海上气井环空带压地面监测诊断方法研究

为有效管理海上气井环空带压(SCP),建立海上气井安全屏障模型,分析得出引起SCP的23种气体泄漏途径;根据SCP特性及其形成原因,建立环空压力监测和组分分析结合的SCP诊断方法;针对油管失效泄漏这一最危险因素,建立利用环空保护液位置判断泄漏位置的方法,以及通过监测井口泄压速率诊断泄漏程度的方法。综合压力、流量、温度、液面及气体组分等监测指标,建立适合海上生产平台使用的SCP地面在线监测系统。结果表明:对于有SCP问题的天然气井,压力监测与组分分析结合能够排除热膨胀引起的环空压力;为准确判断引起SCP的泄漏量和泄漏位置,需要测量流量、温度和环空液位高度等参数。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

水平管分层流下微孔泄漏特性数值模拟和实验分析

在油气田开发过程中，通常采用气液相混输模式，管道受腐蚀等因素影响容易出现穿孔而发生两相流泄漏。为分析两相流泄漏特性，对管内常见流型分层流下的微孔泄漏特性进行数值和实验分析；采用VOF耦合Level set算法分析了不同影响因素下的气液两相泄漏特性，设计了1种管道泄漏收集装置，进行室内两相流泄漏实验，并验证了数值预测模型的准确性。研究结果表明:气液两相流经过管壁泄漏口时会发生相分离，泄漏特性受小孔方位、管路内外压差、气液相流速影响较大；泄漏口位于管路侧壁时的泄漏特性与其他角度下的泄漏特性有所不同，可用泄漏影响区内的气液分布进行解释；当泄漏口位于管路底部时，存在临界液相分流系数，当液相分流比小于此临界值时，泄漏流体为单相液体。VOF耦合Level set算法的数值方法可为管路泄漏量预测和相分离特性分析提供参考。     

海上超高温高压钻井井筒温度压力场耦合研究

为研究海上超高温高压钻井井筒温度压力的变化规律,基于流体力学和传热学理论,考虑超高温高压井筒环境对钻井液密度以及钻井液流变参数的影响,建立海上超高温高压钻井井筒温度压力耦合预测模型,并利用实例井现场随钻数据进行模型验证,分析正常钻进期间井筒温度压力的变化规律。研究结果表明：对井筒温度而言,钻井液流变性变化的影响大于钻井液密度变化的影响,耦合计算温度结果要大于不耦合计算的温度值,且两者之间的温差随井深的增加越来越大;对井筒压力而言,钻井液密度变化对当量循环密度ECD(equivalent criculating density)的影响要大于流变性对ECD的影响,且耦合计算的ECD要小于不耦合计算的ECD值。该耦合模型可以提高井筒温度压力的预测与控制精度,并降低超高温高压地层窄密度窗口中的安全钻进风险,研究结果对超高温高压钻井精准的井筒温度压力预测及控制具有重要意义。     

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。     

城市燃气管道泄漏多因素耦合致灾机制研究

城市燃气管道很容易因复杂的城市环境影响而发生失效泄漏,而多灾害因素共同作用下的城市燃气泄漏的灾害后果更加严重,灾害形势更为复杂。为揭示城市燃气管道泄漏后多因素耦合作用下的动态致灾过程及灾害特征,首先采用系统框图对城市燃气管道泄漏灾害系统的内部结构进行分析,并在此基础上构建多因素耦合致灾数学模型;然后基于系统动力学理论,分别以燃气火灾、爆炸及毒害气体灾害为子模块,建立灾害系统动力学模型,并以模型检验来验证其适用性;最后应用于实际案例分析,采用系统动力学专用仿真软件,分别讨论了不同耦合条件下的单灾害和多灾害的动态致灾过程。结果表明:灾害子系统内部耦合度及同质耦合度增加,会促进各种灾害的增长速度、加速灾害发展,但不改变灾害损失的程度;而子系统间的耦合度增加,不仅会加快灾害的发展速度,还会提高其损失的程度、增加灾害损失的严重度。这表明,为有效控制复杂环境下的城市燃气管道泄漏灾害,应该削弱系统内部的因素耦合,孤立子系统间的因素耦合。     

