数字孪生技术在油气钻完井工程中的应用与思考

数字孪生技术在数据实时分析、工程设计优化和设备健康诊断等方面已展现出巨大潜力,成为油气行业数字化转型发展、加速油气行业新一代技术创新的关键技术,但受钻完井工程中软硬件不完善与研究方法不明确的制约,目前尚处于起步阶段。在论述油气田钻完井工程数字孪生技术的概念和技术特点的基础上,重点介绍了数字孪生技术在钻完井工程的钻前设计、过程监控、作业培训方面的最新应用进展,提出了数字孪生技术在钻完井工程中的应用构成方案,探讨了数字孪生的关键技术方法;并分析了数字孪生技术在钻完井工程及其相关行业应用中存在的问题,提出了油气行业数字孪生技术发展建议。这可为数字孪生技术在油气行业的应用提供理论基础与方法指导,加速油气行业数字化进程,提升油气田开发效率,推动智慧油田全面构建。

涡轮钻具定转子三维叶型的设计方法研究

为了研究涡轮三维叶型的水力性能,基于等环量法提出了一种涡轮三维叶型的理论造型方法,并推导出了该涡轮三维叶型的特性参数计算方法。利用ANSYS Fluent对同尺寸下的涡轮三维叶型和二维叶型进行了数值模拟分析其水力特性。研究结果表明:与二维叶型相比,涡轮三维叶型的压降减小约50%,水力效率提高约5%。对比了三维叶型涡轮扭矩的理论计算结果与仿真结果,发现它们的误差在10%左右,在实际工程允许范围内。研究结果可为涡轮三维叶型的设计提供理论依据。

W形密封结构金属封隔器性能研究

针对橡胶封隔器难以适应150℃、70 MPa以上环境的缺点,设计一种适用于230℃、70 MPa工况,两端传递载荷,中间中空促进径向变形的W形密封结构的金属封隔器,并研究其密封性能。根据工况需求,以温度依赖性和超弹性激发应力选择β-NiTi合金作为W形密封结构材料,以W形结构坐封后产生的接触应力评价其密封性能,以工作承压后W形结构的弹性-超弹性应变率评价其解封性能,分析W形密封结构半径、壁厚及壁厚比对其密封性能的影响,并对设计优化后的W形结构进行密封性能仿真分析。结果表明:结构半径对W形密封结构的密封性能和解封性能影响较小,而壁厚与壁厚比均显著影响密封性能和解封性能;随着壁厚的增加,W形密封结构的密封性能逐渐下降但解封性能逐渐上升,随着壁厚比的增加,密封性能逐渐下降解封性能先上升后下降。对设计优化后的W形结构进行密封性能仿真分析,结果表明,基于β-NiTi合金材料的W形密封结构金属封隔器完全可以适用于高温高压环境,其在230℃、70 MPa的工况下坐封载荷为220 kN,弹性-超弹性应变率达90%以上。

水平井涡轮振荡冲砂工具设计与仿真

目前水平井常用于高渗透疏松砂岩油气藏的开发,在开发过程中经常面临出砂问题,即当油层出砂之后,砂粒会紧跟原油流进井筒中,随后逐渐沉积在水平段的较低位置处而产生砂床。砂床的存在会影响石油的开采,堵塞出油通道,增加流动阻力,甚至会损坏井下设备,造成井下砂卡事故。针对我国目前常规水平井冲砂效率低、效果差且易发生堵塞等问题,文中设计了一种水平井涡轮振荡冲砂工具,确定了冲砂工具的总体方案,对振荡与冲砂参数进行了计算,并对冲洗头进行了冲砂效果仿真。研究表明,该工具通过振荡、旋转方式破砂,使得砂粒不易在井筒沉积形成砂床,在不影响冲砂效率的前提下冲砂工具不易卡涩,且该冲洗头喷嘴的布置方式可使冲洗效果更为显著。

