CN113356836B - 页岩气压裂井口装置螺栓松动的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种页岩气压裂井口装置螺栓松动的分析方法，包括以下步骤：S1压裂井口装置振动测试；S2振动监测数据输出与处理；S3井口装置模态分析；S4建立井口装置法兰连接螺栓松动预测模型；S5绘制现场螺栓松动预测模板；本发明通过一套针对性的井口振动测试系统监测现场井口振动参数，并结合仿真分析振动下法兰连接螺栓发生松动的临界工程参数，并最终形成现场螺栓松动预测模板，并以此为依据判定井口法兰连接是否会发生密封失效，能够实现在现场方便的根据压裂施工泵压和压裂排量即可预测螺栓是否会发生松动，从而控制施工参数或制定螺栓重复预紧制度，消除井口振动导致的井口泄漏；且通过本发明的方法在螺栓松动的过程中就可发现，而不是在泄露后才发现。
Description
技术领域
本发明涉及页岩气开发技术领域，尤其是一种页岩气压裂井口装置螺栓松动的分析方法。
背景技术
页岩气是指富含有机质、成熟的暗色泥页岩或高碳泥页岩中由于有机质吸附作用或岩石中存在着裂缝和基质孔隙，使之储集和保存了一定具商业价值的生物成因、热解成因及二者混合成因的天然气。页岩气是蕴藏于页岩层可供开采的天然气资源，中国的页岩气可采储量较大。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。较常规天然气相比，页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点，大部分产页岩气分布范围广、厚度大，且普遍含气，这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气。
页岩气开发需要通过大规模的体积压裂改造来获取单井产能，压裂过程中，页岩气井口装置长时间承受高压和振动，会造成压裂井口装置的法兰连接螺栓松动，进而使井口装置的法兰发生密封失效出现泄漏。经调研，川渝地区页岩气井压裂测试期间井口闸门内漏、渗漏、滴漏和刺漏现象时有发生。泄露不仅影响页岩气的产能，而且维修需要停机，也影响了生产效率；此外，由于页岩气的开发过程为高压，一旦发生泄露，突如其来的强大压力会击伤工作人员，严重的会击死巡查人员，严重危及工作人员的生命安全，具有较大的安全隐患。
传统对于井口装置泄露采取的现场技术措施为：加强巡查和定期加固螺栓，上述方法一定程度上消除压裂和测试时候井口装置出现泄漏的现场。但是具有一定的滞后性，加强巡查也只能在井口装置泄露后巡查人员才能发现问题，无法在井口装置螺栓松动的过程中及时发现问题。因此缺乏一种定量的方法明确导致井口泄漏的工况参数界限，从而制定相关的技术措施避免泄漏的发生。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种页岩气压裂井口装置螺栓松动的分析方法，能够实现在现场方便的根据压裂施工泵压和压裂排量即可预测螺栓是否会发生松动，从而控制施工参数或制定螺栓重复预紧制度，消除井口振动导致的井口泄漏，也就是说在螺栓松动的过程中就可发现，而不是在泄露后才发现。
本发明所采用的技术方案是：页岩气压裂井口装置螺栓松动的分析方法，包括以下步骤：
S1压裂井口装置振动测试；在压裂井口装置上安装若干加速度传感器，用以采集压裂井口装置不同部位在水平方向上的振动数据；
S2振动监测数据输出与处理；通过加速度传感器、井口压力计、压裂车上的流量计分别同步记录并输出井口振动频率及幅值、井口压力、排量；将各个监测部位采集到的振动数据处理为振动频率-幅值曲线，将排量与振动频率同步叠加形成对应后绘制成排量-振动频率曲线；
