海上气井环空带压油套管柱动态安全评价技术

为了有效预测海上气井环空带压油套管柱潜在失效风险及安全管理环空压力,提出1种基于井口压力、温度和液位多参数监测的海上气井环空带压油套管柱动态安全评价技术。首先,结合气井生产状态参数和完井信息,建立气井井筒压力分布计算方法;然后,根据力学知识分析气井环空带压油套管柱应力场特点,进而提出利用环空带压井油套管柱安全系数作为油套管柱失效评价依据;最终,开发海上气井环空带压安全监测系统并开展现场案例井分析。研究结果表明:监测系统能够准确获取环空带压状态参数,通过环空压力状态变化分析阐述“A”环空带压机理为泄漏点处油套管之间压力平衡的保持;结合实际井口环空压力监测数据,井筒安全系数能够实时表征油套管柱安全状态。     

多因素耦合作用下的气井持续环空压力预测模型

为了明确油管泄漏、温度效应及多环空相互作用等多重因素耦合作用对气井持续环空压力的影响，首先，基于传热学、工程流体力学及渗流力学理论，充分考虑油管泄漏、温度和压力对环空流体与管柱的影响及多环空相互作用等因素，建立多因素耦合作用下的气井持续环空压力预测模型；然后，基于某气井现场数据验证预测模型的准确性；最后，对比分析考虑多因素耦合作用与仅考虑油管泄漏2种情况的环空压力变化特征及参数敏感性。结果表明：所建立的预测模型具有更高的精度，与仅考虑油管泄漏因素的模型相比，其预测精度提高了3.87%;多因素耦合作用下环空压力出现压力拐点，且恢复过程可分为A高速增长、B缓慢下降和C压力平稳等3个阶段。油管漏点小、初始环空压力下、油管内壁压力小及漏点深度浅的情况下，更加需要考虑多因素耦合作用对环空压力的影响。     

套管环空压力恢复与泄压预测模型研究

针对气井套管环空带压问题,通过研究气体在套管水泥环内的渗流规律,建立了气体渗流的连续性方程和运动方程,并求解出气体在水泥环中的渗流速率。通过分析井口泄压时针型阀处的气体流动状态,得出泄压时的气体泄放速率。以气体渗流速率和泄放速率为基础,结合井口的气体状态方程,分别建立了套管环空压力恢复与泄压预测模型。根据现场A气井实际数据进行实例计算,研究结果表明:所建模型计算的套管环空压力值与现场实测数据吻合,验证了模型的准确性。研究结果对套管环空带压的诊断评估和环空压力的控制具有重要意义。     

气井环空带压临界控制值研究

为了保证环空带压气井生产阶段的井筒完整性,确定气井环空压力安全运行范围,建立了基于API RP 90-2推荐做法的环空带压安全评价方法,重点研究了气井环空带压临界控制值计算方法,提出了1套方便现场应用的环空压力管控图版,针对某环空带压气井进行了现场应用研究。研究表明:API RP 90是针对海上油气井环空带压安全评价的推荐做法,在API RP 90-2推荐做法发布以后已不再继续适用于陆上油气井;基于API RP 90-2的推荐做法考虑因素更为全面,推荐在陆上油气井使用;环空带压临界控制值不再是1个固定值,而是随服役时间增长以及相邻和自身环空压力变化等因素不断变化的值。     

环空带压气井液位测试方法改进研究及应用

为了实时有效监测环空带压气井的液面位置,评价环空带压气井的风险,在传统回波定位技术基础上,提出了1种基于自相关分析的气井液位声波测试方法;建立了环空液位声波测试实验系统,开展了不同起爆压力下环空液位测试实验;对检测到声波信号进行平滑降噪和自相关分析,计算液面位置,并与真实液位进行对比分析;将该方法在现场含噪声的环空带压气井液位测试中进行了应用。结果表明:该方法能够对环空液位声波测试信号中的液面反射波进行有效提取;相比较现有在测试信号平滑降噪基础上提取的液面位置,降低了计算误差;同时,该方法能够在井下噪声环境中实现微弱液面反射声波的有效提取,其处理后的信号峰值指标更为突出,提高了测试系统对液位的识别能力,便于自动识别。     

