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1、硬关井时的井口流场分析摘 要在钻井过程中，为防止井涌、井喷、井喷失控等钻井事故的发生，实现安全高效的勘探钻井作业，井控设备的可靠性显得十分重要。近些年来，随着钻井技术和钻井工艺的不断发展，油田中深井、超深井和高压油气井越来越多，使得油气田发生井喷失控的危险性越来越高，因此，选择关井技术对控制溢流和防止井喷等显得尤为重要。目前，我国在井控过程中大多采用“软关井”、“ 半软关井”或“硬关井”三种关井方式，采用不同的关井方式，对井口装备产生的作用也各不相同，我们必须从安全性、可靠性和时间等反面考虑。因此，如何选用合适的关井方式就成为了一个需要认真研究并加以解决的问题。本文针对油田井控装备的现状，在对
2、目前井控装备和井控技术、流体模型研究的基础上，开展了硬关井程序下的水击模型的建立及不同因素下的井口压力变化的有限元模拟，并对闸板防喷器壳体进行了仿真分析。本论文主要完成了以下几方面的工作：(1) 在对现场井控理论和井控装备研究的基础上，分析各种客观条件下所适用的关井方式，得出在某些特定条件下使用硬关井更利于井控的结论，指出硬关井水击分析的必要性。(2) 完成了一定假设前提下提出水击波速和水击压力方程的推导、水击模型的建立。 (3) 利用有限元分析软件ADINA，完成溢流关井过程中不同时间关井的流体仿真模拟，得出不同关井时间下闸板处的压力和流速的变化规律。(4) 对硬关井井口流场、进行分析。关键
3、词：井控；硬关井；水击压力；流场模拟 AbstractIn the process of drilling, well kick, blowout preventing drilling accidents, realizing safety and high efficiency of exploration and development operation, reliable well control equipment is very important. In recent years, with the continuous development of drilling tech
4、nology in deep well, ultradeep well, oil field and the high pressure oil and gas well more and more oil and gas fields, the occurrence of blowout out of control risk is more and more high, therefore, how to choose the shut-in technology to control overflow and blowout prevention are very important.
5、At present, our country is in well control process is used mostly soft shut-in, hard shut-in or half soft shut-in three kinds of shut-in, using different shut-in wellhead equipment, to produce action also each are not identical, we must from the safety, reliability and time. Into consideration. Ther
6、efore, how to choose an appropriate shut-in became a need studies seriously and try to solve the problem.This paper proposes a well control equipment current situation, on the well control equipment and well control technology, fluid model on the basis of the study, carry out hard shut-in procedure
7、under the water hammer model and different factors of wellhead pressure changes in the finite element simulation, and the flashboard blowout preventer shell are analyzed. This paper mainly completed the following work:(1)In the field of well control theory and well control equipment on the basis of
8、the research, analysis of various objective conditions applicable to shut in the well, that in certain conditions more conducive to use hard shut-in well control the conclusion, points out the hard shut-in hammer analysis necessity. (2)We will Complete the hypothesis premise water hammer wave speed
9、and the pressure of water hammer equation, water hammer model.(3) Using finite element analysis software ADINA, complete overflow shut-in process in different time to shut in the well fluid simulation, different time at Kansai gate pressure and flow rate variation.(4) For hard shut-in wellhead flowi
10、ng analysis.Key words: well control; hard shut-in pressure; water hammer; flow field simulation目录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 概述11.2 问题的提出11.3 研究的目的和意义11.4 研究的主要内容21.5 本章小结2第2章 井控装备和技术32.1 井控装备概述32.1.1 井控设备组成及功能32.1.2 井口防喷器介绍42.1.2.1 防喷器结构和工作原理42.1.2.2 防喷器组合压力级别的选择72.1.2.3 防喷器通径的选择72.2 井控技术概述72.2.1 井控方式
11、分类72.2.1.1 一级井控72.2.1.2 二级井控72.2.1.3 三级井控82.2.2 井口事故82.2.2.1 井侵82.2.2.2 溢流92.2.2.3 井涌92.2.2.4 井喷92.2.2.5 井喷失控92.3 本章小结9第3章 关井方式103.1 关井方式的分类103.1.1 硬关井103.1.2 软关井103.1.3 半软关井103.2 关井方式的选择113.3 本章小结11第4章 硬关井流场分析和模型计算124.1 流体流型分析124.2 硬关井水击模型134.2.1 水击波传播的第一阶段134.2.2 水击波传播的第二阶段144.2.3 水击波传播的第三阶段144.2.