喷淋作用下的深水测试放喷热辐射规律及关键参数

在深水天然气测试过程中,多相混合物会通过地面流程分离、泄压、加热后通过燃烧臂放喷燃烧,现场一般采用喷淋的方式来降低热辐射的影响。为了降低深水放喷测试作业时平台及燃烧臂的热辐射风险隐患,首先采用Thornton模型研究了火焰表面辐射能量、视角系数以及水幕透射率等参数,构建了喷淋作用下放喷火焰的热辐射通量计算模型,并结合现场燃烧放喷下的仿真模型,应用有限元软件分析了放喷喷淋影响下的火焰温度和辐射量变化规律。研究结果表明:(1)喷淋形成的水幕使靠近平台区域的温度和辐射量明显降低,放喷管道附近的辐射量由2 050 W/m^(2)减小到了1 840 W/m^(2);(2)在单个水幕的作用下,水幕吸收了一定的热辐射量,水幕温度从11.85℃上升到约26.85℃;(3)由于平台附近的空气中CO_(2)和H_(2)O含量较低,空气的热辐射吸收系数较小,温度主要受到热对流的影响,空气温度基本保持在26.85~36.15℃之间;(4)不同放喷管径和产量变化下平台附近区域的温度和辐射量变化趋势基本一致,管径减小使得辐射峰值增大。结论认为,该研究成果进一步明确了深水测试放喷不同工况下的热辐射分布,为深水地面放喷热辐射设计分析及安全控制提供了技术支撑。

基于传递矩阵法的指向式旋转导向工具主轴振动特性

指向式旋转导向工具应用于井眼轨迹控制时,其主轴的动力学特性将直接影响到井眼轨迹控制效果及作业安全,而在钻进工况下,工具钻压传递机构在主轴上的位置对主轴的动力学特性起着重要的作用。因此,为了分析钻压传递机构的位置对主轴动力学特性的影响,利用多体系统传递矩阵法建立了指向式旋转导向工具外壳-轴承-主轴系统的动力学模型。通过推导主轴上任意节点的几何和力学方程,该研究能够评估钻压传递机构的位置对主轴动态性能的影响规律。结合实例运算分析了钻压传递机构的安装位置对主轴固有频率和振型的影响,探讨了工具造斜时,钻压传递机构安装位置对主轴动态位移的影响。结果表明,随着钻压传递机构安装位置距离钻头越远,主轴固有频率和动态位移均增大,因此在满足工作要求下,推荐钻压传递机构安装位置尽可能靠近钻头端。为验证基于传递矩阵法建立的主轴动力学模型的正确性以及钻压传递装置安装位置对主轴动态位移影响规律,在指向式旋转导向工具试验台架上进行了钻进工况下主轴测点偏移量测试试验,结果表明,试验测得的数据与理论计算的数据基本吻合,误差最大仅为6.47%。

基于模拟退火算法的海洋修井机井架轻量化设计

海洋修井机是整个修井作业的必要设备,海洋修井机井架是修井机最关键的承载部分,所受到的载荷较大,常由于强度和稳定性不足造成严重的事故。基于修井机井架主要是以静力学性能作为设计准则,并未考虑井架的小模块化和轻量化要求,仅通过增加杆件材料用料来保证井架的安全性和可靠性,存在巨大的材料浪费。所以在保证井架的安全性和可靠性的同时,为实现海洋修井机井架轻量化设计,从而减少材料用量,具有十分重要的工程意义。通过模拟退火算法研究了井架轻量化,结果表明,轻量化后的井架静力学、动力学和稳定性均符合行业标准。可见海洋修井机井架轻量化研究的准确性较高,研究方法和结果可为修井机井架结构优化提供理论依据及数据参考。

深水测试密闭环空压力变化下的封隔器胶筒性能分析

为探讨深水测试双封隔器由密闭环空压力变化引起的变形与强度问题,建立双封隔器胶筒结构的力学分析模型。根据工作过程中封隔器间密闭环空压力的变化,对胶筒的密封性能进行分析,得到各胶筒的应变量、等效应力以及接触应力的变化情况。分析采用胶筒不同圆形倒角参数时封隔器胶筒与套管的接触特性,研究胶筒倒角参数对封隔器密封性能的影响,得出封隔器的优化结构参数。结果显示:各胶筒的应变量、等效应力以及接触应力均随密闭环空压力的增大而增大,其中下胶筒的增大幅度最明显;各胶筒变形量随着胶筒倒角的增大无明显变化,但等效应力随着胶筒倒角的增大均减小,而随着胶筒倒角的增大上胶筒和中胶筒的接触应力均增大,下胶筒的接触应力先增大后减小。因此,一定程度上增大胶筒倒角有利于提升封隔器的密封性能,倒角半径为0.75 mm时为最优结构。

