高压气井内高速流体诱发生产管柱振动特性研究

The vibration of production strings in high-pressure gas well does great harm to the life of strings and production security. The vibration of production strings is induced by the fluid flowing in the strings, but the law and characteristics that the flow fluid impacts the vibration of production strings is not clear. This project plans to establish the vibration differential equations of bend strings, considering the Poisson couping, friction coupling, junction coupling , fluid parameters and the force of strings, then study the transient response characteristics of production strings by the Method of Characteristics, and research the natural mode and stability of production strings by the Transfer Matrix Method. Based on the space complexity of production strings, considering the forces on curved strings caused by fluid flow and the contact between casing and production strings, this project plan to establish a nonlinear dynamic model using the Finite Element Method to research the effect of pulsating flow on the dynamic response of production strings. The successful execution of this project will make positive contribution to the oilfield management and production safety of gas well, and will offer some elicitations and foundation for the vibration research of other petroleum strings.

高压气井生产管柱振动对管柱寿命和生产安全性危害很大。生产管柱的振动可以归结为流体诱发管道振动问题，但是目前对于气井内高速流体诱发生产管柱振动的规律和特性尚不明确。本项目拟建立考虑泊松耦合、摩擦耦合、结合部耦合、流体参数及管柱轴向力等因素的弯曲管柱振动八方程模型，使用特征线法研究气井生产管柱的瞬态响应特征，使用传递矩阵法研究气井生产管柱的固有模态与稳定性。基于三维管柱空间复杂性，考虑流体流动对管柱产生的作用力、管柱与井壁的接触等因素，拟采用有限元法，建立三维管柱流固耦合非线性动力学模型，深入研究脉动流的流动参数对气井井下管柱振动响应的影响规律。本项目的成功实施，将对现场管理和气井安全生产起到积极作用，也为其他石油管柱的振动研究提供了新的思路和基础。

针对高压气井生产管柱振动的巨大危害，基于流体诱发振动角度，研究了高压高产气井生产管柱振动特性，包括其动力响应特性与固有模态。论文的主要研究内容及结论包括：. 1. 针对开关井瞬态流诱发生产管柱振动，建立了轴向振动流固耦合四方程模型。采用特征线法分析了生产管柱在关井工况下的振动响应。研究表明，考虑连接耦合和泊松耦合时，瞬变流诱发的流体压力波将与管柱应力波相互影响，导致流体压力剧烈波动，生产管柱处于不稳定应力状态并沿轴向做往复运动，加剧管柱的疲劳和磨损。. 2. 运用哈密顿原理，考虑管柱轴向力（包括管柱浮重）、流体流速、管内外流体压力等因素，建立了基于欧拉梁理论的生产管柱横向振动微分方程。采用伽辽金法求解了管柱横向振动固有频率。结果表明，重力增大管柱固有频率，当管柱较长时重力影响不可忽略；管柱固有频率随着轴向力、产量以及井底压力的增大而降低，其中井底压力和轴向力的影响较大，产量的影响很低。同时，论述了“虚拟力”产生的本质原因。. 3. 考虑轴向力、流速以及流体压力的影响，推导了基于铁摩辛柯梁理论的生产管柱面内振动八方程模型，使用传递矩阵法求解了直管柱轴向振动固有频率；分析了横向振动固有频率随流体流速、压力及轴向力变化的规律；分析了弯曲管柱面内振动固有频率随流速、压力、轴向力以及弯曲角度等参数变化的规律；建立了使用传递矩阵法求解考虑重力条件下管柱固有频率的计算方法。