【摘 要】
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在试油与完井过程中,由于地面设备的控制变化、管道形状变化以及地层对流体参数的影响等因素,管内流体处于非定常流状态,诱发完井管柱与管内流体间的耦合振动。强烈的振动会使管柱及附件产生疲劳破坏,尤其是在管柱的连接部位,严重影响螺纹接头的连接强度和密封性,加剧了特殊结构处的应力集中,增大了管柱本身所受的应力。当超出管柱的承受能力时,可能导致管柱破坏、管柱泄漏、封隔器失封等问题,甚至引起爆炸、燃烧等安全事故
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在试油与完井过程中,由于地面设备的控制变化、管道形状变化以及地层对流体参数的影响等因素,管内流体处于非定常流状态,诱发完井管柱与管内流体间的耦合振动。强烈的振动会使管柱及附件产生疲劳破坏,尤其是在管柱的连接部位,严重影响螺纹接头的连接强度和密封性,加剧了特殊结构处的应力集中,增大了管柱本身所受的应力。当超出管柱的承受能力时,可能导致管柱破坏、管柱泄漏、封隔器失封等问题,甚至引起爆炸、燃烧等安全事故。因此,研究完井管柱流固耦合振动问题,在预防管柱破坏,确保管柱在服役期的安全等方面具有重要意义。本文在Timoshenko梁模型的基础上,考虑了流体粘度及重力的影响,推导了管柱轴向、径向以及扭转振动方程,建立了完井管柱流固耦合振动拟线性14-方程模型。在建立的数学模型中,考虑了泊松耦合与摩擦耦合,针对完井管柱,做了多处优化,诸如忽略管壁厚度变化影响、将环向应力转换为流体压力以及在径向振动方程中忽略重力的影响等,相比于以往简化的线性模型,本模型理论上更适用于完井管柱。本文采用特征线法将偏微分方程组常微分化并用有限差分法将特征方程离散,分别通过时间插值法和空间插值法得到可用于迭代计算各振动参数的形式。本文通过所建立的完井管柱流固耦合振动模型,针对压裂工况,计算得到了启、停泵时管柱与流体的振动参数,根据计算结果,分析了起停泵时间、注入压力和排量等因素对管柱振动的影响,给出了针对压裂工艺的的建议与措施,对实际生产中提高管柱安全性有一定参考价值。
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