深水采油树Spring-Seal密封圈接触模型构建与实验测试

为提高深水采油树在高压、高温、低温等工况下长时间工作的稳定性,对采油树密封圈进行重新设计,提出Spring-Seal密封圈(以下简称S密封圈);基于赫兹接触理论、填料密封接触理论,重新构建S密封圈接触力学模型;建立有限元仿真分析模型,分析不同条件下S密封圈的密封性能,同时验证新建接触模型的合理性;利用实验测试S密封圈的实际密封效果。研究结果表明:S密封圈在高压、高温、低温等工况下能够长时间稳定工作且密封性能良好。研究结果可为S密封圈的接触研究及工程运用提供理论参考。

管中管流体流动与管柱变形测量实验平台设计与测试

基于海上管中管结构承载特性设计了管中管流体流动与管柱变形测量实验平台。该实验平台可更换不同的内管尺寸,研究不同管柱组合的变形和海水流动响应,能够通过调节外管外流速度、内管内流速度、顶部张紧力大小及水深等模拟海上管中管流体流动和变形特性。该实验平台可帮助学生加深对海上管中管的结构、原理及其作用的理解,提高专业兴趣,还可以进行管中管结构动态响应创新性实验研究,培养创新意识,提高解决复杂工程问题的能力。

考虑连续特性的水平井钻柱轴向振动分析

为精确描述水平井钻柱轴向受迫振动规律,以连续性波动理论为基础,考虑了钻柱连续特性、库伦阻尼及钻井液黏性阻尼作用和轴向振动工具对钻柱的位移激励,并采用等效黏性阻尼法对库仑阻尼进行线性化处理,建立了轴向振动工具作用下的水平井钻柱运动的动态解析模型;通过轴向振动工具测试实验验证了本文所建模型,并利用数值模拟分析了轴向振动工具的频率及钻柱与井壁间摩擦系数对水平井钻柱轴向受迫振动的影响。结果表明:在一定范围内增加轴向振动工具的振荡频率可提高水平井钻柱的轴向受迫振动响应;钻柱与井壁间摩擦系数对水平井钻柱轴向受迫振动的影响随着钻柱长度的增加而降低。本文的研究方法和模型可为改善轴向振动工具在水平井作业中的应用提供理论指导。

斜井段冲砂砂粒沉降规律及影响因素仿真分析

针对斜井段砂粒沉降的问题,建立了砂粒两相流动数值模型,并结合现场井眼参数,将模型简化,建立了冲砂管柱与井筒在斜井段的环空流体仿真模型;研究了斜井段砂粒沉降的规律,分析了排量、冲砂液黏度、砂粒大小、冲砂液密度、井斜角等因素对砂粒沉降的影响,并结合多个影响因素进行正交试验。研究结果表明:在斜井段冲砂过程中环空宽间隙处砂粒平稳运移,主要以层流方式上返运动;环空窄间隙处砂粒主要以翻滚、迂回、跃移的形式进行运动,砂粒运移速度明显滞后于环空宽间隙处,且部分砂粒会聚集、回旋并沉积,主要沉积在斜井段末尾接近水平段处;各影响因素中,砂粒粒径及冲砂液黏度对携砂效果影响最大,冲砂液排量影响次之,冲砂液密度对携砂效果的影响较小。综合试验结果,建议现场作业冲砂液排量选取为800 L/min左右,所使用的冲砂液黏度为35~45 mPa·s,推荐胍胶液质量分数为0.1%~0.3%。研究结果可为水平井安全高效作业提供一定的指导。

