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高温高压高产腐蚀气井完井管柱及井口装置损坏机理研究

徐进  
【摘要】:具有高温、高压、高产(“三高”),且具有质腐蚀性强的气井是目前国内外天然气勘探开发中遇到的巨大挑战。在高温高压高产腐蚀性环境中工作的气井井口装置及完井管柱,恶劣的服役环境和复杂受力情况是损坏的关键原因,严重降低了完井管柱的强度,大大降低了完井管柱在高压气井中作业的安全性,会引发完井管柱和井口设备破坏或其它复杂情况的发生,严重时会使一口井报废,造成巨大的经济损失。为了防有效地预防“三高”且具有腐蚀性的气井完井管柱的失效问题,弄清引起完井管柱强度失效的原因和机理及其影响因素和相互作用关系,具有十分重要的现实意义。 根据天气成分分析、井口装置的实际工作条件,进行井口装置材料的化学腐蚀或电化学腐蚀实验,从微观腐蚀现象,研究腐蚀倾向及影响因素大小;充分利用现场实际的腐蚀现象、腐蚀产物,进行系统的收集、整理,并分析总结其腐蚀特征,得到有用的数据和信息,对比分析和研究,揭示了腐蚀规律研究其腐蚀规律。 在酸性气藏中,管柱的腐蚀问题严重,具有严重的坑蚀,甚至穿孔。腐蚀使气井管柱的强度大大下降,给气井生产带来严重的安全隐患。如何研究和评价受腐蚀的气井管柱的强度,对防止腐蚀引起的安全问题十分重要,本文采用弹塑性有限元分析原理和方法,对气井管柱受腐蚀后的强度及应力分布情况进行模拟研究,找出腐蚀对管柱强度的影响规律。 建立了反映井口装置几何特征和结构联结特点的几何模型,采用控制井口装置内部容积为基础的有限差分方法,进行壁面应力、冲刷量、腐蚀量的计算。根据数值模拟和分析,进行多相流冲刷机理研究,找出冲刷腐蚀的关键部位。 根据气井井口装置的内部结构尺寸以及流体力学特征,气井的压力、产量、流速等实际工作条件,冲刷腐蚀的检测情况,建立冲刷腐蚀的空气动力学数值模型,模拟采气过程中天然气的流动状况,为分析油管腐蚀断裂落井,以及井口装置冲刷腐蚀的空气动力学原因提供了理论依据。 从固液耦合振动的角度出发,考虑液动压力对油管柱纵向振动的影响,建立了油管柱纵向振动微分方程,并给出了油管柱纵向振动的频率方程。通过新851井高压气井的实例计算分析,得出天然气高压高产生产时,会形成压力激动,油管柱会产生相当高的附加动载。这个动载是造成油管柱在生产过程中发生疲劳破坏的主要原因之一,在今后的油管柱设计中应考虑这一动载的影响。 高温高压气井,对螺纹密封性的要求要比油井更为重要。油层套管接头承受内压的极端情况是油管泄漏或破裂,其次才是结构的完整性。运用弹塑性力学的有限元分析原理和方法对高温高压生产套管密封性进行了分析和评价,为提高高温高压密封性能及丝扣类型选择提供了参考依据。


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