S3井口装置模态分析；建立压裂井口装置全尺寸三维有限元仿真模型，开展模态分析，得到的模态振型对应的模态频率，以模态频率作为基准计算出共振频率段，并将共振频率段叠加至排量-振动频率曲线，形成共振频率-排量区域图版；
S4建立井口装置法兰连接螺栓松动预测模型；将步骤S3中共振频率段内对应的频率和幅值作为振动载荷输入，在监测部位的内部加载出现对应频率时的井口压力值，仿真模型输出螺栓预紧力变化曲线，当螺栓预紧力随着振动次数增加呈现不断下降的趋势时，判定螺栓连接发生松动，法兰连接密封会失效。
S5绘制现场螺栓松动预测模板；根据螺栓预紧力变化曲线和共振频率-排量区域图版将导致螺栓松动的频率范围转换为一个排量区域并与井口压力值对应，最终计算绘制出一个与井口压力值和压力排量值对应的螺栓松动判定图版。
作为一种优选，如上述的页岩气压裂井口装置螺栓松动的分析方法，包括以下步骤：
S1压裂井口装置振动测试；在压裂井口装置上安装若干加速度传感器，用以检测压裂井口装置不同部位在水平方向上的振动数据；
S2振动监测数据输出与处理；具体包括以下步骤：
S2-1在作业周期内，将加速度传感器监测到的数据通过计算机自动处理后，按照时间历程输出各个监测部位的振动频率以及对应的幅值；
S2-2在相同的时间历程上同步记录整个监测过程的井口压力值和压力排量的变化；
S2-3监测结束后，将监测到的振动频率、幅值、井口压力、压力排量叠加在同一时间历程上，分析排量与频率的相关性和频率与幅值的相关性，并绘制出振动频率-幅值曲线和排量-振动频率曲线；
S3井口装置模态分析；具体包括以下步骤：
S3-1建立压裂井口装置全尺寸三维有限元仿真模型，开展模态分析，得到每一阶模态振型对应的模态频率；
S3-2以每一阶模态频率作为基准，取模态频率大小的±20％划分每一阶模态频率对应的井口发生激励的共振频率段；
S3-3将共振频率段叠加至步骤S2-3绘制的排量-振动频率曲线，在上面标出发生共振的频段对应的排量区域，形成共振频率-排量区域图版；
S4建立井口装置法兰连接螺栓松动预测模型；具体为：建立井口法兰连接全尺寸仿真模型，选择步骤S3中共振频率段内对应的频率和幅值作为振动载荷输入，在法兰内部加载出现对应频率时的井口压力值，仿真模型输出螺栓预紧力变化曲线，当螺栓预紧力随着振动次数增加呈现不断下降的趋势时，判定螺栓连接发生松动，法兰连接密封会失效；
S5绘制现场螺栓松动预测模板；具体为：
S5-1在步骤S4基础上，固定一个井口压力值，然后选择三个共振频率段的上、下限值开始逐渐向每个区域范围中间靠拢取频率值，并依据振动频率-幅值曲线对应的取幅值的值，作为振动载荷反复计算并判断螺栓连接是否发生松动，并最终获得一个导致螺栓松动的频率范围；
S5-2将导致螺栓松动的频率范围根据前面的排量-振动频率曲线转换为一个排量区域并与井口压力值对应；
S5-3不断改变法兰内部压力，重复步骤S5-1取值办法计算并判断，最终计算绘制出一个与井口压力值和压力排量值对应的螺栓松动判定图版。
本发明通过一套针对性的井口振动测试系统监测现场井口振动参数，并结合仿真分析振动下法兰连接螺栓发生松动的临界工程参数，并最终形成现场螺栓松动预测模板，并以此为依据判定井口法兰连接是否会发生密封失效，能够实现在现场方便的根据压裂施工泵压和压裂排量即可预测螺栓是否会发生松动，从而控制施工参数或制定螺栓重复预紧制度，消除井口振动导致的井口泄漏；且通过本发明的方法可提前预测螺栓松动，而不是在泄露后才发现。