基于动网格的液压活塞二级缸动态压缩性能

为了研究液压活塞压缩机压缩气体的动态压缩过程,探究压缩机结构参数与压缩机压缩性能的关系,以撬装式井口天然气回收处理系统的液压活塞式压缩机二级缸为研究对象,基于液压活塞式压缩机二级缸工作原理,将仿真过程划分为3个阶段分步模拟,借助Fluent软件,结合动网格和UDF(user defined functions)编译进行仿真分析,明确了二级缸内天然气的动态压缩过程,并将活塞运动作为压缩机压缩性能的评判指标,得到了二级缸结构参数对压缩机压缩性能的影响。研究表明:工作行程和下气缸出口分布与压缩性能关系不大,而下气缸出口大小的增大对压缩性能有较大提升,范围内最大增幅47.6%。相关研究为液压活塞式压缩机的优化与设计提供一定的参考。

深水测试地面流程放喷热辐射安全

为了对深水地面放喷火焰的温度与辐射量进行研究,从而预测放喷过程中的安全范围。基于此建立喷射火焰的热辐射强度理论计算模型,并采用有限元分析软件模拟喷射火焰的热辐射分布规律。根据深水测试现场实际放喷管汇,研究臂长为25 m时,不同管径和不同放喷产量对喷射火焰热辐射分布规律的影响。研究结果表明:①放喷火焰呈纺锤形分布,火焰中心的温度与辐射量最大,随着距离增加,温度和辐射量逐渐减小;②相同放喷产量下,随着放喷管径增大,100 kW/m^(2)以上的辐射区域轴向和径向范围尺寸逐渐增大,且最高辐射量也逐渐增大;③相同放喷管径下,随着产量的增加,温度和辐射量整体上都有一定程度的增加。④总体温度与辐射量在趋势上呈先上升,达到峰值后再下降,后又有小幅度上升。相关研究结果为深水测试地面放喷安全评价提供了一定理论支撑。

大口径环形防喷器胶芯密封性能分析及设计

基于常规胶芯在井控过程中翻胶、撕裂的状态,设计了一种适用于大口径环形防喷器的密封胶芯。基于虚功原理,结合Blatz-Ko材料超弹性模型的本构方程,建立了球形胶芯密封有限元模型,模拟了胶芯受活塞推动下的变形-密封过程(初始变形、大变形阶段和密封接触),开展了不同剪切模量和活塞行程下的胶芯密封性能研究。同时结合国标GB/T 20174—2019和API 16A的技术要求对胶芯进行了试验验证。研究结果表明:球形胶芯密封性能受材料的剪切模量影响较大,随着剪切模量增大,接触压力先增大后减小,变形量随着剪切模量的增大而减小;在防喷器结构参数方面,活塞推进行程越大,胶芯接触压力和变形量随之增大。试验过程中密封部位无渗漏,证明研制的胶芯密封性能满足要求。研究方法和结果可为防喷器胶芯设计及密封性能增强提供参考。

冲砂洗井技术研究现状及发展趋势

冲砂洗井过程中,冲砂液携带地层砂上返时,受重力影响容易二次沉积,造成砂卡、砂堵。特别是深井、超深井冲砂洗井,由于井眼轨迹复杂,携砂液摩阻增大,导致施工压力升高甚至超出冲砂洗井设备的承载能力。上述情况下,常规冲砂洗井技术难以顺利实施,作业风险高,而低压漏失井由于地层压力低、易漏失,冲砂洗井作业时冲砂液漏失严重,携砂能力下降,冲砂洗井效率降低,甚至无法将砂冲出。但随着国内外冲砂洗井技术不断进步和发展,上述冲砂洗井作业难题逐步得到解决。为推动我国冲砂洗井技术的进步,从冲砂洗井工具的结构、工作原理、技术特点以及发展趋势等方面对国内外冲砂洗井技术的研究现状进行了综述,并结合我国冲砂洗井的特点,指出了国内冲砂洗井技术的发展趋势,以期促进我国冲砂洗井技术的发展。

