考虑环空热膨胀压力分析高温高压气井井口抬升

对高温高压气井,井筒流体高速开采过程中产生的井口热应力和环空热膨胀压力会导致井口装置抬升,破坏气井井筒完整性。本文建立了环空热膨胀压力和井口抬升计算模型,结合某高温高压气井进行了实例分析。结果表明:环空热膨胀压力随着环空温差和流体热膨胀系数的增加呈线性增加,随环空流体等温压缩系数的增加呈线性减小;C环空热膨胀压力产生的井口热应力最大,A环空最小;单层套管存在自由段时,井口抬升随着环空热膨胀压力的增加呈非线性增加,当自由段长度相同时,井口抬升对C环空热膨胀压力最敏感;多层套管同时存在自由段时,环空热膨胀压力不会改变多层套管自由段长度对井口抬升高度的影响规律,但会导致井口抬升高度增大。     

偶极子声波测井在套管井中的声场特征*

偶极子声波测井在套管井中的应用越来越多,本文重点研究了套管井不同胶结状况下偶极子声源在套管井中激发的声场特征,通过解析方法分析了水泥环第一界面和第二界面不同胶结状况下井孔模式波的频散和衰减。计算结果表明,在水泥环第一界面或第二界面胶结差时井孔声场中可观测地层弯曲波和套管弯曲波;与胶结良好时相比,地层弯曲波的频散曲线向低频偏移,水泥环第二界面胶结差时偏移较大;套管弯曲波对水泥界面存在的流体环厚度很敏感,随着流体环厚度的增加套管弯曲波的相速度逐渐增大,激发幅度也明显增强,这一特征为利用套管弯曲波的相速度估算流体环厚度提供了可能。本文的计算结果为利用套管井中越来越多的偶极子声波测井资料评价水泥胶结质量奠定了理论基础。     

套管中泄漏弯曲型Lamb波的传播特征

低阻抗水泥固井质量检测是油气田生产亟需解决的问题。套管中传播的最低阶泄漏弯曲型Lamb波(以下简称为A0弯曲型Lamb波)对套管后介质尤其是低阻抗水泥的声学参数和胶结状况具有很高的敏感性。通过建立多层介质模型,从理论上计算了其频散和衰减与套管后介质属性及水泥环第Ⅰ界面胶结状况的关系,并数值模拟了有限尺寸定向辐射探头激发和接收的全波波形。结果表明,在套管后耦合慢速水泥时,A0弯曲型Lamb波的频散曲线存在断点,曲线分为两个分支;A0弯曲型Lamb波的衰减在套管后耦合慢速水泥时最大并且对水泥环第Ⅰ界面胶结差时流体环厚度有很高的灵敏度,利用其衰减可以实现对套管后介质类型、水泥环第Ⅰ界面胶结状况及窜槽厚度的有效判别。      

水泥密度和套管尺寸对油井套管波的影响

通过数值模拟结合实验测量,研究了第一、第二界面胶结良好情况下套管井内的声场,考察了水泥密度、套管直径及其壁厚对套管波幅度的影响,并将部分数值模拟结果与实验结果进行了对比.结果表明,套管波幅度随固井水泥密度增大而减小,低密度水泥和常规密度水泥固井时所得到的套管波幅度相差较大;因此,进行固井质量评价时对不同密度的水泥应采用不同的评价标准.当套管直径不变而壁厚增大时,套管波到时不变而幅度增大;当套管壁厚不变而直径增大时,套管波到时延后而其绝对幅度减小.对油田中常用的三种套管,在大型号套管中所得到的套管波的相对幅度也较大.另外,数值结果中套管波相对幅度随水泥密度的变化规律与实验测量结果基本一致.     

水流经垂直多孔介质同心套管的传热实验研究

本文报道了水向上流经垂直多孔介质同心套管混合对流的传热实验装置和进口段对流换热的实验结果.内装多孔介质的同心套管内热边界层的发展不同于空同心套管,多孔介质对流动的“扰动”明显地影响传热,在热边界层发展段的自然对流影响较大,且随着热边界层的发展其影响逐渐减小.     