12、4 水击波传播的第四阶段154.3水击压力的计算公式15 4.4本章小结16第5章 流场模拟试验和数据分析175.1 ADINA软件介绍175.2流固耦合有限元模型185.2.1防喷器选择185.2.2固体有限元模型195.2.3流体有限元模型195.3流场试验及分析205.3.1不同时间关井井口压力测量和分析225.3.2各井段的水击压力分析255.3.3井井口流速测量和分析285.4本章小结和结论29第6章 减小水击方法30致谢31参考文献3235分享到 翻译结果重试抱歉，系统响应超时，请稍后再试 支持中英、中日在线互译 支持网页翻译，在输入框输入网页地址即可 提供一键清空、复制功能、支持
13、双语对照查看，使您体验更加流畅1. 绪论1.1 概述常规钻井作业主要依靠井筒内的液柱压力略大于地层流体压力，达到正常钻进的目的4。但在钻井作业中，各种不确定的因素造成油气井的压力平衡遭到破坏，当井筒内的液柱压力不足以平衡地层压力时，就会发生溢流，对钻井的安全性产生严重影响。溢流的严重程度主要取决于地层的孔隙率、渗透率、井底欠压差值及地层流体进入井筒的数量。当溢流没有得到有效控制时，溢流程度就会不断加剧，其后果是导致井喷失控，不仅造成地下资源及生态环境的严重破坏，还对人的生命安全构成严重威胁。对溢流和井喷等危险进行有效的控制就必须依靠相应的井控设备。井控设备是实施油气井压力控制技术的一整套专用设
14、备、仪表与工具。溢流或井喷发生时可以由井控设备实施关井，对在井口施加回压，暂时恢复油气井内的压力平衡，为成功实施压井、彻底恢复油气井的压力平衡争取时间。近年来随着深井、超深井、高压油气井的增加及欠平衡钻井工艺的广泛采用，井控设备作为及时发现和控制溢流、防止井喷、避免油气资源浪费、保护设备及人身安全的关键设备，对整个钻井工程的安全保障作用愈加突出。因此，如何对井口装备的可靠性进行评价变得尤为重要。1.2 问题的提出当井内发生溢流时，井口装备的关井操作程序的准确性成为关键。目前井场上常用的关井操作包括硬关井和软关井两种方式，不同关井方式下产生压力突变与流量突变各不相同，产生的水击现象也不相同。当采
15、用软关井时，虽然对地层产生的水击压力较小，但是由于关井时间较长，使得更多的气体侵入井筒，产生更大的附加压降，使套管鞋处地层被压裂的危险性增大，不利于后续的压井作业；而采用硬关井时，由于防喷器关闭时间较短，在井口处会产生很大的水击现象，可能对防喷器等井口设备造成冲击破坏，极大地影响井口装备的安全性。因此，选用合适的关井程序，保证井口装备的安全性，对水击问题的分析显得尤为关键。1.3 研究的目的和意义本文主要是研究硬关井井口压力波动的变化以及波动变化的影响因素，用ADINA软件模拟井口流场的变化，找出井内压力和流速的变化规律。确定最优关井时间和提出减小水击的一些措施。防止井喷事故的发生，保证钻井人
16、员和钻井设备的安全。1.4 研究的主要内容本文研究的主要内容包括以下几个方面：(1)在对现场井控理论和井控装备研究的基础上，找出两种不同关井方式的优缺点，并进行对比研究，指出硬关井水击分析的必要性。(2) 在一定的假设前提下，对硬关井程序下井筒内的水击问题进行分析，在求出水击波速和水击压力计算公式基础上，建立水击模型，并对其进行求解。(3) 利用有限元分析软件ADINA，完成溢流关井过程中不同时间关井的流体仿真模拟，得出压力和流速随时间变化的规律。(4) 在仿真模拟的基础上，提出一些减小水击的可行措施。1.5 本章小结本章主要概述了目前的发展状况，提出正确关井操作程序的重要性。提出研究硬关井的
