胶筒系统接触有限元优化设计

为了研究封隔器胶筒几何参数对密封性能影响,将套管、隔环、中心衬管和胶筒作为一个系统建立接触有限元优化设计模型。应用ANSYS的参数化设计语言APDL,编制其命令流。研究了几何特征参数和峰值接触压力之间的关系并进行了参数优化设计。结果表明:胶筒的总厚度对密封性能影响很大,胶筒子厚度对密封性能影响较小,胶筒的高度对密封性能的影响存在最优方案,接触倾角选取必须慎重。高度和接触倾角双因素优化设计结果显示:与初始方案相比,高度降低37.5%,接触倾角降低8.9%,峰值接触压力升高13.38%。

粒子冲击钻井技术述评

为了解决提高硬地层钻井速度的钻井难题,以粒子冲击钻井系统的整个工艺流程为依据,论述了粒子冲击钻井技术的优点和缺点,阐述了其破岩机理。该方法改变了传统钻头切削地层的方式,提高了钻越硬地层的速度,但是地面设备和井下钻头还存在一些需要完善的地方。它代表着高效钻越硬地层的一个发展方向。我国东部地区和西部地区存在着广泛的基岩为火成岩的沉积盆地,粒子冲击钻井技术有可能成为一种高效经济的深井硬地层钻井的新方法。该技术经历了室内实验阶段和现场试验阶段,目前正在迈入商业应用阶段。

双粒子联合冲击破岩仿真研究

单粒子冲击破岩与粒子冲击钻井的真实工况有一定的差异,因此,需要研究多粒子联合冲击破岩的规律。在双粒子联合冲击破岩条件下,利用LS-DYNA的参数化设计语言,采用无量纲化分析方法,选择粒子间距、直径、初速度和入射角度为设计变量,建立了它们与岩石破碎体积和侵入深度之间的关系,并绘制了它们之间的变化关系曲线图。进一步分析这些曲线图的变化规律后发现:间距为0.25个左右的基准直径、粒子直径取0.8~1个基准直径、冲击初速度取每秒32 000~40 000个基准直径、入射角度为0°~40°,粒子冲击破碎岩石效果达到最佳或接近最佳。这些结果可以作为深入研究多粒子联合冲击破岩的参考依据。

合理选择丁腈橡胶胶筒本构模型探讨

根据大变形橡胶理论和试验数据,利用最小二乘法原理,导出了确定橡胶本构模型系数的公式和评价本构模型优劣的公式。以两种封隔器胶筒材料—701#和29#丁腈橡胶的压缩试验数据为例,确定了二常数、三常数、五常数和九常数Mooney-Rivlin(简称M-R)本构模型和Yeoh三次幂本构模型的待定系数,进行了模型的误差评估和比较。结果表明:Yeoh三次幂本构模型拟合701#和29#材料试验数据能够满足精度要求,但M-R二常数本构模型误差太大;701#丁腈橡胶材料应选择M-R五常数以上本构模型;29#丁腈橡胶材料应选择三常数以上本构模型。

海洋非成岩天然气水合物藏固态流化采空区安全性评价

为了解决固态流化法开采海洋非成岩天然气水合物(以下简称水合物)采空区安全性如何评估的问题,以中国南海神狐海域的水合物藏为例,根据水合物射流破碎流化开采工艺及流程,基于圣维南原理建立了采空区有限元模型并进行了网格精度验证,采用研究区水合物藏的物性参数和力学特征参数,模拟分析了垂直和水平采空区的稳定性问题,并探索了海洋非成岩水合物稳定层采空区的安全评价方法。结果表明:(1)基于圣维南原理建立的海底采空区有限元分析模型能够保证计算精度且计算工作量不大;(2)垂直采空区最大偏应力随采空区直径的增加呈现出先快速增加后缓慢增加的趋势,最大应变则随采空区直径的增加而呈线性增加;(3)垂直采空区的安全问题主要受到应力水平的控制,采空区直径不宜超过800 mm;(4)水平采空区最大偏应力和最大应变均随水平采空区直径的增加而呈现出单调增加的趋势。结论认为:垂直采空区的直径可以达到比较大的临界值,其安全性主要属于采空区井壁强度问题;而水平采空区的临界直径值则比较小,其安全性主要属于采空区稳定性问题。

橡胶大变形不可压缩方法试验数据处理

为提高本构关系的精度,提出用橡胶大变形不可压缩的方法来处理试验数据。根据橡胶材料单轴压缩试验数据,分别采用GB/T 7757方法和新提出的数据处理方法进行处理,得到橡胶材料的两种本构关系,并分别将其导入ABAQUS有限元分析软件模拟试验过程。研究结果表明,采用新方法计算的试样最大轴向变形量与试验测试数据的误差为20.4%,而GB/T 7757方法的误差为34.7%。大变形不可压缩方法可明显提高处理橡胶本构关系的精度。

