为研究。应用有限元法,利用ANSYS-Fluent数值模拟软件,针对钻杆水眼和钻杆-套管环空内的流场特性、颗粒轨迹和冲蚀行为开展了模拟分析,得到了日放喷量和日出砂量对冲蚀的影响规律。结果表明:当通过钻杆水眼放喷时,冲蚀薄弱点位于钻杆接头内壁缩径面;当通过环空放喷时,冲蚀薄弱点位于钻杆接头外壁迎风坡;从环空放喷时的冲蚀程度比从钻杆水眼放喷时更为严重。基于研究结果,建议通过钻杆水眼进行放喷,在放喷初期采用小排量放喷,待井筒内泥浆、岩屑和砂粒几乎放喷完后再增大放喷量,可有效降低管柱冲蚀。该研究成果为高压高产气井应急放喷施工方案的制订提供了依据。

国外边喷边钻技术发展

为了保护油气层 ,降低地层损害 ,提高油气产量等 ,发展了欠平衡钻井技术。国外早期的欠平衡钻井技术 ,主要对低压地层采用空气和充气钻井液作为循环介质。随着欠平衡技术及井控设备技术的发展 ,在 90年代初 ,国外又发展了采用液体钻井液对高压地层进行边喷边钻的欠平衡钻井技术 ,该技术已应用于定向井和水平井 ,并且已成熟地在世界各地推广应用。国内在 60年代就开始了边喷边钻技术实践 ,但因诸多原因制约了该技术的发展。目前 ,该项技术已成为国内重点研究发展项目。文中重点讨论了建立边喷边钻欠平衡状态下必须考虑的关键技术 :选择边喷边钻钻井液、选择地面设备和井下工具、施工的操作步聚和受限制使用的范围。在分析实例的情况下 ,对国内边喷边钻技术提出了 3点建议。

准噶尔盆地超深井钻井液体系的研究与应用

新疆准噶尔盆地达巴松凸起地层岩性复杂,地层压力体系多变,钻井过程中易发生喷、漏、塌、卡等复杂事故,钻井施工难度大,对钻井液性能要求高。针对地层复杂情况,室内研究出用胺基钻井液体系钻长裸眼二开井段,用有机盐钻井液体系钻高压高温三开和四开井段,并成功地在DT1井应用。室内研究和现场应用结果表明:该钻井液体系具有很好的流变性,滤失量小,泥饼质量好,润滑性好,抑制性强,抗污染能力强。现场应用时井壁稳定,没有出现高压地层井喷和裂缝地层井漏等问题,全井无井下复杂事故,各次完钻电测和下套管均一次成功。该井的试验成功为后续探井高效钻探奠定了良好的技术基础。

基于流固耦合的水下井口系统拖曳系数研究

分析水下井口系统力学特性时,需要确定水下井口系统的拖曳系数。鉴于此,采用Hydril公司的防喷器组单元尺寸参数为建模标准,并基于Transocean公司防喷器组的选型依据进行建模。在ANSYS流固耦合模块中对适用于不同深度的防喷器组型号及该深度下海水水体环境进行数值模拟。研究结果给出了适用于不同环境下的水下井口拖曳系数,并表明拖曳系数与传统确定方法相比具有较大的偏差,其与防喷器组结构尺寸相关明显,与雷诺数关系较小,即在静水体环境下,防喷器组拖曳系数可近似于仅与其型号有关。研究结果可为水下井口力学分析提供一定的参考依据。