17、重要意义，并就研究内容做了简单介绍。2.井控装备和技术2.1 井控装备概述2.1.1 井控设备组成及功能井控装备是指实施油气井压力控制技术所需的一整套专用设备、仪表和工具的统称，是对油气井实施压力控制、对事故进行预防、监测、控制、处理以及实现安全钻井必不可少的系统装备。为了满足油气井压力控制的要求，井控设备必须能在钻井过程中对地层压力、地层流体、钻井主要参数、钻井液参数等进行准确地监测和预报；当发生溢流、井喷时，能迅速控制井口、节制井眼中流体的排放，并及时泵人压井钻井液使之在维持稳定的井底压力条件下重建井底与地层之间的压力平衡。即使发生井喷失控乃至着火事故，也具备有效的处理条件。因此，标准配套
18、的井控设备应由以下主要部分组成。1以液压防喷器为主体的钻井井口，又称防喷器组合。其主要包括： (1)液压防喷器； (2)套管头； (3)四通； (4)过渡法兰。2液压防喷器控制系统。其主要包括： (1)司钻控制台； (2)远程控制台； (3)辅助遥控控制台。3以节流管汇为主的井控管汇。其主要包括： (1)节流管汇及液动节流阀控制箱； (2)放喷管线； (3)压井管汇； (4)注水管线； (5)灭火管线； (6)反循环管线。一般来说，在钻井过程中一套完整的井控设备应具备以下主要功能：(1) 预防井喷。控制井筒内压力情况，防止井喷条件的形成。(2) 及时发现溢流。对井筒内进行监测，以便尽早发现井喷
19、预兆，采取控制措施。(3) 迅速控制井喷。溢流、井涌、井喷发生后，迅速关井，实施压井作业，对油气井重新建立压力控制。(4) 处理现场复杂情况。在油气井失控的情况下，进行灭火抢险等作业。2.1.2井口防喷器介绍2.1.2.1 防喷器结构和工作原理防喷器的结构及其结构特点如下：(1)、壳体、中间法兰等主要承压件采用高强度、高韧性合金钢，严格控制材料的有害化学成分和非金属夹杂物，进行炉外精炼锻造成型，并经适当热处理，保证防喷器使用安全可靠。壳体闸板腔采用长圆形，减少应力集中。(2)、侧门总成开关和闸板开关均采用液压驱动，并且是同一油路。侧门总成打开和关闭闸板是同一油路、同一操作；而侧门总成关闭和打开
20、闸板是同一油路、同一操作。(3)、采用浮动式闸板密封，可减小闸板开关阻力，减少胶芯摩损，延长闸板使用寿命，还可防止壳体与闸板锈死在一起，易于拆卸。 (4)、壳体与中间法兰之间采用径向浮动密封结构，这样能形成可靠的密封。并且这种结构的侧门密封不需要很大的侧门螺栓预紧力。(5)、液压油路壳体内部及锁紧部分采用埋藏式结构，避免在安装、运输及使用过程中碰坏油道；开闸板时有两处为外置油路，且在侧门下面，这样可有效避免磕碰。(6)、壳体内腔进行了化学防腐处理。法兰上的密封垫环槽、中间法兰的中间法兰密封圈槽和闸板轴盘根孔都堆焊了不锈钢，闸板轴盘根的挡圈采用了特殊不锈钢制造而成，具有较好的抗腐蚀性能。 图2-
21、1单闸板防喷器图 防喷器工作原理就是采用液压驱动闸板、液动锁紧闸板开关从而实现关井。闸板液压锁紧机构主要由锁紧液缸、楔形活塞、锁紧活塞、顺序阀、锁紧缸盖、解锁缸盖、显示机构组成。可自动实现关闭闸板、锁紧闸板、解锁闸板、打开闸板的顺序动作。需要长时间封井时，在液压关闭锁紧闸板后，液压可泄掉，楔形活塞上的楔面可自锁闸板。通过显示机构可观察闸板的开关状态。在地面维修时，可以取掉显示机构，观察锁紧动作和锁紧轴锁紧斜面的状况。采用液压锁紧机构的闸板开关动作描述如下：当液控系统高压油进入左右油缸闸板关闭腔时，推动活塞带动左右闸板总成沿壳体闸板腔分别向井口中心移动，实现封井。同时高压油进入左右锁紧液缸锁紧腔