粒子冲击钻井破岩仿真模拟研究

粒子冲击钻井是以高速球形硬质钢粒子冲击破岩为主，以高速水力破岩和机械牙齿破岩为辅的钻深井硬地层的一种高效钻井工艺。应用一维应力波基本理论对粒子冲击破岩现象进行了分析，用冲击动力学有限元分析软件IDFEM研究了粒子冲击破岩的规律，得出了适合粒子冲击钻井工艺的如下参数：（1）粒子直径为0．5cm时，其初速度不宜超过200m／s的临界速度；（2）粒子直径在0．3～0．7121／1Eh较合适：（3）柑子入射角序为0～30°比较合活．

旋转控制头密封胶芯力学行为和失效分析

针对欠平衡钻井中旋转控制头的密封胶芯经常失效的问题,根据旋转控制头的工作原理以及胶芯的材料特点,分析胶芯在几种典型工作状态下的受力与变形规律,以及胶芯失效的形式和原因。结果表明:胶芯的主要失效形式为胶芯侧面拉压疲劳开裂、顶部剪切疲劳开裂、底部疲劳膨胀开裂,以及胶芯内锥面与内圆柱面交界处橡胶的脱落和胶芯内表面划伤、形成沟槽等;胶芯失效主要是由铁芯与橡胶连接部位的应力集中、起下钻中胶芯所受变应力的反复作用、胶芯与钻具间的摩擦力等方面引起的。提出在结构设计、材料选取、操作使用过程中合理地控制上述因素,以改善胶芯性能,提高其使用寿命和可靠性。

20万方原油储罐的关键结构参数设计与优化分析

20万方原油储罐在不久将成为国家原油战略储备的主力设备,但我国目前尚无20万方储罐的国家标准和设计经验。为此,参考美国API650标准分析了许用应力和高径比对壁厚设计的影响,利用数值模拟对比了3种可行方案和储罐大型化的结构强度变化,并对20万方储罐壁厚组合、大角焊缝、边缘板和罐底接触等影响因素进行了定量分析。结果表明,许用应力超过250 MPa和高径比低于20.18/112的组合方式有利于得到最优化的储罐壁厚组合,储罐大型化将使边缘板应力极值增大10%,罐壁位移增大7%。得到了罐底与地基作用较为剧烈的3个重要部位和边缘板变形的多项式方程,定量分析了储罐关键结构参数对边缘板及罐壁的影响大小,并给出了最优化的取值范围。

牙轮钻头滑动轴承的接触有限元优化设计

以牙爪大轴颈和小轴颈的鼓形度为设计变量,以接触有限元分析的峰值接触压力为目标函数,以牙爪轴颈的体积不超过给定值作为约束条件,用接触有限元方法建立了牙轮钻头滑动轴承的优化设计模型。利用ANSYS软件进行接触有限元优化设计,优化结果表明:最优方案的峰值接触压力相对理想模型(无鼓形度)降低了34.6%,并且接触压力分布合理。

地震作用下岩盐层套变规律研究

5.12汶川特大地震发生后,某气田在岩盐层段发现了多口井套变,为了能有效地治理,急需了解其套变的原因和规律。为此,利用真三维接触有限元分析方法研究了震前套管应力和变形分布规律,并在原有边界条件基础上,在模型的顶面进一步施加不同震级地震载荷,重新分析套管应力和变形的分布规律。对比二者分析的结果发现:无论是震前还是震后都显示岩盐层段套管的应力和变形水平明显高于套管其他部位,且基本规律是震级越高套管在岩盐层段的应力水平和变形越大。对比有限元计算震前和震后套管应力和变形的结果还发现,仅5.12特大地震载荷的竖向分量所产生的应力水平已经超过了套管的屈服强度极限,因此,可以判定此次地震是导致该气田盐岩层段出现套变的真正原因。

真三维套管-水泥环-岩层系统力学模型研究

二维力学模型很难真实反映套管的受力状态,三维力学模型没有考虑地质构造形态对套管损坏的影响。为了克服上述力学模型的缺陷,提出了真三维套管-水泥环-岩层系统力学模型。采用ANSYS软件中自底向上的建模方法建立真三维套损力学模型。根据地质勘探获得的三维地质构造信息,在井眼附近取出一定大小范围内的三维地质构造数据点,以获取不同层位各离散点的高度数据,用这些数据建立井眼周围的三维地质构造曲面,在此基础上生成三维实体的粗糙模型。研究结果表明,真三维套管-水泥环-岩层系统力学模型能够真实地模拟套管实际变形,可与有限元分析方法相结合用于套损的预测。

海底水合物混合浆体除泥砂水力旋流器

根据海底天然气水合物基本特征和多相流理论,完成了水力旋流器结构参数初步设计,并对原汉考克综合效率计算公式中各参数的含义进行了修正,得到了符合海底水合物混合浆体的改进汉考克综合效率计算公式.然后,建立了水力旋流器的有限元模型,基于雷诺应力模型开发了一种适合液-固-固三相流的流场模拟分析方法,通过数值模拟分析,得到了水力旋流器内部的速度、压力和密度等参数的分布规律.最后,通过结构参数的正交试验优化,得到了水力旋流器的最优结构参数组合,使其分离效率提升到初始方案分离效率的1.36倍.进一步对操作参数进行了正交试验优化,得到了水力旋流器的最优操作参数组合,使水力旋流器的分离效率又提高了5.15%.