热采井注蒸汽与注多元热流体井筒流动与传热对比分析

针对海上稠油开采出现的问题,国内发展了注多元热流体吞吐热力采油技术。与蒸汽热力采油相比,多元热流体可以显著降低稠油黏度、增加油层压力,提高开采效率。本文基于实际气体状态方程和混合法则建立注多元热流体内部流动与传热模型,并与注蒸汽井筒流动与传热状态进行对比,详细对比两种热采介质在井筒流动与传热情况。通过研究发现:在井筒注入相同温度与相同注入速率的多元热流体与饱和蒸汽,多元热流体井筒压力和温度下降速度更快,到达井底时压力更大,温度更低,与地层和油层的温差更小,井筒热损失更少,但是热量含量低,油层加热范围小。要想达到与蒸汽一样加热效果,可以增加多元热流体注入速率和注入温度。同时由于CO_2和N_2作用,油层温度分布更加均匀,热量更多,油层加热范围更大,注多元热流体开采效果更好。     

固井工艺对过套管电阻率测井影响的数值模拟

过套管电阻率测井响应信号十分微弱,增强测量信号幅度对提高仪器测量精度、改善视电阻率计算结果的精确性具有重要意义;建立全空间有限厚度纵向、径向阶跃地层模型,针对近地表段为低阻、中阻和高阻三种地层模型,在MATLAB7.0环境下数值模拟分别得出了近地表段有/无水泥环封固条件下,套管上一、二阶电位差的分布;分析上、下供电模式下电位差分布特点,总结了近地表段水泥环对测井响应的影响,给出了不同地层条件下近地表段水泥封固的建议。     

宽带相控线阵声源在套管井外地层辐射声场的指向性

套管井中的声传播涉及到波在柱状多层介质中的传播问题。通过数值计算对比了宽带相控线阵声源在套管井外均匀地层中产生的纵横波声场的指向性。结果表明,在任意胶结状况下,均可实现向套管井外地层定向辐射纵横波的技术;与地层中纵波的传播特征不同的是在主瓣偏转角方向横波幅度随着偏转角的增大逐渐增加,且在主瓣辐射方向的横波幅度受套管井胶结状况的影响较纵波小;采用玻璃钢套管代替钢套管,会进一步减弱地层声场受胶结状况的影响,这有利于实现在套管井外地层较大范围内的精确定向辐射声波的技术。     

套管中模式波的响应特征*

在固井质量评价中主要利用套管中模式波的幅度或衰减变化反映水泥的胶结状况,不同测井仪器在套管中激发的模式波的类型不同,研究套管中各模式波的传播特征和影响因素可充分挖掘测量数据的潜在应用价值。CBL和SBT等测井仪器在套管中主要激发拉伸波,类同于平板中的零阶对称Lamb波,水泥环封隔测井仪器的斜入射模式在套管中主要激发套管弯曲波,类同于平板中的零阶反对称Lamb波,垂直入射模式激发套管共振波,类同于平板中的高阶对称Lamb波。该文重点分析了这些模式波的衰减特征及其对微环的响应,套管弯曲波在套后耦合轻质水泥时对微环不敏感,但在套后耦合常规水泥或重水泥时,其衰减明显高于胶结良好的状况;拉伸波对微环的存在最为敏感;套管共振波对微环不敏感。     

耐高压光纤Bragg光栅压力传感技术研究

分析了聚合物封装光纤光栅的压力响应特性,通过采用特殊聚合物材料将光纤光栅封装于金属套管中,并通过在金属套管预涂覆一层软弹性材料,以消除封装过程中由于聚合物固化收缩以及聚合物与套管壁粘接与摩擦产生的光纤光栅啁啾化,改善了光纤光栅压力响应特性.封装后的光纤光栅压力响应灵敏度为0.036 nm/MP,具有良好的线性,压力测量范围可达40 MP以上.     