22、，推动楔形活塞，使楔形活塞的楔面与锁紧轴端的楔面靠紧，实现自锁紧闸板，这时可卸掉来自液控系统的高压油。当要打开闸板时，高压油首先进入左右锁紧液缸解锁腔，推动楔形活塞，使楔形活塞的楔面与锁紧轴端的楔面脱开，当将要到达完全解锁位置时，楔形活塞开始压缩设置于解锁位置的顺序阀的阀杆，直到完全压缩并完全打开顺序阀（亦即楔形活塞到达完全解锁位置），使高压油进入油缸的闸板开启腔，推动活塞带动左右闸板总成向离开井口中心方向运动，打开井口。闸板开关由液控系统换向阀控制，闸板锁紧和解锁动作完全是在闸板关闭和打开时自动进行的，如图2-2和2-3所示。 图 2-2 液动锁紧机构：关闸板和开侧门总成液压油路图图 2-3
23、 液动锁紧机构：开闸板和关侧门总成液压油路图2.1.2.2 防喷器组合压力级别的选择液压防喷器组合的工作压力取决于所用套管的抗内压强度、套管鞋处裸眼地层的破裂压力和预计所承受最大井口压力三者中的最小值。防喷器压力级别目前共有五种：14MPa、21MPa、35MPa、70MPa、105MPa、140MPa。2.1.2.3 防喷器通径的选择防喷装置通径尺寸的选择，主要取决于井身结构设计中所使用的套管尺寸，即必须略大于所使用套管外径的防喷器装置，直到完钻不再更换。防喷器通径目前共有九种：180mm、230mm、280mm、346mm、426mm、476mm、528mm、540mm、680mm，其中现
24、场常用的有230mm、280mm、346mm、540mm。2.2 井控技术概述井控，就是采用一定的方法平衡地层孔隙压力，即油气井的压力控制。在钻井过程中，通过维持足够的井筒内压力以平衡或控制地层压力，防止地层流体进入井内，保证钻井作业安全顺利进行。2.2.1井控方式分类根据所采取控制方法的不同，把井控作业分为一级井控、二级井控和三级井控33。2.2.1.1 一级井控一级井控就是在井内采用适当密度的钻井液来控制地层孔隙压力，使得没有地层流体进入井内，溢流量为零。一级井控的关键在于钻前要预测地层压力、地层破裂压力和坍塌压力，从而确定合理的井深结构和准确的钻井液密度。2.2.1.2 二级井控如果井内
25、使用的钻井液不能平衡地层压力，地层流体进入井内，地面出现溢流，这时就要依靠地面的设备和适当的井控技术来处理和排除地层流体的侵入，使井内重新恢复压力平衡，这就是二级井控。二级井控的关键在于尽早发现溢流和迅速控制井口。当一级井控失效后，井内的液柱压力小于地层压力，井底处于欠平衡状态，这时通过关井，控制节流阀的开度，实现节流循环，在井口造成一定的回压，利用该回压和井内剩余的液柱压力之和来平衡地层压力，抑制地层流体向井内的侵入，同时将井内的地层流体排除并用重浆压井，重建井眼与地层之间的平衡关系，恢复正常钻井作业的井控技术。2.2.1.3 三级井控如果二次井控失败，溢流量增加，发生地面或地下井喷且失去了
26、控制，这时就要使用适当的技术和设备重新恢复对井内压力的控制，达到一级井控状态。通常情况下，力求一口井保持一级井控状态，同时做好一切应急准备。一旦发生井涌或井喷，井控人员应迅速作出反应，及时加以处理，尽快恢复正常钻井作业。2.2.2井口事故2.2.2.1 井侵当地层孔隙压力大于井底压力时，地层孔隙或裂缝中的流体将侵入井内，通常称之为井侵。如图2-4所示，当气泡上升至接近地面时，气泡体积膨胀到最大，而钻井液密度降低到最小。天然气侵入井内后，井内钻井液密度随井深自下而上逐渐变小。 图2-4井侵 图2-5 溢流 图2-6井涌2.2.2.2 溢流在油气井的勘探开发过程中，溢流是指当所钻的井底压力小于地层
27、压力时，井口返出的钻井液量大于泵入的钻井液量，停泵后钻井液自动外溢的现象，如图2-5所示。2.2.2.3 井涌钻井溢流不断增大便会形成井涌，如图2-6所示。当发生钻井溢流和井涌后，若不及时采取相应措施，井涌量就会逐步增大，喷出物会越来越多、越喷越高，最终发生井喷。2.2.2.4 井喷地层流体（油、气、水）压力过高而涌入井筒，喷出转盘面2m以上的现象称为井喷。井喷流体自地层经井筒喷出地面称为地上井喷；地下井喷是指井下高压层的地层流体把井内某一薄弱层压破，流体由高压层大量流入被压破地层的现象。 2.2.2.5 井喷失控井喷发生后，无法用常规方法控制井口而出现敞喷的现象称为井喷失控，如图2-10所示