实际上，本发明在步骤S5-1已经计算出导致螺栓松动的频率范围，但是施工现场并没有相应的技术设备对频率进行监测，施工现场的井口装置只安装有流量计和压力计，只能监测管道内压裂液的压力值和流量值。因此本发明将导致螺栓松动的频率范围根据排量-振动频率曲线转换为一个排量区域并与井口压力值对应，并最终计算绘制出一个与井口压力值和压力排量值对应的螺栓松动判定图版，通过现场直观的了解压力排量值和井口压力值来判断螺栓是否松动。
进一步的是，步骤S1中，所述加速度传感器安装在压裂井口装置的每个法兰盘的外壁上。由于井口装置松动的螺栓均是布置在法兰盘上的连接螺栓，为此，本发明将加速度传感器布置在法兰盘的外壁，使其更加贴近监测部位，进而可有效降低监测误差，使监测值更加准确。
进一步的是，步骤S1中，每个法兰盘的外壁安装两个加速度传感器，两个加速度传感器安装在两个相互垂直的方向上。采用平面直角坐标系，在法兰盘的x轴和y轴对应的外壁分别布置两个加速度传感器即可监测法兰盘水平方向上的振动数据。
进一步的是，步骤S1中，法兰盘为八个，包括竖向布置的四个和水平方向上布置的四个。本发明将井口装置容易松动的法兰盘上均作为监测部位，法兰盘有竖向布置的，也有水平布置的，可全方位的了解法兰盘的振动数据，使监测值更加准确。
进一步的是，步骤S2-1中，作业周期为从压裂作业开始至结束，包含一个完整的作业周期，可全方位的了解不同阶段法兰盘的振动数据，使监测值更加准确。
进一步的是，步骤S3-1中，开展模态分析时，取前三阶模态振型对应的频率。进行模态分析时，模态分析包括无穷阶，并且随着阶数的递增，模态振型对应的频率也逐渐增大，太高的频率不适合本发明研究，因为本发明的井口装置达不到那么高的频率，也就没有研究是意义；此外，共振频率越低，越容易激发共振，这也正是本发明所要研究。因此，本发明只需取前三阶模态振型对应的频率即可，有效降低了工作量，做到有针对性的研究。
本发明的有益效果是：本发明通过一套针对性的井口振动测试系统监测现场井口振动参数，并结合仿真分析振动下法兰连接螺栓发生松动的临界工程参数，并最终形成现场螺栓松动预测模板，并以此为依据判定井口法兰连接是否会发生密封失效，能够实现在现场方便的根据压裂施工泵压和压裂排量即可预测螺栓是否会发生松动，从而控制施工参数或制定螺栓重复预紧制度，消除井口振动导致的井口泄漏；通过本发明的方法可提前预测螺栓松动，而不是在泄露后才发现。
附图说明
图1是井口装置的局部示意图。
图2是本发明的流程图。
图3是本发明的振动频率-幅值曲线。
图4是本发明的排量-振动频率曲线。
图5是本发明的共振频率-排量区域图版。
图6是本发明的螺栓预紧力变化曲线。
图7是本发明的螺栓松动判定图版。
图中标记为：1、法兰盘。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“正面”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例
参照图1～图7，本发明的页岩气压裂井口装置螺栓松动的分析方法，包括以下步骤：
S1压裂井口装置振动测试；参照图1，在压裂井口装置的八个法兰盘1的外壁上安装加速度传感器，用以检测压裂井口装置不同部位在水平方向上的振动数据；每个法兰盘1的外壁安装两个加速度传感器，两个加速度传感器安装在两个相互垂直的方向上；
S2振动监测数据输出与处理；具体包括以下步骤：
S2-1在作业周期内，将加速度传感器监测到的数据通过计算机自动处理后，按照时间历程输出各个监测部位的振动频率以及对应的幅值，通过三角函数的关系，将每个监测部位两个垂直方向的幅值处理为一个方向上的复合幅值；
S2-2在相同的时间历程上同步记录整个监测过程的井口压力值和压力排量的变化；