SAGD循环预热割缝筛管参数影响规律研究

为预测SAGD循环预热阶段井筒内蒸汽热力参数分布规律,提高地层受热均匀程度,考虑割缝筛管管柱结构特点,建立水平井井筒与储层耦合数值模型,采用全隐式有限差分法和迭代技术对模型进行求解,并验证模型的准确性。利用该模型可预测井筒内蒸汽压力、温度、干度和地层吸热率等参数分布规律,对比不同割缝宽度、长度和密度对循环预热效果的影响。结果表明:蒸汽压降和温度降主要发生在长油管内,蒸汽干度降主要发生在环空内。随割缝宽度、长度和密度的增加,水平段吸汽长度均减小;压力下降幅度均变缓;蒸汽干度下降幅度均增大;地层受热非均匀性均增强。优化割缝筛管参数,避免蒸汽冷凝成水,提高返回跟端处的蒸汽干度值,可提高地层受热均匀程度。     

声测井中的声压-速度有限差分方法

为了解决薄互储层的声测井问题,提出了声压-速度有限差分方法:用声压和速度矢量做为场变量,分别描述井内流体和井外弹性固体或双相介质。这样选择场变量的优点是:处理脉冲点源(或线源)与套网格技术相比简单得多;在内边界上的差分格式稳定,精度得到了改进;人为边界上的吸收效果较好。用柱坐标分别给出了井壁上流体与弹性固体、流体与双相介质的声压-速度边界条件,并用守恒积分方法处理了井壁上的边界条件。通过用声压-速度有限差分方法模拟弹性固体和双相介质地层的声场,证明了声压-速度有限差分方法的有效性。     

套管-水泥界面微间隙厚度的低频超声反演方法

研究了应用低频超声垂直入射反射波实现套管-水泥界面流体微间隙薄层厚度的反演方法。应用灵敏度函数比较分析了分层系统反射谱各阶谐振频率处的相位跳变量较之各阶谐振频率作为反演特征量的优势。通过目标函数分析,选取分层系统3~10阶谐振频率处相位跳变量作为特征量,利用BP神经网络实验获得0.1~1.0 mm内不同间隙层厚度的反演结果。反演结果与真实值的平均相对误差为4.6%,最小反演厚度仅为波长的18%。所选取的相位特征量也可用于其它层状高声阻抗介质下的薄层厚度反演。      

流体-孔隙介质圆柱界面波传播特性

研究流体-孔隙介质圆柱界面波传播特性,分析孔隙介质孔隙率等参数对频散曲线的影响。理论上建立了无限大流体包裹孔隙介质圆柱界面波的模型,利用孔隙介质弹性波动理论,通过数值模拟计算得到流体-孔隙介质圆柱的频散曲线及时域波形,并分析了孔隙介质为开孔和闭孔状态下孔隙介质圆柱半径、孔隙率及渗透率对频散曲线的影响。结果表明,时域上斯通利波可以被明显区分开,孔隙介质圆柱半径的变化改变了圆柱尺度,孔隙率的变化改变了孔隙介质的纵、横波波速,因此对于斯通利波频散曲线的影响较大。而渗透率的变化既不改变圆柱的尺度也不改变孔隙层的纵、横波速度,因此对斯通利波频散曲线影响较小。      

超声反射成像测井的有限元分析*

利用有限元方法研究了有限长换能器激发的超声波在套管井多层介质中的传播规律。数值模拟了换能器长度及套管曲率对反射回波的影响。随着换能器长度增加,反射回波频谱谱陷个数由单一向多个变化;套管共振透射窗的反射波相对能量先逐渐减小后振荡变化,较小长度的换能器对套管与水泥环界面的声阻抗区分能力优于较大长度的换能器。随着套管曲率的增大,套管共振透射窗的反射波由单一模式的厚度振动纵波向其他模式波变化。数值模拟结果对超声脉冲反射声波测井仪器的换能器结构优化设计起到了良好的指导作用。     

套管井中偏心对声场的影响分析*

目前在油田的实际应用中,声幅-变密度水泥胶结测井(CBL/VDL)在套管井的水泥胶结质量评价中发挥重要作用。但是,在一些大斜度井或者水平井中,往往由于仪器或者套管的重量等原因导致套管井中出现偏心现象,这给利用声波测井资料进行水泥胶结质量评价带来一些难题。为此,本文建立了套管偏心和仪器偏心两种情况下的三维声学模型,利用柱坐标系下的三维交错网格有限差分算法数值模拟了两种偏心情况下的声波传播情况,并着重研究了偏心率的变化对套管井中声场波形特征,尤其是套管波及地层波特征的影响。另外,模拟了具有不同外径尺寸的套管和偏心率的组合情况下的声场传播情况,在此基础上研究了偏心率的大小对声场特征的影响规律。本文的研究结果表明,套管偏心和仪器偏心均会给声场波形特征带来影响,且随着偏心率的增加而增大;相比较而言,仪器偏心对套管波的影响更大。     