28、。井喷失控又可分为环空失控、管柱内失控、地面失控和地下失控四种形态，无论是哪种形态，均是钻井工程中性质严重、损失巨大的灾难性事故。 2.3 本章小结本章主要介绍了井控装置和技术的发展现状。本章介绍了防喷器的组成和工作原理以及防喷器组合的压力和通径的选择以及井控的分类。本章还介绍了井口事故。3.关井方式为了避免溢流引起井喷失控事故，发现溢流后要及时、准确、无误地采取防喷器关井。目前常用的关井操作分为软关井、半软关井和硬关井三种方式。三种方式都有其优缺点。3.1 关井方式的分类 3.1.1 硬关井 “硬关井”通常也称为快速关井，即一旦发生溢流或井喷，在防喷器与四通等的旁侧通道全部关闭的情况下立即关
29、闭闸板防喷器。硬关井时，由于关井用时少、动作快，地层流体进入井筒的量少，关井套压低，压井作业时井口承受的压力也较低。但由于流体的惯性和动能硬关井会在井口产生“水击效应”，特别是高速油气冲向井口时，对井口装置的作用力很大，使井口装置、套管和地层所承受的压力急剧增加，甚至超过井口装置的额定工作压力、套管抗内压强度和地层破裂压力，而造成井口失控。3.1.2 软关井“软关井”是当发生溢流或井喷后，在节流阀通道开启、其它旁侧通道关闭的情况下关防喷器，然后再缓慢关闭节流阀，待压力恢复后记录关井立管压力和套压。“软关井”方法的优点是克服了“硬关井”的缺点，但由于关井时间比较长，侵入井筒内的地层流体多，套压较
30、高。3.1.3 半软关井“半软关井”为节流阀在适当开度（约3/5圈）下关闭防喷器的操作程序。适当打开节流阀，目的是使井口套压保持一定值，既可以减小水击影响，降低井口压力，又可在很大程度上阻止地层流体侵入井内。采取软关井或半软关井，由于关井时间较长，将会引起地层流体进一步侵入井眼，最终引起井口、套管鞋处及井底的压力不断增加，使井控工作难度增大。硬关井时关井迅速，地层流体进入井筒的量少，关井套压小，压井作业时井口承受的压力也低，但会引起较大的水击压力，造成对井口及井眼的冲击震动，若控制不好，则有可能破坏井口装置，造成井喷失控。3.2 关井方式的选择当井涌发生时，由于节流阀打开之后关闭防喷器既容易，
31、又降低了冲击震动，因此国际上普遍采用“软关井”方式。但是软关井操作方式会延迟节流阀和防喷器的关闭时间，这样将会造成大量地层流体进入，不利于后续的压井作业。由于井场上的情况千变万化，具体情况下关井方式的选择变得尤为重要。 对于关井方式的选择，国内外很多学者都进行了研究，下面先介绍几种观点。硬关井操作中，不仅可以忽略地层的附加压力，还能有效的避免更多流体进入井筒以及井筒压力的升高。软关井操作中，大量流体的涌入更容易造成套管表压的上升，增加水击脉冲的幅度，而且在开关阀门时又存在人为差错等因素，因此，从人员安全、设备安全以及油井安全等方面考虑，硬关井成为首选的关井方式。在井口流速不是特别高时，“硬关井
32、”形成的水击压力并不大，且井筒内的气体可以减少水击压力，对于关井的影响比较小，因此完全可以考虑采用“硬关井”。总之，关井是控制溢流的关键方法，关井程序的选择则是井控作业成功与否的关键。研究表明，当发现溢流较早时，侵入井筒内部的气体相对较少，因而井口主要受到钻井液的冲击，不过由于流速低，所以造成的水击压力就比较小。当溢流发现较晚时，侵入井筒内部的气体相对较多，由于气体上升过程中体积逐渐变大，因而井口主要受到气体的冲击作用，但由于气体为可压缩的弹性体，能减缓对井口的冲击。同时由于目前井口装备关闭多为液压控制，关井速度很快，节约了更多的时间。因此，“硬关井”是一种较为安全、快捷的关井方式。3.3 本
