本论文系中国石油天然气集团公司科技攻关项目“复杂条件下高压高产气井压力控制系统研究”(项目号:03B2091200)的部分内容。 当井内发生溢流,应立即关井,关井方式的合理选择必须考虑关井水击效应,以避免水击压力对裸露地层和井口装置造成的破坏。本文在分析影响水击因素的基础上,建立了水击效应的数学模型,并用特征线法以及ADINA有限元方法对水击数学模型进行了求解。最后在理论分析与实例计算的基础上,首次提出在井口装置上安装空气罐来减小水击压力的尝试。通过本文研究所得到的一些认识,对实际生产现场井口装备的配置、溢流关井方式的选择等具有一定指导意义。 首先,本文简要介绍了当前水击计算的基本理论,包括水击数学模型及其求解方法,指出了当前水击数学模型中存在的不足。详细的分析了弹性模量、管道尺寸、气体百分含量、固体颗粒含量等因素对水击效应的影响,其中影响最大的是气体百分含量和固体颗粒含量。随着颗粒含量的增加,水击波速随之上升;而气体含量与此相反,气体越多,水击波速将会越小。 其次,以实际生产现场的溢流关井为物理模型,在一定假设的基础上,建立了比以往模型能更加真实反映溢流关井水击效应的数学模型,即连续性方程、运动方程及定解条件,在所建立的数学模型里考虑了摩擦阻力的影响。同时,应用特征线法的原理,将数学模型的微分方程组转化成特征方程组,沿特征线对特征方程进行积分,并以差分方程形式代替积分形式对其求解。用所建立的模型及其解法进行的计算充分表明:1)“硬关井”、“半软关井”、“软关井”井内水击压力逐渐减小;2)由于耗散使井内水击波动由井口、套管鞋到井底逐渐减小;3)井内为两相流时产生的水击压力比单相流更小,气体有减小水击压力的作用。同时,为了进行对比分析,本文采用了现今最为流行的有限元法,即通用软件ADINA进行水击压力的计算。计算结果表明,ADINA与本文建立的水击数学模型的计算结果吻合较好。 最后,对控制水击的措施进行了探索。在分析了常规的水击控制措施基础上,大胆借用其它工程中通过安装一个空气罐来减小水击压力的方法,提出在井口装置上也安装一个空气罐来控制关井水击的理论尝试。理论计算表明,空气罐能有效的减小水击压力。只是考虑到现场井口已经比较复杂,对于该尝试是否可行,经济上是否有益还需要进一步的研究以及实验论证。