深水测试管柱冲击荷载下的动力学行为研究

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1、深水测试管柱冲击荷载下的动力学行为研究　　深水测试管柱冲击荷载下的动力学行为研究　　深水测试管柱冲击荷载下的动力学行为研究　　深水测试管柱冲击荷载下的动力学行为研究　　深水测试管柱冲击荷载下的动力学行为研究第1章绪论1.1研究背景及意义石油作为一种战略物资,是国家政治、军事和经济的重要保障,半个多世纪以来,我国的油气开采已经取得了显著的成就。然而,随着国民经济的不断发展,科学技术的不断进步,油气产量的增长远远落后于我国经济发展的速度,为了满足日益增长的消费需求,缓解供需矛盾,就需要扩大产量,不断地勘探

2、开发出新的油气资源。随着陆地油气资源的不断开釆,其增储增产难度越来越大,于是,人们将勘探焦点集中在广阔的海域,这就导致了海洋油气资源的开釆比重越来越大。根据2008年公布的中国油气资源评价结果,中国海洋石油资源量约246亿吨,占中国石油资源总量的23%,天然气资源量约为16万亿立方米,占总量的30%。然而,在现阶段的海洋油气开发中,由于技术的限制,我国90%以上的油气井属于水深低于900m的浅水井,对储量丰富的深海区域开发得还比较少。因此,实现深海油气开釆显得尤为迫切。深水测试是实现深海油气开采的关键

3、环节,而测试管柱的冲击振动又对深水测试的成败有重要影响。受冲击荷载(或可视为冲击荷载)影响最为典型的两个工况为射孔测试联作工况和隔水管脱开工况。射孔测试联作工况指:将射孔枪、减振器、压差装置、封隔器及上端作业管柱连接成管串(如图1.1所示),进行下入,在封隔器坐封后使用射孔枪将地层射穿,从而使地层内油气流入管柱内部的作业过程。在射孔作业过程中,射孔枪射穿地层,与此同时,在非常小的空间内产生较大的能量,该能量通过减振器传递至减振器上方的射孔管柱,并在封隔器处产生极大的冲击荷载,从而导致射孔管柱的变形和轴

4、向振动。此类振动产生的动态力可能导致封隔器上方的仪器被振坏,且产生的动态应力也可能超过管柱的容许应力,从而造成射孔管柱的屈曲破坏,影响射孔测试作业。隔水管脱开工况则为:在深水测试时,由于突发情况(如遇台风等),需紧急将钻井船驶入安全水域,这就要求钻井船、隔水管串与井口进行紧急脱离,从而避免灾害对钻井船造成破坏。在隔水管脱幵工况,由于隔水管受到上部钻井船与下部防喷器的共同拉力作用,隔水管柱产生变形且处于有极大拉伸力的平衡状态,当隔水管柱与井口紧急脱开时,隔水管柱就会急剧收缩,引起管柱应力波动并发生纵向振

5、动,其动态过程可视为简单的冲击作用,此冲击作用可能会导致隔水管柱沿轴向方向的振动破坏,也可能在钻井船处产生极大的冲击荷载从而破坏张拉设备或使钻井船发生侧翻,从而影响油气的开采。............1.2国内外研究现状采用射孔的方式射穿地层可追溯到1932年美国加利福尼亚洲洛杉肌NONTEBELLO油Fl使用子弹射孔器射穿了油井套管,成功的在油气储层与油井套管之间形成了有效控制的液流通道[1];此后,常规子弹开始用于射孔作业中。目前,国内外专家及学者在射孔测试联作技术方面的研究主要集中在射孔枪、减振

6、器、射孔完井及射孔工况中射孔管柱振动等方面,并取得了诸多成果。在1955-1957年期间我国专家就研制出聚能射孔弹,并在四川等地区的井下射孔试验中获得成功。1966年又成功研制了67-1型无枪身聚能射扎弹。80年代后,我国射孔弹及射孔器在吸取国内外科研成果的基础上有了较大进步。1991年,西仪总厂、大庆射孔弹厂、山西新建机器厂的地层射孔深度全部突破400m,使国内射孔技术迈上了一个新台阶。同年,兵器工业总公司研制出使用于油气井射孔的耐热磁电雷管机器专用起爆器,并在国内中推广应用[2]。1994年后,国

7、内各大研究所都在射穿地层深度方面寻求突破,且取得了巨大成果,极大地改进了射孔工艺技术。目前,国内射孔器品种多样、质量稳定,基本满足了国内市场需求,甚至向海外市场推广销售,国内射孔器正向低伤害、深穿透、多元化、系列化发展[3]。.........第2章射孔管柱-减振器动力学模型在测试作业中,最为典型的冲击荷载工况是射孔工况。在射孔工况中,井上装置将油管输送到预定的深度,从井口注入压力引爆射孔枪,射孔枪射穿地层,形成通道,从而使油气渗出。射孔枪射孔时,其内部由爆炸产生的冲击力远远大于管柱或封隔器的容许应力

8、,为了防止应力的突然增大对管柱、封隔器以及封隔器上方的仪器造成损坏,常在射孔管柱与射孔枪之间设置减振器,但附加的减振器对射孔产生的能量只起到了缓慢耗散作用,并不能立即完全消除,因此,即使在射孔管柱与射孔枪之间安装了减振器,射孔管柱仍然会产生振动且应力波仍然会传递至射孔管柱上端封隔器处,从而引起管柱及封隔器的应力变化,可能会导致射孔管柱发生强度破坏,且封隔器及封隔器上端测试设备也有可能被振坏。针对射孔管柱及测试设备的安全问题,本章采用弹性力学及结构动力学分