33、章小结本章介绍了三种关井方式以及各自的优缺点。得出“硬关井” 是一种较为安全、快捷的关井方式的结论。4.硬关井流场分析和模型计算4.1 流体流型分析流型的确定容易受到主观因素的影响，这使得不同的研究者从不同的角度对流型进行研究时会给出不同的流型定义和划分的方法。在钻井过程中，环形空间形成的气体钻井液气液两相上升流流型可能具有多种流型分布，在总结现有垂直环空管上升气液两相流流型研究成果的基础上，将其划分为五种基本流型：分散气泡流、气泡流、弹状流、搅动流和环状流，这种流型划分方式已被广泛采用，它较好的描述了钻井过程中环形空间上升气液两相流基本流动特性。分散泡状流：气相以小的离散气泡分布在环形空间的
34、连续液相中。气泡都以一种非常小的球形气泡存在，且气泡与液相之间不产生滑脱现象，两者以相同速度向上移动。分散泡状流一般在气相流量与液相流量相比很小的情况才可能发生，也可以将其归类到泡状流。泡状流：气相以小的离散气泡分布在环形空间的连续液相中，但是气泡呈现出两种形状：球型小气泡和体积较大的大气泡。球形小气泡认为悬浮在液相中，与液相之间不产生滑脱，而大气泡在液相中滑脱向上移动。弹状流：弹状流的突出特点是由一串段赛段单元构成，又名段塞流。每一个段塞段单元由一个大的气泡（又称Taylor泡）、一段液相和将大气泡包含在其中的一段液膜构成。在垂直环空中Taylor泡缠绕在内管外壁上，位于内壁和外壁液膜之间，
35、几乎占据环空管的大部分截面。包含Taylor泡的液膜相对于Taylor泡向下移动，与携带有小的气泡的液相段一起在环空中形成桥接，将连续的两个Taylor泡分开。搅动流：搅动流是一种气相和液相的混乱流动状态，Taylor泡和液塞都发生扭曲。相邻Taylor泡之间液相的连续性随着气泡之间融合不断遭到破坏，液相不断的落下和积累形成暂时的桥接，然后在气泡的顶替下上升，所以液相的运动方向的交替改变是搅动流的显著特点。环状流：环状流中气相呈现出连续相状态，环空管的内管外壁与外管内壁均有一层液膜，含有微小液滴的气芯占据两层液膜之间的环形空间，而且现有研究表明，外管液膜要比内管液膜稍厚。本文假设流体均匀而且气
36、泡非常小，气泡都以一种非常小的球形气泡存在，且气泡与液相之间不产生滑脱现象，两者以相同速度向上移动。即认为流体为分散泡状流流型。4.2 硬关井水击模型采取硬关井方式时，液体的流动瞬时停止，由于压缩性和惯性的作用，在井口会产生水击作用，可能造成套管鞋等部件的损坏，从而影响正常钻井施工。因此，在建立水击模型之前，有必要对水击压力和水击波速进行研究。下图是水击压力传递的四个步骤。4.2.1 水击波传播的第一阶段 图4-1 0tL/c 时增压波面向水箱方向传播如图4-1所示，假设防喷器瞬时关闭，靠近闸板下部的一段厚度S的液体速度会首先在极短时间内变为零，其压力也由P0增为P0+P，相应段井筒也由于压力
37、变化出现膨胀。在t时间间隔之后，下部紧挨着的一段液柱也停止运动，由此下去，其后各个液柱逐次停止运动，并由压缩而产生P的增压值。这就形成了增压波面，并以液体中音速c由井口向井底传播，在经过t1-L/c后，增压波面到达套管鞋处，井筒中液体全部静止，压力变为P0+P。这个阶段，套管由于压力增加而膨胀，流体的动能转化为流体压力能和套管的内能。 4.2.2 水击波传播的第二阶段图4-2 L/ct2L/c 时减压波面向阀门方向传播由图4-2所示，在t=L/c时刻，井筒内的液体都已停止流动，均处在被压缩状态，井筒则处于膨胀状态。但此刻井筒内的压力高于套管鞋处的压力，压力产生不平衡，这样就使靠近套管鞋处的一段
