CN107152271B - 一种模拟生产钻柱振动及动态应力的测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟生产钻柱振动及动态应力的测试方法及装置，其特征在于，利用高压泵向振动及动态应力测试装置的钻柱和环空注入一定压力的气体，让钻柱和环空憋压，然后打开钻柱排气阀或打开环空排气阀或同时打开钻柱排气阀和环空排气阀，分别模拟钻柱生产、环空生产和钻柱与环空同时生产三种应急生产方式，同时采用动态信号测试系统及动态应力测试系统测量三种应急生产方式下阀门开度及流固耦合引起的钻柱振动特性参数及动态应力，基于动态振动信号及应力的分析处理，得到三种应急生产方式下钻柱的横向振幅、纵向振幅、周期/频率及动态等效应力。本发明适用于石油与天然气采气工程技术研究领域。

Description

一种模拟生产钻柱振动及动态应力的测试方法及装置

技术领域

本发明涉及一种石油与天然气采气工程技术领域，具体是一种模拟生产钻柱振动及动态应力的测试方法及装置。

背景技术

在钻井工程中，尤其气体钻井，钻柱振动主要形式有纵向振动、扭转振动和横向振动。纵向振动是由于井底的不平整、牙轮钻头牙齿间隔接触井底、钻头破岩过程中受到不稳定的反作用力等因素引起的，纵向共振产生的强大冲击载荷加速了钻具的疲劳过程，导致钻柱、钻头、井下动力钻具等下井工具的损坏。对于扭转振动，由于钻具的公转或涡动，外径较大的接头或弯曲钻具会不断地敲击井壁产生“粘卡”现象，导致井下钻具旋转停止，而钻柱的旋转能量在钻柱中不断积累，当钻柱中积累的动力足以够克服井壁与钻具间的磨阻时，瞬间产生“释放”现象，此时钻头和钻具以高速旋转释放能量，正是因为钻柱的往复“粘卡—释放”引发了扭转振动。严重的粘卡会造成卡点以上附近钻具超扭矩，导致钻具内部的永久变形，持续的粘卡能引起钻具的疲劳破坏。钻柱横向振动主要表现是不规则的横向摆动，它是由钻柱的偏转或涡动造成的。严重的横向振动可能导致钻柱受到高频率下的交变应力，最终产生疲劳破坏。

钻具的扭转振动、纵向振动和横向振动虽然各有区别，但又相互联系和耦合。现场数据表明：一种振动常常会引起另外两种形式的振动。轻微的振动对钻井不会有很大的影响，当振动的频率接近钻柱系统的固有频率时，钻柱处于共振状态，严重影响钻井作业。

为此，基于钻具组合/结构、运动状态、所受载荷特性等动力学因素，国内外诸多学者已对钻井过程中的钻柱振动问题开展了系统而深入的工作，主要包括：下部钻具组合(BHA)的纵向、横向和扭转振动特性研究、气体钻井钻柱振动特性及控制措施研究，气体钻井钻柱振动力学模型研究、减振工艺及工具研究。此外，也形成了实时监测钻井过程中钻柱振动信号的相关测量仪器及系统。因此，目前的研究成果及相关测试手段基本能实现钻井过程中钻柱振动的实时监测及分析，并提出相应的控制措施。

然而，除了钻井过程中的钻柱振动以外，在高温高压高产气井应急工况下的生产过程中，流固耦合很可能引发井下钻柱的剧烈振动(主要包括横向和纵向)，其主要原因是，高温高压高产气井出现应急工况时，完全来不及下生产管柱及配套的井下封隔器，更来不及安装配套的井口装置及采油树，只能采用井筒内的钻柱生产、钻柱与套管之间的环空生产及钻柱和环空同时生产三种方式。应急工况下生产的钻柱只有在井口固定，其余完全悬挂在井筒内容，无任何约束，因此，在流固耦合产生的高频动态应力及剧烈振动下非常危险，极易导致钻柱疲劳破坏甚至直接断裂，如新疆塔河油田某区块的高温高压高产气井。