牙轮钻头滑动轴承材料的力学性能试验

牙轮钻头滑动轴承副可用20CrNiMo钢和20Ni4Mo钢配对,二者经热处理以后,表面较内部材料的性能有很大的差异。为此各对20CrNiMo钢和20Ni4Mo钢的三种试样进行了力学性能测试。结果表明,滑动轴承副经渗碳热处理后表面材料比内部材料的抗压强度提高了近50%,其表面材料的应力 应变几近直线关系,破坏前没有明显的屈服变形阶段。这种表面强度硬度高、中间韧性好的特性,正好满足了滑动轴承对表面耐磨和心部抗冲击、抗振动的要求。

热-结构耦合PDC单齿破岩温升规律研究

PDC单齿破岩过程中所产生的热量导致PDC齿上温度场的变化对其使用寿命有着重要影响。由于目前测量切削温度场的方法都存在着一定的缺陷或不足,导致用试验法研究PDC齿破岩温升变化规律存在很大的局限性。为此,利用ABAQUS热-结构耦合仿真技术,通过改变切削参数,研究了PDC单齿破岩温升变化规律。研究结果发现,在PDC单齿破岩的过程中,PDC齿温度变化与单齿切深以及PDC齿线速度密切相关,且存在让PDC齿温度急剧上升的临界切深和临界切削线速度。这一成果对PDC钻头布齿设计具有重要的指导意义。

椭圆形与圆形PDC齿破岩有限元仿真对比分析

为了观察椭圆形PDC齿的切削效果,用ABAQUS软件模拟椭圆形PDC齿切削岩石的瞬时切削过程,并提取切削数据与截面面积相同的圆形齿仿真结果进行对比,分析椭圆形齿在切削岩石过程中的优势以及破岩效果。结果表明,在同等切削条件下,前倾角在15~25°之间时,系统对椭圆形PDC齿所输出的功与圆形PDC齿相差不大,但椭圆齿局部最大应力要比圆形齿小得多,椭圆形齿所受的疲劳应力要比圆形齿小,岩石对圆形PDC齿的破坏力较强;用椭圆形PDC齿切削岩石时建议采用前倾角为20~25°之间的值。

行星减速器润滑油流量分配的计算方法

在工程设计计算中,流量分配问题非常复杂,一般需进行大量计算,管路结构尺寸被周围空间限制的系统计算更繁琐。以核电站行星减速器内部流量分配问题为例,提出采用反求法来计算流量分配,即根据约束条件划分求解的顺序,按计算顺序依次进行计算,求得管路直径,最终完成流量的分配问题。这种方法可以有效地解决空间尺寸受约束的管路系统的流量分配问题,同样适用于一般的管路系统。

闸板防喷器主要结构参数的优化设计

闸板防喷器主要结构参数的优化设计伍开松，林军（西南石油学院）１前言目前机械优化设计理论与技术在我国已得到迅速的发展，并且在应用中已取得明显的经济效益，在石油与天然气工业中，采用最优化技术设计产品也取得了成功的经验，如井架的优化设计，钻头产品的优化设计...

封隔器胶筒几何参数优选

应用ANSYS有限元软件优选了封隔器胶筒几何参数,通过研究几何特征参数和接触压力之间的关系确定出参数值,分析并得出胶筒与套管的密封峰值接触压力随着胶筒高度的升高而总体呈现降低的规律,同时受剪切强度和密封接触压力分布规律的限制;在同样胶筒子厚度的情况下,胶筒与套管密封峰值接触压力随胶筒倒角增大而增大,但角度增至某一个值时,接触压力会出现畸变;在同样的胶筒倒角下,胶筒与套管密封峰值接触压力随着子厚度的增大呈现先升后降的趋势,即存在最优值。

岩石切削损伤后PDC齿破岩规律探讨

研究岩石切削损伤后PDC齿的破岩规律可以为PDC钻头的设计以及布齿提供依据。从PDC钻头齿的实际工作特点出发,考虑了受损岩石中残余应力以及裂隙对PDC齿切削破岩的影响,研究了岩石切削损伤后PDC齿的破岩机理。同时基于ABAQUS软件开发了PDC齿切削岩石损伤前、后的有限元仿真程序,通过对比岩石损伤前后的切削比功得知,PDC齿切削破碎单位体积受损岩石所消耗的功比破碎单位体积未受损岩石的功小26.9%。这说明在PDC齿一次切削加卸载作用后,在形成的切削表面附近产生了残余应力及裂纹,使下一次切削的破岩效率提高。