基于稳态模型的井下抽采主管道泄漏检测方法研究*

为准确检测煤矿井下瓦斯抽采主管道泄漏位置，提出基于稳态模型的管道泄漏检测与定位方法，采用Comsol数值模拟及地面相似实验研究压力梯度法对煤矿井下抽采管道泄漏检测与定位的可行性及准确性。研究结果表明:管道未泄漏时，管内沿线压力呈均匀分布，当管道突发泄漏时，管内压力分布呈现明显弯折现象，弯折处即为管道漏点位置，并对管道阻力计算公式进行修正，提高了检测准确性；随着管道泄漏程度的加大，湍流效应显著增强，漏点处速度、压力产生明显突变，且当其他条件恒定时，随着管道泄漏孔径的扩大，管道的漏入量越大，定位的相对误差越小；在宏岩矿开展地面相似实验，实验结果绝对误差为4.5 m，相对误差为6%；在阳煤五矿井下8421抽采巷进行现场应用，绝对误差134 m，相对误差约7.95%。     

大气土壤耦合的埋地燃气管道泄漏扩散数值分析

为了研究埋地燃气管道泄漏燃气在非稳态泄漏条件下的扩散行为，基于燃气管道非稳态泄漏大孔模型，应用CFD分别求解土壤和大气扩散方程，通过丙烷地面扩散通量耦合了土壤和大气环境，进行了泄漏扩散的数值模拟，所得模拟计算结果与地上泄漏扩散数值模拟结果进行了对比分析。研究结果表明:耦合模拟条件下，风速仍是影响丙烷扩散距离和高度的主要因素；温度和相对湿度对丙烷扩散有相对较小的影响；与埋地泄漏相比，不同条件下地上泄漏的扩散距离和扩散高度均有误差，水平扩散距离误差普遍较大，扩散高度个别情况下误差较大；地上泄漏条件下的模拟结果数值偏大，对事故的预测和评估准确性会产生显著影响。     

天然气管道非稳态泄漏扩散的数值模拟

针对长输天然气架空管道泄漏问题,综合考虑风速随海拔变化的边界条件、管道管形及泄漏方向等因素,建立非稳态泄漏模型,对不同管道泄漏压力和不同天然气浓度边界的天然气非稳态泄漏扩散进行了数值模拟。结果表明:在天然气向下泄漏的工况下,天然气气团主要在地面积聚,呈无规则的扩散;天然气管道泄漏压力与气体泄漏扩散速度成正比,与天然气浓度边界达到稳定所需时间成反比:不同泄漏压力下天然气扩散稳定后的扩散距离及泄漏影响面积大致相同;天然气浓度边界越小,达到稳定所需时间越长。     

风速对LPG球罐泄漏扩散过程的影响研究

液化石油气(LPG)泄漏扩散受风速、温度、压力等因素影响,其中风力作用对泄漏扩散过程的影响最明显.为研究风速对LPG球罐泄漏扩散的影响规律,以1000 m3球罐为原型,首先建立LPG球罐泄漏扩散数学模型并进行理论计算,其次建立不同风速下LPG球罐泄漏扩散的FLUENT数值模型,结合理论计算对数值模拟结果进行验证.结果表...     

考虑基质瓦斯渗流的煤层流固耦合模型

为更准确反映抽采过程中的煤层瓦斯(甲烷)运移过程,将煤岩视为孔隙-裂隙双重结构、双渗透率非均匀弹性介质,考虑基质瓦斯渗流作用,结合地下水、瓦斯吸附/解吸特性、煤岩变形和渗透率演化等因素的耦合作用,建立考虑基质瓦斯渗流的煤层流固耦合模型;数值模拟地面瓦斯抽采过程,分析煤层瓦斯运移规律和基质渗流作用对瓦斯抽采的影响。研究表明:基质瓦斯和裂隙瓦斯的压力均随时间的增加而降低,两者差值先增大后减小;在模拟工况下,单位时间内基质瓦斯渗流量仅占流入裂隙瓦斯量的0.5%。基质渗流对瓦斯抽采的产能及储层压力有影响;考虑基质瓦斯渗流的双孔隙双渗透率模型预测的产气速率和储层压力下降幅度均小于双孔隙单渗透率模型。     

基于元胞自动机数学模型的瓦斯抽采管道漏点定位研究

为了解决普通数学模型难以准确描述瓦斯抽采管道内流体的流动状态问题，提出了以元胞自动机模型为基础的瓦斯抽采管道漏点定位模型。根据元胞自动机在空间和时间上离散化的特性来演化管道流体在时空上的连续变化，将管径变化、管壁粗糙度、管构异件种类和数量以及温度等参数沿管道进行离散化，利用元胞自动机理论以及管道两端的信号对管道沿线压力和流量等参数变化进行预测，以判断泄漏的发生和漏点定位。通过实验验证，该方法能提高漏点定位精度。     

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。