38、流体以速度v0向井底倒流，水击压力消失，恢复正常静压，管壁也恢复原状。这个过程套管的内能和流体的压力能转化为流体的动能。 4.2.3 水击波传播的第三阶段图4-3 2L/ct3L/c 时减压波面向水箱方向传播在2L/c时刻，全井筒内压力已恢复到静压。紧邻闸板处的液柱由于惯性的作用仍以速度v0向井底流动，液体又不再补充，从而液体产生双倍膨胀，出现压力双倍降低，即产生负的压力P，井筒壁收缩，而此后的液柱相继降低，形成减压波面仍以速度c向井底传播，流体的动能转化为流体的压力能，如图4-3所示。4.2.4 水击波传播的第四阶段图4-4 3L/ct4L/c 时减压波面向阀门方向传播由图4-4所示，在防喷
39、器关闭后t3时刻，减压波面到达井底，井筒内的液体处于低压的静止状态，管壁则处在收缩状态。此刻，井底处的压力高于井筒内的压力，又失去平衡，在压差P的作用下，液体以速度v0向上运动，并紧邻井底的一层液体压力恢复到p0，管壁也恢复原状。这种不平衡面又依次以速度向闸板方向传播，在t4=4L/c时传到胶芯处，全井筒液体又恢复到关闭前的状态。随后，第一个压力传递循环开始。4.3水击压力的计算公式根据35,闸板瞬时关闭时产生水击压力使套管膨胀，波阵面s下侧为井口未关闭前的状态，即流速为vm0，面积为A0；在S上侧，流速变为零，面积为A1，波阵面S将以波速am向下推进。上侧相对速度v=am，下侧相对速度为：
40、(4-1)在密度不变情况下，由连续性方程可知： (4-2) 即 (4-3)由动量定理可知： (4-4)由于通常情况下，vm0远远小于am，故可令，其中e为小量，于是得到式： 由vm0非常小，上述公式忽略vm0项，得到水击压力计算公式： (4-5) 上述各式的计算是在流体的连续原理和动量定理的基础上得到的，并且水击压力只是闸板处的最大水击压力，与时间无关，因而不能确定关井后的水击压力随时间的变化规律。我们必须通过软件模拟关井过程中流体压力和速度随时间变化的规律。4.4本章小结本章主要分析了套管中流体的流型、建立了快速关井的水击模型、推导出了水击压力的计算公式。由于假定井控为瞬间关闭，推导出的压力
41、计算公式是与时间无关的。这不能反应井内压力和流速随时间波动的变化规律。我们必须进行流场模拟试验。5.流场模拟试验和数据分析本实验主要使用ADNIA软件进行硬关井井口流场分析。ADINA 系统是一个单机系统的程序，用于进行固体、结构、流体以及结构相互作用的流体流动的复杂有限元分析。借助 ADINA 系统，用户无需使用一套有限元程序进行线性动态与静态的结构分析，而用另外的程序进行非线性结构分析，再用其他基于流量的有限元程序进行流体流动分析。ADINA 系统还是最主要的、用于结构相互作用的流体流动的完全耦合分析程序（多物理场）。本实验主要用到流体流动的耦合分析程序（ADINA-FSI）。5.1 AD
42、INA软件介绍ADINA的最早版本出现于1975，在K. J. Bathe博士的带领下，由其研究小组共同开发出ADINA有限元分析软件。ADINA的含义是Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis的首字母缩写，为动力非线性有限元分析，这表达了软件开发者的基本目标，即ADINA除了求解线性问题外，还要具备分析非线性问题的强大功能，包括求解结构以及涉及结构场之外的多场耦合问题。增量法是数值求解非线性物理问题本质的方法，对非线性物理问题，计算解逼近真实解的过程是通过控制增量步逐步实现的，所谓增量通常是载荷增量或时间增量。 1986年，K. J.