套管井水泥环空间介质波阻抗与厚度反演方法

针对实际反射式超声波测井,把套管与地层环空间单层介质的波阻抗和厚度作为两个待反演参数,分别将相移正切函数及反正切函数形式下的方程作为目标函数,提出了对波阻抗和厚度反演的线性化最小二乘法.通过对两种反演方程误差函数的数值考察和对合成数据反演结果的分析,发现相移反正切函数形式下方程的线性化最小二乘法是较为稳定有效的方法,能够完全消除多极值的缺点,反演结果对波阻抗和厚度初值不敏感.     

套管井中相控线阵声源激发的声场研究

利用相控线阵声源的动态声束偏转技术可大大增强套管井孔中有用模式波的幅度。通过实轴积分方法计算了相控线阵声源在多种胶结状况下的充液套管井中的声场,计算结果表明在Ⅰ、Ⅱ界面均胶结良好时随着相控线阵阵元间激励延迟时间的增加,地层滑行纵波和滑行横波的幅度逐渐增强,当相控线阵声源的声束偏转角先后等于地层第一临界角和第二临界角时可使滑行纵波和滑行横波幅度分别加强到最大;在Ⅰ(或Ⅱ)界面存在微环时,单个点声源激发的套管井全波波形中观测不到地层信息,当采用相控线阵声源做发射器时,通过选择相邻阵元间合适的激励延迟时间,可有效地增强地层滑行纵横波的幅度,同时还可较好的抑制套管波的能量。     

双层周期加肋有限长圆柱壳声散射精细特征研究

研究了双层周期性加肋有限长圆柱壳在水中的声散射特性. 壳体振动用薄壳理论的Donnell 方程描述,环肋振动用相互独立的薄板纯弯曲振动和平面应力状态下的振动方程描述,忽略弦间流体对环肋轴向力的作用. 数值计算给出远场收发合置情况下的周向目标强度和角度-频率谱图,并据此进行机理分析. 计算结果表明远场散射声场中除壳体弹性贡献外,弦间流体以及环肋与内外壳的相互作用对散射声场的贡献也是很重要的,并且在角度-频率谱中出现了舷间流体引起的流体附加波以及周期环肋引起的Bragg散射等回波精细特征,其中流体附加波是双层加肋圆柱壳声散射最重要的散射精细特征,是以往单层圆柱壳声散射所不具有的现象. 最后通过实验对理论推导进行了验证,实验与理论基本符合. 关键词： 声散射 圆柱壳 环肋 流体附加波     

基于比例积分控制原理预测钻井全过程原始地层温度的新方法研究

应用比例积分控制原理将瞬态传热模型预测结果与出口 温度实测数据逐步进行反馈可准确预测原始静态地层温度. 为此, 本文基于井下各控制组件质量、动量及能量守恒原理, 建立了实际井身结构与钻具组合条件下循环和停止循环期间井筒-地层温度分布全瞬态传热模型, 应用全隐式有限差分法进行求解, 并引入比例积分控制原理对比分析实测温度与预测温度的误差范围进而精确、 快速获取原始地层温度. 结合一口深井基础数据计算表明, 套管下入深度改变了井筒-地层间热交换效率, 进而影响了近井壁地层温度分布状况; 同时, 钻井过程中循环和停止循环作业过程改变了井下各控制组件的初始条件与边界条件, 致使近井壁原始地层温度分布距离产生变化. 建立的数学模型和研究方法可为石油钻井、地热井开采及地球深部原始地层温度信息准确、 经济、快速获取提供理论基础. 关键词： 原始地层温度 循环与停止循环 瞬态传热模型 比例积分控制原理