井口装置疲劳寿命预测分析方法

技术领域

本申请涉及井下工程技术领域，尤其是涉及一种井口装置疲劳寿命预测分析方法。

背景技术

天然气是社会发展的重要能源组成，天然气开采中需要设计并钻气井，通过气井把地下天然气资源采到地面。随着天然气的开采，当某一区域可利用的工业天然气资源几乎采尽后，该气井失去采集作用，根据实际需要，会对废弃气井进行再利用，比如建成回注站。

井口装置是井下采气管柱(油、套管)与地面管网间连接的关键设备，由油管挂、闸板阀、连接法兰等组成。由于气井已使用一定年限，在建设回注站时需要对设备零件进行更换维护，维护后的井口装置疲劳寿命关系到生产运行安全。

相关技术见申请号为201910861404.2专利，其公开了一种热采井口装置使用寿命评估方法，包括以下步骤：获取不同工况下和存在缺陷的热采井口装置本体的蠕变寿命，以及热采井口装置螺栓的使用寿命，比较获得的蠕变寿命和使用寿命，确定出热采井口装置整体的使用寿命。

针对上述相关技术，实际工况下，气田水对井口装置的作用力是一个瞬态载荷，在瞬态载荷的作用下，井口装置将发生振动，当瞬态载荷的频率与井口装置的某阶固有频率接近或相等时，井口装置将发生共振，加剧井口装置疲劳损坏，将会导致井口装置失效或失控的严重安全隐患，上述寿命评估方法与实际疲劳寿命差异大。

发明内容

为了改善目前井口装置因振动而造成寿命评估与实际差异大的问题，本申请提供一种井口装置疲劳寿命预测分析方法。

本申请提供的一种井口装置疲劳寿命预测分析方法采用如下的技术方案：

一种井口装置疲劳寿命预测分析方法，包括以下步骤：

S1、三维建模：根据井使用井口装置的型号，建立井口装置的三维实体模型、井口装置内部流道的三维实体模型；

S2、确定流场分析边界条件，进行井口内流道流场分析：根据井口装置内部结构尺寸以及空气动力学特征，将流场分析边界条件参数应用于井口装置内流道的动力学流场模型，分析流场特征，分析井口装置内的流动状态；

确定力边界条件和约束边界条件，进行井口装置的刚强度和振动力学分析；

S3、振动疲劳寿命与工作参数关系分析，分析在不同注入量、压力参数下井口装置的疲劳寿命，得到最小安全系数与疲劳寿命的关系。

本申请具有以下有益技术效果：根据得到的最小安全系数与疲劳寿命关系曲线，通过实际工程要求的最小安全系数，可以更为准确的预估疲劳寿命，使得设备在安全状态下稳定运行。

附图说明

图1为本申请井口装置疲劳寿命预测分析方法的流程示意图；

图2为井口装置的三维模型示意图；

图3为井口装置的流场分析三维模型示意图；

图4为回注流体对井口内流道壁面的静态压力分布图；

图5为回注流体对井口内流道壁面的动态压力分布图；

图6为回注流体对井口内流道壁面的冲蚀剪切应力分布图；

图7为回注流体在井口装置内流道流动过程中的静态压力分布图；

图8为回注流体在井口装置内流道流动过程中流体的动态压力分布图；

图9为回注流体在井口装置内流道流动过程中流体的流动速度分布图；

图10为回注流体在井口装置内流道流动过程中流体的湍流能分布图；

图11为回注流体在井口装置内流道流动过程中流体的湍流强度分布图；

图12为回注流体在井口装置内流道流动过程中流线的速度分布图；

图13为回注流体在井口装置小四通区域内流动流线的速度分布图；

图14为井口装置刚强度分析模型示意图；

图15为井口装置刚强度分析边界条件模型示意图；

图16为井口装置的综合应力分布图一；

图17为井口装置的综合应力分布图二；

图18为井口装置整体变形分布图一；

图19为井口装置整体变形分布图二；

图20为油管四通的综合应力分布图；

图21为闸阀的综合应力分布图；

图22为闸阀的变形分布图；

图23为小四通的综合应力分布；

图24为流体流动诱发振动产生的附加动应力及其分布图；

图25为流体流动诱发振动产生的变形及其分布图；

图26为井口装置的寿命预测关系图。

具体实施方式

以下结合附图1-26对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开了一种井口装置疲劳寿命预测分析方法。