目前，国内外还没有提出应急工况下生产钻柱动态应力及振动的测试方法及装置，无法预测应急工况下生产钻柱动态应力及振动特性，从而不能为应急工况下钻柱生产方案的设计提供理论依据，为此，本发明提出一种模拟生产钻柱振动及动态应力的测试方法及装置，该装置可根据相似性原理开展钻柱在不同应急生产工况下的模拟试验，并准确获取钻柱在不同生产条件下的振动特性参数及动态应力。

发明内容

本发明的目的是，提出一种模拟生产钻柱振动及动态应力的测试方法及装置，以解决不同应急生产工况下钻柱动态应力及振动特性难以准确预测的技术难题，并在达到上述目的的同时，简化测试装置的复杂性，降低测试装置的成本。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

所述的模拟生产钻柱振动及动态应力的测试方法，其特征是：利用高压泵向钻柱和环空注入一定压力的气体，让钻柱和环空憋压，打开钻柱排气阀或打开环空排气阀或同时打开钻柱排气阀和环空排气阀，分别模拟钻柱生产、环空生产和钻柱与环空同时生产三种应急生产方式，同时采用动态信号测试系统及振动传感器测量三种应急生产方式下阀门开度及流固耦合引起的钻柱振动特性参数，采用动态应力测试系统及应力传感器测量三种应急生产方式下阀门开度及流固耦合引起的钻柱动态应力，所述的模拟生产钻柱振动及动态应力的测试方法包括以下步骤：

步骤1：基于现场高温高压高产气井应急工况下的生产数据，运用相似性原理，计算实验所需的压力、流速、管径、管长、环空间隙，完成钻柱振动及动态应力测试装置设计及安装；

步骤2：采用高压泵通过环空进气口向环空和钻柱注入气体，直到环空压力表和钻柱压力表上升到根据实际模拟工况而定的指定压力且相等为止，钻柱和环空处于憋压状态；

步骤3：打开钻柱排气阀，模拟应急工况下的钻柱生产，当压力降到一定值时，关闭钻柱排气阀，同时采用动态信号测试系统及钻柱底部的振动传感器测量这一过程中流固耦合引起的振动特性参数，采用动态应力测试系统及钻柱顶部的应力传感器测量振动引起的动态应力；

步骤4：同理，钻柱和环空憋压后，可打开环空排气阀而关闭钻柱排气阀模拟环空生产，也可同时打开环空排气阀和钻柱排气阀模拟环空与钻柱同时生产，并采用动态信号测试系统和动态应力测试系统分别测量环空生产和环空与钻柱同时生产时流固耦合引起的振动特性参数及动态应力；

步骤5：动态改变钻柱排气阀和环空排气阀的开度，模拟不同天然气产量，重复步骤3和步骤4，可测得不同产量下钻柱生产、环空生产和钻柱与环空同时生产时调整阀门开度及流固耦合引起的振动特性参数和动态应力；

步骤6：动态振动信号及动态应力的分析处理，得到不同产量下钻柱生产、环空生产和钻柱与环空同时生产时钻柱的横向振幅、纵向振幅、周期/频率及动态应力。

为使用上述方法，本发明提供一种模拟生产钻柱振动及动态应力的测试装置，其特征在于，主要包括：钻柱排气阀、悬挂器、直角台肩、环空进气口、上部特殊接头、下部套管、环空、动态信号测试系统、导线、振动传感器、底座、堵头、水泥石、钻柱、支架、外筒、环空压力表、环空排气阀、动态应力测试系统、钻柱压力表、应力传感器、锥形台肩。其中，钻柱顶部通过螺纹连接固定于带有直角台肩和锥形台肩的悬挂器上；外筒由上部特殊接头和下部套管组成并固定于支架上，上部特殊接头带有与悬挂器匹配的直角台阶和锥形台阶，在钻柱重力作用下悬挂器通过直角台肩和锥形台肩实现对环空的密封，下部套管下部采用带螺纹的堵头密封并用水泥石固定于底座上；外筒与钻柱形成环空；动态信号测试系统及钻柱底部外壁的振动传感器用于测量钻柱振动特性参数，动态应力测试系统及钻柱顶部内壁的应力传感器用于测量钻柱动态应力；环空进气口用于给环空及钻柱注入一定压力的气体，环空压力表和钻柱压力表分别用于检测环空及钻柱的压力变化；钻柱排气阀和环空排气阀用于模拟不同产量下的钻柱生产、环空生产及钻柱与环空同时生产；钻柱底部与外筒底部之间的间隙足以避免钻柱振动时与外筒底部之间的碰撞发生。