S2-3监测结束后，将监测到的振动频率、幅值、井口压力、压力排量叠加在同一时间历程上，分析排量与频率的相关性和频率与幅值的相关性，并绘制出振动频率-幅值曲线和排量-振动频率曲线，参照图3和图4；
S3井口装置模态分析；具体包括以下步骤：
S3-1建立压裂井口装置全尺寸三维有限元仿真模型，开展模态分析，取前三阶模态振型对应的频率；
S3-2以每一阶模态频率作为基准，取模态频率大小的±20％划分每一阶模态频率对应的井口发生激励的共振频率段，共有三个共振频率段，见表1；
表1：共振频率段表
S3-3将共振频率段叠加至步骤S2-3绘制的排量-振动频率曲线，在上面标出发生共振的频段对应的排量区域，形成共振频率-排量区域图版，参照图5；
S4建立井口装置法兰连接螺栓松动预测模型；具体为：建立井口法兰连接全尺寸仿真模型，选择步骤S3中共振频率段内对应的频率和幅值作为振动载荷输入，在法兰内部加载出现对应频率时的井口压力值，仿真模型输出螺栓预紧力变化曲线，参照图6，当螺栓预紧力随着振动次数增加呈现不断下降的趋势时，判定螺栓连接发生松动，法兰连接密封会失效；
S5绘制现场螺栓松动预测模板；具体为：
S5-1在步骤S4基础上，固定一个井口压力值，然后选择三个共振频率段的上、下限值开始逐渐向每个区域范围中间靠拢取频率值，并依据振动频率-幅值曲线对应的取幅值的值，作为振动载荷反复计算并判断螺栓连接是否发生松动，并最终获得一个导致螺栓松动的频率范围；
S5-2将导致螺栓松动的频率范围根据前面的排量-振动频率曲线转换为一个排量区域并与井口压力值对应；
S5-3不断改变法兰内部压力，重复步骤S5-1取值办法计算并判断，最终计算绘制出一个与井口压力值和压力排量值对应的螺栓松动判定图版，参照图7。
从图7可以看出，黑线为排量边界，边界内的虚线区域为引发法兰泄漏的区域，当排量和内压组合处于这个区域内，井口法兰螺栓会发生松动导致井口法兰密封失效。
本发明通过一套针对性的井口振动测试系统监测现场井口振动参数，并结合仿真分析振动下法兰连接螺栓发生松动的临界工程参数，并最终形成现场螺栓松动预测模板，并以此为依据判定井口法兰连接是否会发生密封失效，能够实现在现场方便的根据压裂施工泵压和压裂排量即可预测螺栓是否会发生松动，从而控制施工参数或制定螺栓重复预紧制度，消除井口振动导致的井口泄漏。通过本发明的方法可提前预测螺栓松动，而不是在泄露后才发现。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.页岩气压裂井口装置螺栓松动的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1压裂井口装置振动测试；在压裂井口装置上安装若干加速度传感器，用以采集压裂井口装置不同部位在水平方向上的振动数据；
S2振动监测数据输出与处理；通过加速度传感器、井口压力计、压裂车上的流量计分别同步记录并输出井口振动频率及幅值、井口压力、排量；将各个监测部位采集到的振动数据处理为振动频率-幅值曲线，将排量与振动频率同步叠加形成对应后绘制成排量-振动频率曲线；
S3井口装置模态分析；建立压裂井口装置全尺寸三维有限元仿真模型，开展模态分析，得到模态振型对应的模态频率，以模态频率作为基准计算出共振频率段，并将共振频率段叠加至排量-振动频率曲线，形成共振频率-排量区域图版；
S4建立井口装置法兰连接螺栓松动预测模型：将步骤S3中共振频率段内对应的频率和幅值作为振动载荷输入，在监测部位的内部加载出现对应频率时的井口压力值，仿真模型输出螺栓预紧力变化曲线，当螺栓预紧力随着振动次数增加呈现不断下降的趋势时，判定螺栓连接发生松动，法兰连接密封会失效；