参考图1至图3，井口装置疲劳寿命预测分析方法包括以下步骤：S1、三维建模：根据井使用井口装置的型号，建立井口装置的三维实体模型、井口装置内部流道的三维实体模型；

S2、确定流场分析边界条件，进行井口内流道流场分析：根据井口装置内部结构尺寸以及空气动力学特征，将流场分析边界条件参数应用于井口装置内流道的动力学流场模型，分析流场特征，分析井口装置内的流动状态；

确定力边界条件和约束边界条件，进行井口装置的刚强度和振动力学分析；

S3、振动疲劳寿命与工作参数关系分析，分析在不同注入量、压力参数下井口装置的疲劳寿命，得到最小安全系数与疲劳寿命的关系。

对建立的流道三维模型，采用四面体单元进行网格划分。井的回注参数包括：泵压、井口压力、回注量、回注水的成分。具体参数为：

(1)回注泵压：3.1MPa；

(2)井口回注压力：2.5MPa；

(3)注入气田水450m

(4)回注水的成分：

黄龙2井于2021年7月新更换全井玻璃钢油管，之后回注的气田水70％以上都来自于黄龙004-X4井。在进行流场分析时，以黄龙004-X4井的气田水作为流体的参数，具体参数如下表所示：

结合图4，回注流体对井口装置内流道的静态压力分布的最大值为3.88MPa，最小值为3.66MPa。最大静态压力位于来液弯管至井口区域，最小压力位于小四通区域。在来液弯管、小四通区域由于流体流动的方向发生变化。流体对井口装置内流道的作用力作为井口装置刚强度分析、疲劳分析的边界条件。

结合图5，回注流体对井口装置内流道的动态压力分布的最大值为0.225Mpa，最小值为0.016MPa。最大动态压力位于小四通区域。回注流体在小四通流体区域的流动方向发生急剧变化，导致流体对内流道的压力发生急剧变化。流体对井口装置内流道的作用力作为井口装置动力学疲劳的边界条件。

结合图6，回注流体在井口装置内流道内流动过程中，对内流道产生冲蚀，冲蚀将导致井口装置壁厚的减薄，剪切应力的大小表示冲蚀的破坏程度。在井口装置中，最大的冲蚀应力发生在小四通内流道区域，根据流体对内流道的剪切应力计算流体对井口装置内流道的冲蚀。

流体在井口装置内流道流动过程中对流道内壁的剪切力分布及剪切力大小通过颜色进行表示，各种颜色代表的剪切力数值如图左边的色标表示。由分析结果可知，在井口装置小四通区域，剪切力变化非常大，在该区域的剪切力变化将使该区域的冲蚀变得严重。流体对流道内壁的剪切力的最大值为1300pa。

结合图7，回注流体对井口装置内流道流动过程中流体压力的最大值为3.90MPa，最小值为3.68MPa。最大静态压力位于来液弯管至井口区域，最小静态压力位于小四通往下区域。在小四通区域由于流体流动的方向发生变化。流体在井口装置内流道内流动压力的变化将诱发井口装置的振动。

结合图8，回注流体对井口装置内流道内流动的动态压力最大值为0.321Mpa，最小值为0.016Pa。流体流动的最大动态压力位于小四通往下区域。回注流体在小四通流体区域的流动方向发生急剧变化，导致流体在内流道内流动的压力发生急剧变化。

结合图9，回注流体在井口装置内流动过程中，由于流动方向、流动截面过流面积的改变将导致流动速度的变化，流体中的固体颗粒物将对井口装置内流道发生冲蚀，冲蚀量与流体流动的速度(流动速度的大小、流动方向)、固体颗粒的浓度、固体颗粒物的形状、固体颗粒的支架等参数密切相关。流体流动速度变化大的区域是流体流动诱发井口装置振动的振源。流动速度最大的区域在小四通往下区域，最大值为24.10m/s。