本发明的优点是：

(1)该装置可根据相似性原理开展钻柱在不同应急生产工况下的振动模拟试验，并准确获取钻柱在不同生产工况下的钻柱动态应力及振动特性参数，为应急工况下采用钻柱生产、环空生产及钻柱与环空同时生产的方案设计提供理论依据，同时也为不同应急生产工况下钻柱振动机理的研究提供了较为完备的中间试验条件；

(2)装置结构简单，操作方便，成本低廉，能真实模拟不同应急生产条件下钻柱振动的过程。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行详细描述。

所述的模拟生产钻柱振动及动态应力的测试方法，其特征是：利用高压泵向钻柱14和环空7注入一定压力的气体，让钻柱14和环空7憋压；打开钻柱排气阀20或打开环空排气阀18或同时打开钻柱排气阀20和环空排气阀18，分别模拟钻柱14生产、环空7生产和钻柱14与环空7同时生产三种应急生产方式，同时采用动态信号测试系统8及振动传感器10测量三种应急生产方式下阀门开度及流固耦合引起的钻柱14振动特性参数，采用动态应力测试系统19及应力传感器21测量三种应急生产方式下阀门开度及流固耦合引起的钻柱14动态应力，所述的模拟生产钻柱振动及动态应力的测试方法包括以下步骤：

步骤1：基于现场高温高压高产气井应急工况下的生产数据，运用相似性原理，计算实验所需的压力、流速、管径、管长、环空间隙，完成钻柱振动及动态应力测试装置设计及安装；

步骤2：采用高压泵通过环空进气口4向环空7和钻柱14注入气体，直到环空压力表17和钻柱压力表20上升到根据实际模拟工况而定的指定压力且相等为止，钻柱14和环空7处于憋压状态；

步骤3：打开钻柱排气阀1，模拟应急工况下的钻柱生产，当压力降到一定值时，关闭钻柱排气阀1，同时采用动态信号测试系统8和钻柱14底部的振动传感器10测量这一过程中流固耦合引起的振动特性参数，采用动态应力测试系统19和钻柱14顶部的应力传感器21测量振动引起的动态应力；

步骤4：同理，钻柱14和环空7憋压后，可打开环空排气阀18而关闭钻柱排气阀1模拟环空7生产，也可同时打开环空排气阀18和钻柱排气阀1模拟环空7与钻柱14同时生产，并采用动态信号测试系统8和动态应力测试系统19分别测量环空7生产和环空7与钻柱14同时生产时流固耦合引起的振动特性参数及动态应力；

步骤5：动态改变钻柱排气阀1和环空排气阀18的开度，模拟不同天然气产量，重复步骤3和步骤4，可测得不同产量下钻柱14生产、环空7生产和钻柱14与环空7同时生产时调整阀门开度及流固耦合引起的振动特性参数和动态应力；

步骤6：动态振动信号及动态应力的分析处理，得到不同产量下钻柱14生产、环空7生产和钻柱14与环空7同时生产时钻柱14的横向振幅、纵向振幅、周期/频率及动态应力。

参见图1，为使用上述方法，本发明提供一种模拟生产钻柱振动及动态应力的测试装置，其特征在于，主要包括：钻柱排气阀1、悬挂器2、直角台肩3、环空进气口4、上部特殊接头5、下部套管6、环空7、动态信号测试系统8、导线9、振动传感器10、底座11、堵头12、水泥石13、钻柱14、支架15、外筒16、环空压力表17、环空排气阀18、动态应力测试系统19、钻柱压力表20、应力传感器21、锥形台肩22。其中，钻柱14顶部通过螺纹连接固定于带有直角台肩3和锥形台肩22的悬挂器2上；外筒16由上部特殊接头5和下部套管6组成并固定于支架15上，上部特殊接头5带有与悬挂器2匹配的直角台阶和锥形台阶，在钻柱14重力作用下悬挂器2通过直角台肩3和锥形台肩22实现对环空7的密封，下部套管6下部采用带螺纹的堵头12密封并用水泥石13固定于底座11上；外筒16与钻柱14形成环空7；动态信号测试系统8及钻柱14底部外壁的振动传感器10用于测量钻柱14振动特性参数，动态应力测试系统19及钻柱14顶部内壁的应力传感器21用于测量钻柱14动态应力；环空进气口4用于给环空7及钻柱14注入一定压力的气体，环空压力表17和钻柱压力表20分别用于检测环空7及钻柱14的压力变化；钻柱排气阀1和环空排气阀18用于模拟不同产量下的钻柱14生产、环空7生产及钻柱14与环空7同时生产；钻柱14底部与外筒16底部之间的间隙足以避免钻柱14振动时与外筒16底部之间的碰撞发生。