S5绘制现场螺栓松动预测模板：根据螺栓预紧力变化曲线和共振频率-排量区域图版将导致螺栓松动的频率范围转换为一个排量区域并与井口压力值对应，最终计算绘制出一个与井口压力值和压力排量值对应的螺栓松动判定图版。
2.如权利要求1所述的页岩气压裂井口装置螺栓松动的分析方法，其特征在于，S2振动监测数据输出与处理，具体包括以下步骤：
S2-1在作业周期内，将加速度传感器监测到的数据通过计算机自动处理后，按照时间历程输出各个监测部位的振动频率以及对应的幅值；
S2-2在相同的时间历程上同步记录整个监测过程的井口压力值和压力排量的变化；
S2-3监测结束后，将监测到的振动频率、幅值、井口压力、压力排量叠加在同一时间历程上，分析排量与频率的相关性和频率与幅值的相关性，并绘制出振动频率-幅值曲线和排量
-振动频率曲线；
S3井口装置模态分析，具体包括以下步骤：
S3-1建立压裂井口装置全尺寸三维有限元仿真模型，开展模态分析，得到每一阶模态振型对应的模态频率；
S3-2以每一阶模态频率作为基准，取模态频率大小的±20%划分每一阶模态频率对应的井口发生激励的共振频率段；
S3-3将共振频率段叠加至步骤S2-3绘制的排量-振动频率曲线，在上面标出发生共振的频段对应的排量区域，形成共振频率-排量区域图版；
S4建立井口装置法兰连接螺栓松动预测模型，具体为：建立井口法兰连接全尺寸仿真模型，选择步骤S3中共振频率段内对应的频率和幅值作为振动载荷输入，在法兰内部加载出现对应频率时的井口压力值，仿真模型输出螺栓预紧力变化曲线，当螺栓预紧力随着振动次数增加呈现不断下降的趋势时，判定螺栓连接发生松动，法兰连接密封会失效；
S5绘制现场螺栓松动预测模板，具体为：
S5-1在步骤S4基础上，固定一个井口压力值，然后选择三个共振频率段的上、下限值开始逐渐向每个区域范围中间靠拢取频率值，并依据振动频率-幅值曲线对应的取幅值的值，作为振动载荷反复计算并判断螺栓连接是否发生松动，并最终获得一个导致螺栓松动的频率范围；
S5-2将导致螺栓松动的频率范围根据前面的排量-振动频率曲线转换为一个排量区域并与井口压力值对应；
S5-3不断改变法兰内部压力，重复步骤S5-1取值办法计算并判断，最终计算绘制出一个与井口压力值和压力排量值对应的螺栓松动判定图版。
3.如权利要求2所述的页岩气压裂井口装置螺栓松动的分析方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述加速度传感器安装在压裂井口装置的每个法兰盘（1）的外壁上。
4.如权利要求3所述的页岩气压裂井口装置螺栓松动的分析方法，其特征在于，所述步骤S1中，每个法兰盘（1）的外壁安装两个加速度传感器，两个加速度传感器安装在两个相互垂直的方向上。
5.如权利要求3所述的页岩气压裂井口装置螺栓松动的分析方法，其特征在于，所述步骤S1中，法兰盘（1）为八个，包括竖向布置的四个和水平方向上布置的四个。
6.如权利要求2所述的页岩气压裂井口装置螺栓松动的分析方法，其特征在于，所述步骤S2-1中，作业周期为从压裂作业开始至结束。
7.如权利要求2所述的页岩气压裂井口装置螺栓松动的分析方法，其特征在于，所述步骤S3-1中，开展模态分析时，取前三阶模态振型对应的频率。
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- 2021-07-19 CN CN202110811935.8A patent/CN113356836B/zh active Active
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