基于环空带压临界值确定高温高压气井临界产量

高温高压气井环空带压现象日益严重,环空带压过大可能破坏井筒的完整性,基于能量守恒定律和井筒径向传热机理,建立了井筒多环空温度场计算模型;综合考虑环空温度效应和体积效应,建立了环空带压控制方程,以某高温高压气井为例,开展了基于环空带压临界值确定高温高压气井临界产量的具体分析。研究结果表明:环空温度随产量和生产时间的增大先增加后逐渐稳定,相比生产时间,产量对环空温度的影响更加明显;环空带压越大,井下管柱安全系数越小,综合对比API RP 90标准和环空带压安全评价2种方法的结果,确定了各环空最大允许带压值,结合环空带压与产量的关系可得到高温高压气井的临界产量。研究结果对合理制定高温高压气井的生产制度具有理论指导意义。     

气井井下油管多点泄漏定位实验研究

为了探究气井井下油管泄漏地面声波定位方法,在分析油管泄漏声波在环空中传播模式的基础上,提出了井下油管单点及多点泄漏地面声波定位模型;分析了油管泄漏声波特征,并提出了基于自相关分析的油管泄漏声波信号特征时间提取方法;利用自主设计的室内实验系统开展了单点及多点泄漏工况下油管泄漏声波定位实验,提取了各工况下的特征时间,计算环空声速及泄漏点位置,并与真实泄漏位置对比分析。研究结果表明:所提出的模型能够很好的实现油管单点多点泄漏定位,实验中定位误差的绝对值最大为1.54%;利用该方法定位的重点是获取特征时间及环空声速;对环空顶部采集声波信号的自相关分析可以有效提取出定位所需的特征时间。     

南海某深水高温高压气井SS-15型井口头系统薄弱点安全评价

为应对深水高温高压气井生产过程中井口系统复杂性、井口抬升等对整个井口系统完整性的破坏情况,研究环空压力、上顶力、温度、产量对井口头系统薄弱点的影响。基于数值模拟方法建立井口系统有限元力学模型,分析在不同环空压力与上顶力条件下,井口系统各部件的应力大小变化情况,为井口系统薄弱点位置的确定提供理论依据,进而提出深水高温高压井井口系统完整性的管控图版及方法。研究结果表明：环空密封本体与套管挂、锁环与限位槽的接触部位是薄弱点;同一环空压力下,上顶力越大,套管挂等效应力与锁环变形量越大;当上顶力超过700 t时,不论环空压力是否存在,均达到井口系统薄弱点屈服强度。因此,深水高温高压油气井应制定合理生产制度或管理措施,研究结果对保障井口系统完整性,降低深水高温高压井生产阶段风险具有一定参考意义。     

环空带压气井保护液液位测试方法研究

为了有效检测环空保护液位,评估气井环空带压情况,在传统回声法检测的基础上,提出了基于频谱分析及自相关分析的2种液位检测方法;搭建了液位检测试验系统,开展了不同环空压力下的液位检测试验,计算了不同压力下的环空声速;设计了FIR低通滤波器对液面回波信号进行滤波处理,同时利用了上述2种方法计算液位值并与实际值及传统液位计算方法对比,得出了声衰减系数并评判了衰减过程对液面回波信号频谱分析的影响程度。研究结果表明:设计的FIR低通滤波器适用于所建液位检测试验的滤波处理过程;频谱分析及自相关分析都能够有效检测液位高度,最大误差分别为1.65%和0.61%,自相关分析方法具有更高的精确度;声衰减系数整体较小,对液面回波信号频谱分析结果影响较小。     

基于无线传感器网络的气体泄漏源快速定位方法研究

为及时发现大气环境中危险化学品泄漏事故,快速准确判断泄漏源位置,实现有效的监测监控,开发出集气体质量浓度信息采集、时间校准、无线收发等功能于一体的集成探测模块。在此基础上,建立基于无线传感器网络(WSN)的气体泄漏实时监测平台,提出实时监测数据和高斯扩散模型相结合的气体泄漏源快速定位方法。通过开展实际场地泄漏试验,实现气体泄漏源的快速定位,并分析试验系统的敏感度。结果表明:气体泄漏扩散受风力影响很大;合理布局探测器,能有效提高泄漏源定位精度,为危险气体泄漏事故的应急决策提供决策参考。     

