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油管柱振动机理研究与动力响应分析

黄桢  
【摘要】:本文在对川东气田油管损坏情况调查基础上,通过对气井生产期间产量、压力实测数据的分析研究,提出了生产期间气井产量、压力的波动是导致油管柱振动的根本原因,油管柱的振动诱发了油管先期损坏。关于油管柱的振动问题过去研究得很少,主要研究的是油管柱的静力学问题。本文首先应用流体激振与流体力学的理论研究了天然气在油管柱内的流动过程中诱发油管柱振动的机理;然后应用现代振动理论建立了油管柱振动分析模型和动力响应分析模型,并用川东地区的实际井况资料,系统地分析了油管柱在井下的振动特征;最后通过分析计算提出了减缓油管柱振动的技术思路。 当天然气在油管柱内流动的激励力的变化频率与油管柱某一阶固有频率接近时,油管柱将发生共振,这将加剧油管柱的破坏。本文以流体力学的基本理论为基础,分析了天然气在油管柱内流动的运动形式,建立了天然气在油管柱内流动的传输方程与运动微分方程,分析了天然气在油管柱内流动时产生旋涡的区域并给出了旋涡分析的方法。利用流体振荡力学的方法,建立了天然气在油管柱内流动的过程中油管柱的振幅方程,并利用参数多项式方法对天然气振荡流场进行求解。以建立的理论模型为基础对天然气在油管柱内流动可能诱发油管柱振动的油管内径变化、油管弯曲(即轴向受压屈曲、定向井中随井眼的弯曲及井口装置中管汇的弯曲)、节流阀开关处流速变化、以及天然气产量和压力变化等因素进行了定量研究,计算表明天然气流过油管内径变化、油管弯曲、节流阀等处会引起天然气流速、天然气对油管柱作用的压力的变化,而流速和压力的变化将诱发油管柱振动;同时天然气流速的突然变化也将对油管柱产生冲蚀。对于高压、高产气井,振动和冲蚀是导致油管柱破坏的主要原因之一。 以井下整个油管柱为研究对象,提出了利用模态理论来建立油管柱的振动分析模型,模型包含了有阻尼、无阻尼和流固耦合振动等工况。利用模态理论建立的模型,可方便地将油管柱结构离散化进行求解,油管柱的固有振动特性可通过固有振动频率、振动形式(模态)及模态阻尼等参数来表示。在对油管柱振动方程分析的基础上,通过评价分析与应用研究,提出了应用反幂法与Lanczos法来求解油管柱振动特性。实例计算表明:随着振动阶数的升高油管柱振动频率增大,有封隔器约束时油管柱的振动频率大于无封隔器约束时油管柱的振动频率;随着振动阶数的升高,振型投影曲线的波形周期变小,但对于带有封隔器的油管柱,其在过油管柱轴线平面上的投影曲线在油管柱中段的波形发生突变;随着油管直径的增大,其固有 ;


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