结合图10，回注流体在井口装置内流动过程中，由于流动方向、流动截面过流面积的改变将导致流动速度的变化，在流体速度变化大的区域，流体流动的湍流度增加、湍流能量加大。通过湍流能量表示流体流动速度的变化程度。湍流能量最大的区域在小四通往下区域，最大值为42.30m

结合图11，回注流体在井口装置内流动过程中，由于流动方向、流动截面过流面积的改变将导致流动速度的变化，在流体速度变化大的区域，流体流动的湍流强度增加、湍流能量加大。通过湍流强度表示流体流动速度的变化量。湍流强度最大的区域在小四通往下区域，最大值为531％。

结合图12和图13，回注流体在井口装置内流动过程中的流体的流动路径的速度分布，从流体流动的流线速度分布分析可以获得流体在内流道内流动的速度在各流线上的速度，为流体流动对井口装置内流道的冲蚀、腐蚀、井口装置的刚强度分析、井口装置的动力分析提供依据。流动速度最大的区域在小四通往下区域，最大值为24.10m/s。

井在回注气田水的过程中，由于回注水中腐蚀介质和回注水中的矿物质、固体颗粒物等将对井口装置内流道发生冲蚀腐蚀，回注水在井口装置内流道内流动过程中，由于流道形状变化、流道方向的变化将时井口装置内流道产生冲蚀。腐蚀和冲蚀将影响井口装置和井下管柱的安全性，造成安全隐患，使安全风险增加。

流体流动遵从三大守恒定律，即：质量守恒、动量守恒和能量守恒。流体流动时的控制方程如下：

(1)质量守恒方程

质量守恒方程也即连续性方程，根据质量守恒定律，可得：

(2)动量守恒方程

流体动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。

式中：u—速度矢量；

f—单位质量力矢量；

p—压力；

μ—动力粘度系数。

(3)能量守恒方程

流体能量的增加率等于进入流体净热流通量加上质量力与表面力对微元体所做的功。

式中：Γ＝(τ

q＝{q

由牛顿内摩擦定律得：

由傅立叶定律得：

E为流体总能量：

式中：e—内能。

由于回注水中含有大量的固体颗粒物，回注过程是多相流动的问题。在液固两相流中，固体颗粒的守恒方程为：

式中：ρ

—当地加速度；

—哈密顿算子；

σ

在流—固两相流动交界面处，两相间的应力与位移应满足以下守恒方程式：

式中：τ、d—两相界面处的应力和位移；

f—气相；

d—固相。

根据天然气在井口装置内流道内流动的质量守恒、动量守恒方程、能量守恒方程结合气井中含有一定的固体颗粒物、流道的形状、内流道材料特性，综合考虑流体的压力、温度、流量、组分和颗粒物的粒径、形状参数建立NANZ冲蚀模型如下：

在模拟软件中冲蚀速率用以下公式定义：

/>

式中：R

N

M

c(d

A

f(θ

—速度函数。

回注气田水的矿化度达到193.30(g/l)，Ca

在回注过程中，回注水将对井口装置造成冲蚀，冲蚀最严重的区域在井口装置小四通和来液弯头处，在该部分的最大冲蚀量如下表所示：

为了分析井口装置在气井开采过程中的应力、变形及其分布规律，利用有限元分析技术分析在开采过程中井口装置的应力、变形及其分布，为突出所处理问题的实质，并使问题得以简单化和抽象化，在进行井口装置有限元分析过程中，提出以下五个基本假定。

(1)物体内的物质连续性假定，即认为物质中无空隙，因此可采用连续函数来描述对象。

(2)物体内的物质均匀性假定，即认为物体内各个位置的物质具有相同特性，因此，各个位置材料的描述是相同的。

(3)物体内的物质(力学)特性各向同性假定，即认为物体内同一位置的物质在各个方向上具有相同特性，因此，同一位置材料在各个方向上的描述是相同的。

(4)线弹性假定，即物体变形与外力作用的关系是线性的，外力去除后，物体可恢复原状，因此，描述材料性质的方程是线性方程。

(5)小变形假定，即物体变形远小于物体的几何尺寸，因此在建立方程时，可以忽略高阶小量(二阶以上)。

以上基本假定和真实情况虽然有一定的差别，但从宏观尺度上来看，特别是对于工程问题，大多数情况下还是比较接近实际的。以上几个假定的最大作用就是可以对复杂的对象进行简化处理，以抓住问题的实质。