基于实时监测数据的城镇窨井可燃气体泄漏特性分析

为了研究城镇窨井气体泄漏的规律及其影响因素,从而为城市用气安全和工程实践提供指导,同时为气体泄漏事故的应急救援提供理论指导,依托合肥市城市生命线工程燃气管网相邻地下空间安全监测系统,对监测系统运行半年以来的监测数据进行了统计分析。结果表明:城镇燃气管道中燃气泄漏的概率与管道内气体压力呈正相关,而管压又与城市居民用气需求量呈正相关;一般用气高峰过后的1～2 h是最危险的时间段,此时最容易发生燃气泄漏;城镇窨井产生沼气的影响因素主要是温度和湿度等,尤其以温度为主,因此高温季节更容易诱发窨井内沼气的产生和积聚;通常发生燃气泄漏时甲烷体积分数较大,波动剧烈,而窨井自身产生沼气时甲烷体积分数较小且比较稳定,同时产生沼气时,沼气中的甲烷体积分数变化与温度变化趋势一致,据此可判断引发报警的可燃气体的种类;沼气组成成分除甲烷外,还有硫化氢和一氧化碳等气体成分,因此为了对城镇窨井内的报警气源做更准确的分析,需要辅助监测硫化氢、一氧化碳等有毒气体。     

中压天然气管道泄漏扩散模拟研究

建立了埋地中压天然气管道发生泄漏时时的数学模型,将土壤视为各向同性的多孔介质,采用FLUENT对天然气在土壤中的扩散规律及浓度分布进行模拟,分析不同时刻地表的危险区域范围,并对比了不同管道压力、泄漏孔径大小、泄漏位置等工况下危险半径随时间的变化。结果表明:管道压力越大,泄漏的体积流量越大,同一时间危险范围越大;相同的泄漏压力下,泄漏孔径对危险半径没有很大影响;不同泄漏孔位置,泄漏初期向上开口时危险半径最大,一段时间后向下开口危险半径最大。     

基于ACF-AMDF的气井环空液面回波特征提取方法

为了精确有效地提取声波法检测气井环空液位的回波周期,在分析环空中测试波的传播特征及基音周期检测的基础上,提出1种基于检测信号短时自相关函数(ACF)及平均幅度差函数(AMDF)的液面回波周期提取方法;利用自主搭建的室内模拟实验系统开展了不同初始环空压力下环空液位检测实验;对检测信号进行中心削波处理并计算ACF/AMDF,提取出液面回波周期并与理论计算值对比分析;同时分析了现场环空液位检测信号,提取其回波周期。研究结果表明:提出的新方法能有效地用于提取环空液面回波周期;室内实验中,该方法最大误差绝对值为1.54%;该方法能够有效抑制液面回波信号中的随机噪声及接箍反射波等,处理后的信号曲线在回波周期处峰值更加突出、集中,而在其他位置更加平滑,提高了对液面回波周期特征的辨识能力。     

鲸鱼优化算法下气体泄漏源波达方向估计法

为减小压力容器气体泄漏实时位置估算误差,准确监测容器工况,首先,从声学监测角度提出一种引入鲸鱼优化算法(WOA)的泄漏源估计方法,采用波达方向(DOA)估计法预测气体泄漏位置方向,获得泄漏源角坐标;然后,引入WOA自适应选择方法分解DOA的特征值,多次迭代得到最精确的泄漏位置;最后,以某化工厂中压力容器数据为实际算例,...     

考虑气液置换的压回法气井压井过程对井底压力的影响*

为在压回法气井压井计算中进一步贴合现场实际情况,提出新的压回法气井压井过程计算方法。在压井过程中,考虑压井液与侵入井筒的气体发生置换,导致井筒流体自上而下分布为液－气液２相－气－气液２相的实际问题,建立压井过程模型,并对井底压力的变化进行计算分析。结果表明:发生气液置换对压回法压井过程井底压力以及注入压力具有明显影响,考虑气液置换对井底压力的控制可更加精确,同时,气液置换越多,压回过程所需要的注入压力越大,易引起更加严重事故。因此,气液置换过程在压回法压井过程不可忽略。     