等直径膨胀套管螺纹接头安全分析

目前螺纹接头性能研究主要集中在常规油套管特殊螺纹接头力学性能分析方面,对膨胀套管螺纹接头在轴向拉伸和压缩载荷、内外压力以及弯矩载荷复合作用下的力学性能分析不足。为研究等直径膨胀套管下入过程中,在复合载荷作用下螺纹接头的力学行为,给螺纹接头的安全分析提供依据,采用三维有限元软件建立等直径膨胀套管特殊螺纹接头数值分析模型,分析了复合载荷对膨胀套管内、外螺纹牙上应力和变形位移分布规律的影响。分析结果表明:在轴向拉伸载荷作用下,随着载荷值逐渐增大,内、外螺纹牙应力值呈现先骤减而后处于逐渐减小的趋势,内螺纹根部出现变形量小、应力值较大的特征;载荷值相同时,承受轴向压缩载荷时螺纹牙上的应力要明显小于承受轴向拉伸载荷时螺纹牙上的应力,变形位移值仅为承受轴向拉伸载荷时螺纹牙上变形位移值的1/2;弯矩会增大螺纹牙上的变形位移,弯矩越大变形量越大,内螺纹根部越容易遭到破坏。研究结论可为等直径膨胀套管下入过程中螺纹接头安全分析提供理论依据。

潜孔冲击器非线性动力学建模

潜孔冲击器在工作过程中,气源压力进入工具中驱动活塞做高频高速的轴向往复运动,并冲击钎头使其进行破岩钻进。首先,以无缸潜孔冲击器为例,结合其结构特点分析工作原理;其次,基于计算流体力学、热力学和应力波传递相关理论,考虑气体的压力、温度和密度的变化,分别建立了气室气体的瞬变流模型、绝热模型以及活塞的冲击回弹模型;然后,基于活塞的运动状态和气室气体状态,将潜孔冲击器1个运动周期分为11个不同阶段,结合上述3个模型和活塞的运动学方程,建立了完整的潜孔冲击器的非线性动力学模型;最后,基于该模型对实际算例进行计算。结果表明,活塞运动参数、气室压力数值变化与潜孔冲击器的工作原理与运动学规律一致。对潜孔冲击器的设计与研发提供研究基础与方法,为相关工具的动力学模型和仿真模型的建立提供参考。

海上管中管结构力学研究现状与发展

为了避免风浪流、泥线低温等海洋环境载荷对钻完井作业及生产管柱的影响,海上管中管结构以其良好的安全保护、保温、传输等性能被广泛应用。目前,管中管的力学、强度及安全分析主要依据单管结构进行。为了系统梳理管中管在作业过程中力学分析方法,对管中管的结构组成,海上单管承内压、外压、屈曲设计与校核分析方法进行了介绍;同时,根据海上管柱易出现横向塌陷的特点,在单管塌陷及其传播公式基础上,对管中管的4种主要塌陷模式、管中管的塌陷传递压力计算方法进行了说明;在总结管中管动力学分析理论及其成果的基础上,提出了管中管结构动力学研究的发展方向。该研究有助于中国海上管中管结构力学的深入研究,可为中国深水领域的管中管安全作业提供借鉴。

波流载荷作用下的下入安装立管横向动态特性

为了研究海洋立管在下入水下设备安装过程的横向动态位移及其下部弯矩变化规律,建立了海洋下入立管的横向动态承载方程、波流载荷计算方程。结合网格离散、边界条件及计算求解稳定性的分析,应用Matlab求解了波浪速度、管柱壁厚和水深变化下的立管横向变形、最大位移和位置,以及位移及弯矩动态波动过程。研究结果表明:距离立管底部50 m内的横向位移、弯矩随时间周期性波动逐步增大,立管最大横向位移与波浪速度近乎呈正比,且弯矩波动幅度及最大弯矩均随海流速度的增大而增大;随着壁厚的增大,立管抗弯强度的增大使得立管的最大位移减小、底部的弯矩幅度减小;在相同张紧力系数下,随着水深的增大,最大横向位移增大、底部的弯矩波动周期减小、弯矩波动变化值减小,最大位移位置自水深“1/3”向海面靠近。研究结果可为海洋立管下入安装设备时的安全作业控制提供基础,并为下入设备分析的上部边界提供条件。