Claims (2)

1.一种模拟生产钻柱振动及动态应力的测试装置，其特征在于，装置主要包括：钻柱排气阀(1)、悬挂器(2)、直角台肩(3)、环空进气口(4)、上部特殊接头(5)、动态信号测试系统(8)、振动传感器(10)、堵头(12)、钻柱(14)、外筒(16)、环空压力表(17)、环空排气阀(18)、动态应力测试系统(19)、钻柱压力表(20)、应力传感器(21)、锥形台肩(22)；其中，钻柱(14)顶部通过螺纹连接固定于带有直角台肩(3)和锥形台肩(22)的悬挂器(2)上；外筒(16)由上部特殊接头(5)和下部套管(6)组成并固定于支架(15)上，上部特殊接头(5)带有与悬挂器(2)匹配的直角台阶和锥形台阶，在钻柱(14)重力作用下悬挂器(2)通过直角台肩(3)和锥形台肩(22)实现对环空(7)的密封，下部套管(6)下部采用带螺纹的堵头(12)密封并固定于底座(11)上；外筒(16)与钻柱(14)形成环空(7)；动态信号测试系统(8)及钻柱(14)底部外壁的振动传感器(10)用于测量钻柱(14)振动特性参数，动态应力测试系统(19)及钻柱(14)顶部内壁的应力传感器(21)用于测量钻柱(14)动态应力；环空进气口(4)用于给环空(7)及钻柱(14)注入一定压力的气体，环空压力表(17)和钻柱压力表(20)分别用于检测环空(7)及钻柱(14)的压力变化；钻柱排气阀(1)和环空排气阀(18)用于模拟不同产量下的钻柱(14)生产、环空(7)生产及钻柱(14)与环空(7)同时生产。

2.一种模拟生产钻柱振动及动态应力的测试方法，其采用权利要求1所述的模拟生产钻柱振动及动态应力的测试装置，其特征在于：步骤1：基于现场数据，运用相似性原理，完成钻柱振动及动态应力测试装置设计及安装；步骤2：通过环空进气口(4)向环空(7)和钻柱(14)注入气体，直到环空压力表(17)和钻柱压力表(20)上升到根据实际模拟工况而定的指定压力且相等为止，钻柱(14)和环空(7)处于憋压状态；步骤3：打开钻柱排气阀(1)，模拟应急工况下的钻柱生产，压力降到一定值时，关闭钻柱排气阀(1)，同时采用动态信号测试系统(8)及振动传感器(10)测量该过程流固耦合引起的振动特性参数，采用动态应力测试系统(19)及应力传感器(21)测量振动引起的动态应力；步骤4：同理，钻柱(14)和环空(7)憋压后，可打开环空排气阀(18)而关闭钻柱排气阀(1)模拟环空(7)生产，也可同时打开环空排气阀(18)和钻柱排气阀(1)模拟环空(7)与钻柱(14)同时生产，并采用动态信号测试系统(8)和动态应力测试系统(19)分别测量环空(7)生产和环空(7)与钻柱(14)同时生产时流固耦合引起的振动特性参数及动态应力；步骤5：动态改变钻柱排气阀(1)和环空排气阀(18)的开度，模拟不同天然气产量，重复步骤3和步骤4，可测得不同产量下钻柱(14)生产、环空(7)生产和钻柱(14)与环空(7)同时生产时调整阀门开度及流固耦合引起的振动特性参数和动态应力；步骤6：动态振动信号及动态应力的分析处理，得到不同产量下钻柱(14)生产、环空(7)生产和钻柱(14)与环空(7)同时生产时钻柱(14)的横向振幅、纵向振幅、周期/频率及动态应力。

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