加气站压缩机间气体爆炸数值模拟研究

加气站压缩机间安全设计时,需要评估内部气体爆炸危害,确定爆炸能量和影响因素。采用CFD技术,建立加气站压缩机间三维模型,模拟不同点火源位置、泄压板不同泄压压力和重量下,压缩机间气体爆炸时的爆炸压力及火焰传播行为。结果表明点火源位置以及泄压参数是影响加气站压缩机间气体爆炸的重要因素;点火源位置距离压缩机间放空位置越近,爆炸压力越小;对于泄压参数,爆炸压力与泄压板开启压力和重量之间均为正比关系。为减缓压缩机间内的气体爆炸危害,需要合理布置点火源位置,选择容重轻、泄压压力小的泄压材料,并同时需要考虑爆炸导致的物体破碎危害以及火焰次生灾害。     

超临界二氧化碳泄漏减压模型构建及泄漏量分析

为了解决超临界二氧化碳管道泄漏风险评估问题,基于工业规模超临界二氧化碳小孔泄漏试验结果,提出分别构建超临界泄漏阶段、气液两相泄漏阶段、气相泄漏阶段的理论模型,并通过确定各阶段的传递参数,实现二氧化碳减压过程的理论建模。采用MATLAB软件编制了模型求解程序。通过试验数据验证了理论模型的可靠性。基于理论模型计算结果定量探讨了初始压力、初始温度和泄漏口径对泄漏减压过程压力及质量流量的影响。结果表明：初始压力在8～9.5 MPa变化时,对减压过程压力及泄漏质量流量影响较小;初始温度在33～39℃变化时,压力降至临界值的时间逐渐增加;泄漏口径减小,压降时间显著变长;在泄漏减压初期,泄漏质量流量均出现波动,随后随压力降低而逐渐降低。构建的理论模型能够实现超临界二氧化碳泄漏质量流量预测。     

基于改进遗传-单纯形混合算法的危险气体泄漏溯源分析

当发生危险气体泄漏时,确定其泄漏位置和泄漏源强,是制定应急方案的基础和依据之一。当无法直接确定泄漏位置、测量泄漏源强时,就需要通过有限的几个监测点,反演出可能的泄漏位置和泄漏源强,现有方法存在收敛过慢、初值敏感、参数过多等问题。描述一种结合改进遗传算法和单纯形法的IGA-NM混合算法,可用于快速反算气体泄漏的位置和源强。IGA-NM混合算法既避免了GA的收敛过慢,又避免了NM初值敏感,兼顾了全局优化。与GA、NM相比,IGA-NM混合算法的计算速度更快,计算误差更小。最后,应用IGA-NM混合算法,基于WebGIS设计了一套计算气体泄漏源强和位置的计算机程序,简化了输入参数,使用方便,可适用于气体泄漏应急监测、大气污染源溯源反查等场合     

胶囊粘液封孔器在测定煤层高瓦斯 压力时失效成因分析

针对采用胶囊粘液封孔器在测定煤层高瓦斯压力过程中,容易出现胶囊被顶出或密封失效等情况,根据多次实践经验,建立了封孔器与瓦斯室、岩石孔壁间整个密封系统的力学平衡方程,分析了胶囊被顶出的原因;通过假设建立了高压瓦斯气体侵入微孔隙模型,给出了泄漏气体侵入时的流量微分方程,并从能量角度分析了气体侵入和逸出微孔隙过程;建立了封孔系统内高压瓦斯在粘液中的扩散、溶解、析出物理模型,从理论上分析这种装置密封高压气体失效机制。通过多次对比现场实验,给出了采用该装置测压时的安全可信值范围,当煤层瓦斯压力超过3MPa时,最好采用传统封孔工艺进行测定。     

多点泄漏对天然气管道沿线压力的影响研究

为研究不同的多点泄漏工况对管道流动参数的影响,基于流动方程建立数学模型,讨论泄漏后压力下降幅值与泄漏位置、泄漏点数的关系,在室内输气环道采集多点泄漏工况下的压力信号并对理论分析结果进行验证。结果表明:泄漏点的上游和下游压力均减小,越靠近泄漏点压力降越大;2个泄漏点之间压力也下降,越靠近上游泄漏点,压力下降幅度越大;泄漏点距起点越近,泄漏引起的压力降低幅值越大。压力下降的幅值受距离起点最近的泄漏点位置影响最大,且随着泄漏点数的增多而增大。