井口装置是一个空间3D结构，其分析是空间问题，井口装置中任意一点的位移有沿x方向、y方向、z方向的位移分量，即位移分量为(u,v,w)，而应力分量有9个，由剪应力互等，有τ

(1)位移分量:u v w

(2)应变分量:ε

(3)应力分量:σ

将正应力和正应变简写成:

(4)边界条件(BC)

1)位移边界条件BC(u)

在三维问题中，有关于x方向、Y方向和z方向的位移边界条件，即：

2)力边界条件BC(p)

力学分析模型构建过程如下：

(1)将井口装置三维实体模型在Part模块里生成单个部件；

(2)模型材料特性设定：

截面(Section)的定义包括了部件特性或部件区域类信息，如区域的相关材料定义和横截面形状信息。在Property模块中，生成截面和材料定义，并把它们赋于(Assign)部件。

井口装置的材料特性为：弹性模量2.1×105Mpa，泊松比0.3。

材料的力学性质如下表所示：

(3)建立装配体

所生成的部件存在于自己的坐标系里，独立于模型中的其它部件。使用Assembly模块生成部件的副本(instance)，并且在整体坐标里把各部件的副本相互定位，从而生成一个装配件。

(4)建立分析步

用Step模块生成和配置分析步骤与相应的输出需求。分析步骤的序列提供了方便的途径来体现模型中的变化(如载荷和边界条件的变化)。在各个步骤之间，输出需求可以改变。

(5)定义模型中的相互作用

在interaction模块里，可规定模型的各区域之间或模型的一个区域与环境之间的力学和热学的相互作用，如两个表面之间的接触关系。其它的相互作用包括诸如绑定约束，方程约束和刚体约束等约束。

(6)边界条件

在Load模块中以黄龙2回注井井口结构、腐蚀参数为指定载荷，边界条件和场。载荷与边界条件跟分析步相关，这意味着必须指定载荷和边界条件所在的分析步。有些场变量与分析步相关，而其它场变量仅仅作用于分析的开始。对于所有单元必须确定其材料特性，然而高质量的材料数据是很难得到的，尤其是对于一些复杂的材料模型。

(7)网格划分

根据黄龙2回注井井口装置结构特点进行网格划分。

利用建立的刚强度分析模型、边界条件，对黄龙2井井口装置的刚强度分析，获得在当前工况下的有限元分析结果。

利用井口装置的型号，井口装置闸板阀的型号和结构形式、节流阀的性能参数和结构形式，建立井口装置的三维模型。根据建立的三维模型，按照冲蚀腐蚀强度分析的要求，建立冲蚀腐蚀强度分析模型。

根据井口装置的受力特点、结构形式，以井口装置的三维模型为依据，建立刚强度分析模型，建立的刚强度分析模型如图所示。由于气井开发过程中，由于H

闸板阀各个零件通过连接螺栓进行连接，通过连接螺栓将零件装配为一个整体，在进行有限元分析模型建立过程中，连接螺栓不是分析的重点，通过零件结合面上定义约束的形式来代替连接螺栓。建立的分析装配模型如图14所示。

根据各个零件的三维实体模型，进行刚强度分析网格划分。由于气井开发过程中，由于H

闸板阀各个零件通过连接螺栓进行连接，通过连接螺栓将零件装配为一个整体，在进行有限元分析模型建立过程中，连接螺栓不是分析的重点，通过零件结合面上定义约束的形式来代替连接螺栓，在刚强度分析网格模型中没有连接螺栓。

井口装置是由若干格闸板阀、四通等功能组件装配为整个装置。各个功能组件间通过连接螺栓进行连接，采用装配关系对各个组件进行定位。在进行模型构建过程中，各功能组件间在连接位置处没有相对位移发生，采用constraint约束对各功能组件的连接进行简化。在本分析过程中，不考虑螺栓的预紧力。