基于序列图像与针孔成像的井喷流体流速计算

针对常见井喷流体流速测量方法存在危险性较高、准确性较差的问题,为安全、精确测量井喷流体流动速度,提出了一种基于序列图像与针孔成像的井喷流体流速计算方法并进行了相应的实验。该方法利用摄像机和自研井喷模拟装置,通过获取大量模拟井喷的序列图像,从中选取前后两帧图像后,对这两幅图像分别用SIFT算法进行特征点提取,再用FLANN算法对提取出来的特征点进行特征匹配,最后使用RANSAC算法进行误匹配特征点消除,得到两幅图之间的准确匹配特征点后,提取这些像素点的坐标位置并计算出匹配特征点之间的位移距离,最后使用基于针孔成像的方法计算出井喷流体的流速,实验结果表明,能获得较准确的井喷流体流速,从而更准确估计井喷的危害,保障了现场作业人员人身安全。

国外自动化泥浆防喷盒技术现状与分析

在海洋钻井平台中,泥浆防喷盒是自动化管道处理系统必备的设备之一,可防止泥浆液喷洒到钻井平台上,提高泥浆液利用率。详细介绍了国外石油设备公司生产的自动化泥浆防喷盒,其主要由泥浆盒和支撑臂等组成,按照支撑臂结构功能不同,提出了自动化泥浆防喷盒分类方式并将其分为5大类,主要包括翻转式、自支撑式、仿手臂式、水平伸缩式、嵌入式泥浆防喷盒。对比分析得出嵌入式泥浆防喷盒兼容性好、重量轻、占用空间小、能够适应不同钻杆,并指出嵌入式是自动化泥浆防喷器的发展趋势,提出刮泥器可作为功能模块嵌入自动化泥浆防喷盒中,且建议我国对于自动化泥浆防喷盒的研究结合国内钻井平台现场适用和实用性,形成模块化产品。

井下防喷器坐封过程及密封性能分析

井下防喷器可直接从溢流源头坐封,可有效防止井喷的发生。为了研究井下防喷器的坐封过程及密封性能,利用ABAQUS软件建立了井下防喷器有限元模型,首先对实际工况下防喷器的坐封过程进行分析,然后在防喷器坐封过程模拟结果上开展密封性能分析。分析结果表明:胶筒在内外压差作用下与套管发生挤压作用,使得井下防喷器在坐封后最大Mises应力及最大接触压力都出现在胶筒与套管中间接触部位,其在坐封后井筒已完全密封;在其他工况不变的情况下,当下部流体压力为25 MPa时,受下部流体挤压作用,拐角处胶筒接触压力相比流体压力为0时明显增大,胶筒中间部位接触压力呈现“牛角状”,此时防喷器胶筒的密封性能良好;在下部流体压力为30 MPa时,井下防喷器内胶筒的金属骨架已经发生严重变形并全部发生位移,此时防喷器的胶筒被高压流体穿破,即防喷器的密封性能失效。所得结果可为井下防喷器的现场应用提供参考。

超临界二氧化碳流体引发井喷探讨

针对超临界流体状态下CO2的特性,结合p—T—ρ图和PR状态方程,计算了天然气与CO2按各种不同比例构成的混合物的p—Z图,从密度、偏差因子和压缩系数的角度,对二氧化碳可能导致井喷的原因加以分析。提出了地层中一定含量的超临界二氧化碳流体可能引发井喷的观点。并且通过对国内外一些类似的井喷事故原因研究后,提出了有效的防喷措施,为高含量CO2和H2S的油气井钻井作业提供一定参考。

下油管过程中管内喷完井液的原因分析

文章将油管和环空视为“Ｕ”型管，根据下油管过程中和接单根时管内外流体的流动规律，应用流体力学基本理论，对完井下油管过程中管内喷完井液的原因进行了理论分析，推导了管内外液面高度差的计算公式。并结合两相流动理论，分析了管内外天然气的滑脱速度差异、流型转变差异。认为完井下油管过程中管内喷完并液的主要原因是：①下油管时管内外形成的液面差加速了天然气溢流进入管内；②管内天然气溢流膨胀比在环空快；③管内天然气滑脱上升比环空易形成气柱。同时，文中还介绍了气侵的原因及方式，并提出了预防和处理管内喷完井液的一些建设性措施。