43、Bathe博士在美国马萨诸塞州Watertown成立ADINA R&D公司，开始ADINA软件商业化发展的历程。实际上ADINA到1984年（ADINA84版）时已经具备基本功能框架，而ADINA公司成立的目标是使其产品ADINA这大型商业有限元求解软件，专注求解结构、流体、流体与结构耦合等复杂非线性问题，并力求程序的求解能力、可靠性、求解效率全球领先。 一直以来，ADINA在计算理论和求解问题的广泛性方面处于全球领先的地位，尤其针对结构非线性、流/固耦合等复杂问题的求解具有强大优势，被业内人士认为是非线性有限元发展方向的先导。经过近20年的商业化开发，ADINA已经成为全球最重要的非线性求解
44、软件，被广泛应用于各个工业领域的工程仿真计算，包括土木建筑、交通运输、石油化工、机械制造、国防军工、船舶、以及科学研究等各个领域。5.2流固耦合有限元模型5.2.1防喷器选择本模拟实验以mk_fz_28-105单闸板防喷器为例，其额定工作压力为105MPa。假定井深为1500m，套管内径为244.5mm，钻杆外径127mm，内径108mm。防喷器组合如图5-1所示，下面是套管，然后是四通，上面是单闸门防喷器。为了分析“硬关井”时水击现象对防喷器的闸板冲击和压力随时间的变化，根据结构几何形状的对称性建立二维轴对称有限元模型，如图5-3所示。利用ADINA软件根据流固耦合原理进行仿真分析。 图5-
45、1 井口装置示意图 图5-2 防喷器结构图 5-3二维轴对称有限元模型示意图5.2.2固体有限元模型钻杆、铁芯和平板阀的材料均为钢材，弹性模量为2.06e11Pa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3。对闸板施加位移载荷，钻杆的施加固定约束，使之完全不动。平板阀的上下端施加固定约束，使之只能在Y轴方向运动。在平板阀的上施加Y轴负方向的位移载荷，大小为0.1225m，如图5-4B所示。 A全井模型 B井口局部放大 C井底局部放大5-4 固体有限元模型5.2.3流体有限元模型如5-5所示，建立流体有限元模型。设置流体的粘度（Viscocity）为0.013 Pas，密度为1200 kg/m3，重力加速度为10m/s2。在模型的下端施加压力载荷（Normal Traction）18.2mPa。图5-5 流体有限元模型流体模型的建立与理想模型的有一些小的差别，用到梯形过渡。这是为了避免线段的重合而是流体不能从一个面流到另一个面。另外要设置一个GAP，这样才能看到关井后压力波动。5.3流场试验及分析闸板采用匀速运动方式，图5-6是运行的压力云图。假设“硬关井”的最短关井时间为5s、8s、10s、12s四种情况，假设闸板匀速运动，因此通过施加位移载荷来模拟闸板匀速运动，在0-0.1s内使井底压力增大至18.2MPa，0.1-20秒一直是18.2MPa，如图