在各个组件中，阀体是其关键部件，在进行分析过程中，除阀体外的所有零件采用附加集中力作用在连接法兰处的方式进行简化。

井口装置刚强度和振动分析边界条件如下：

(1)力边界条件设定：

外加载荷的边界包括：流体对井口装置流道的压力、井口装置的重力和各个组件对阀体的作用力。具体边界条件如下：

1)流体对井口装置流道的压力

流体对井口装置的作用力为流体对井口装置内流道的压力，由于该井按照回注参数进行工作，所有的过流通道均受到流体的压力，流体对井口装置的作用力为井口的回注压力。作用区域为：整个井口装置的过流通道。

2)井口装置各个闸板阀零件对阀体的作用力

阀体是各个功能阀门的重要零件，与另外的功能组件进行连接。各个零件的重力作用在连接法兰螺栓处。

3)井口装置的重力

井口装置的自身的重量对井口装置产生一定的附加压力，将井口装置的重力作为约束力进行分析。井口装置的重力通过重力加速度形式作用在结构上。

(2)约束边界条件

井口装置在井口处与地面进行连接，在该处的对井口装置的油管挂进行全约束。

井口装置的约束条件和力边界条件如图15所示。

结合图16和图17，井口装置的最大综合应力103.80MPa，最大综合应力的区域位于油管四通与油管连接处的油管上。整个井口装置的综合应力分布通过颜色的变化来表示，从蓝色到红色表示应力从小到大的变化。各种颜色的应力大小如上图16和图17左下角所示。井口装置所使用的材料的抗拉强度σ

结合图18和图19，井口装置的最大变形0.6143mm，最大变形的区域位于7#闸板阀。整个井口装置的变形分布通过颜色的变化来表示，从蓝色到红色表示变形从小到大的变化。各种颜色对应的变形大小如图18和图19左下角所示。井口装置最大变形属于微变形，安全。

结合图20，油管四通的最大综合应力71.70MPa，油管四通的最大综合应力的区域位于油管四通下法兰与油管四通圆柱本体的连接区域。整个井口装置油管四通的综合应力分布通过颜色的变化来表示，从蓝色到红色表示应力从小到大的变化。各种颜色的应力大小如图20所示。材料的抗拉强度，条件屈服强度。综合应力小于材料的抗拉强度，油管四通处于安全状态。

结合图21，闸阀的最大综合应力83.16MPa，位于闸阀阀体与连接处。综合应力分布通过颜色的变化来表示，从蓝色到红色表示应力从小到大的变化。各种颜色的应力大小如图21左上角所示。材料的抗拉强度σ

结合图22，闸板阀的最大变形为0.3907mm，位于闸板阀体与小四通连接处。变形分布通过颜色的变化来表示，从蓝色到红色表示应力从小到大的变化。各种颜色的应力大小如图22左上角所示。闸阀最大变形属于微变形，安全。

结合图23的前三副图，小四通的最大综合应力26.94MPa，位于小四通内流道交汇区域。综合应力分布通过颜色的变化来表示，从蓝色到红色表示应力从小到大的变化。各种颜色的应力大小如上图右下角所示。材料的抗拉强度σ

结合图图23中右下角图，小四通的最大变形为0.4680mm，位于井口装置的闸板阀与小四通连接区域。变形分布通过颜色的变化来表示，从蓝色到红色表示应力从小到大的变化。各种颜色的应力大小如上图右下角所示。小四通最大变形属于微变形，安全。

参考图24，注水过程中，流体的流动对井口装置的作用力是随注水压力和流量变化的动应力，在注水压力为3.5MPa、注水流量为450m

参考图25，产生的瞬态动应力的最大值为208.1MPa，振动诱发的动应力将对井口装置的安全性产生影响。对黄龙2井，在现有的注水工况下，瞬态动应力小于材料的许用应力，黄龙2井的井口装置处于安全状态。

根据以上分析，结合最小安全系数得到井口装置的年度安全系数表如下：

经过拟合得到图26中井口装置的疲劳寿命预测曲线。这样根据实际工程要求的最小安全系数，可以更加准确得出井口装置还能够使用的寿命，可以在寿命临近到期前进行维护和零部件更换，为安全生产进行指导。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。