基于Iwan模型的特殊螺纹接头密封面滞回曲线

特殊螺纹接头是高温高压井油套管柱连接的重要部件,管内流体压力、流速的变化诱发管柱振动,引起特殊螺纹接头密封面发生微滑,表现为力与位移的刚度软化与滞回等非线性特征,进而导致接头密封性能下降。为查明密封面的微滑机制,基于离散Iwan模型本构关系,建立某锥面-锥面Φ88.9 mm×6.45 mm P110特殊螺纹接头有限元分析模型,得到不同循环位移载荷下密封面处的力-位移滞回曲线,通过滞回曲线离散化分析,识别出离散Iwan模型的4组参数;构建该特殊螺纹接头等效Iwan模型,分析密封面间的微滑状态;对比分析两种模型滞回曲线的相似度,验证等效Iwan模型的准确性。结果表明:构建的特殊螺纹接头等效Iwan模型与有限元分析模型的综合相似度较高,滞回曲线面积重合度大于92%,位置误差小于2%;利用特殊螺纹接头等效Iwan模型得到的滞回曲线,能够准确描述密封面间黏着、滑移、宏观滑移之间的转化过程,从而为特殊螺纹接头滞回曲线分析提供一种新方法。

弹间干扰对聚能射流成型及射孔穿深的影响规律

射孔是油气开采过程中的重要一环,射孔间距是影响射流成型效果和穿深的主要参数之一,相邻两射孔弹之间会产生弹间干扰,进而影响射流质量和穿深。为探究弹间距对弹间干扰的影响规律,利用LS-DYNA软件,结合ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)算法进行算子分离,实现了单元边界的质量、内能和动量的穿透,并以某油田井下射孔为例,建立了射孔弹—射孔枪—套管—水泥环三维模型,分析了弹间干扰对射流成型和射孔穿深的影响规律。研究结果表明:①弹间干扰降低了射孔弹总能量转化为射流能量的效率:弹间距为5.0 mm时,临近射孔弹射流能量转化率减少0.31%,射流轴向速度减小39 m/s,径向速度增大20 m/s;弹间距为3.5 mm时,临近射孔弹射流能量转化率减少2.21%,射流轴向速度减小130 m/s,径向速度增大111 m/s。②弹间干扰减小了对穿深有效的轴向速度,增加了无效的径向速度,径向速度的增大影响射流质量,使得射流趋向发散,降低射孔穿深。③数值模拟结果揭示,随着相位角的减小,射流线之间的距离减小,弹间干扰加强,有效能量转化降低,射孔穿深降低。结论认为,该规律认识给出了弹间干扰对射流成型和射孔穿深的量化影响,可为合理优化射孔孔密和提高射孔弹穿深提供理论依据。

射孔和储层参数对压裂裂缝扩展规律影响分析

随着油气探采深度和难度的增加,常需要配合压裂技术,以提高产能,射孔和储层参数是影响压裂效果的主要因素。对标经典真三轴压裂模拟试验,建立扩展有限元压裂模型,验证、完善扩展有限元模型分析压裂效果的适用性,并分析射孔和储层参数对压裂裂缝扩展规律的影响。研究结果表明:射孔角度0°~75°,起裂压力先减小后增大,30°时最小为36 MPa,75°时最大为41.9 MPa,变化幅度16.4%;裂缝宽度由0.0138 m减小到0.0033 m,降幅76.1%;裂缝长度先减小后增大,45°时最小23.54 m,0°时最大25.45 m。射孔深度0.6~1.8 m时,起裂压力由47.7 MPa减小到39.79 MPa,变幅24.1%;裂缝宽度的变幅小于4%。水平地应力差0~7 MPa时,起裂压力由32.97 MPa增大到41.04 MPa,增幅19.7%;裂缝宽度由0.01312 m减小到0.00686 m,降幅47.7%;裂缝长度由24.5 m减小到23.8 m,降幅2.9%。弹性模量10~16 GPa,起裂压力变幅0.43%;裂缝宽度增幅25.4%,裂缝长度增幅35%。抗拉强度1~6 MPa时,起裂压力由37.58 MPa增大到48.22 MPa,增幅28.3%,裂缝宽度增幅27%,裂缝长度降幅21%。弹性模量10~17 GPa,裂缝宽度降幅17.3%,裂缝长度增幅23.1%。研究结果可为优化压裂参数提供参考。

连续管磨损程度及剩余抗内压强度敏感性分析

针对连续管在水平井中下入起出时与套管内壁产生摩擦磨损的问题,借鉴钻杆-套管磨损模型建立思路,采用“磨损-效率”模型,研究下入起出时连续管摩擦磨损,获得了连续管外壁磨损深度的计算方法与公式;利用ANSYS Workbench有限元软件分析了连续管外径、壁厚、钢级、磨损率等敏感性因素对磨损连续管剩余抗内压强度的影响规律。研究表明:磨损率不同,井下磨损连续管最先屈服的部位亦不同;Φ44.45mm×3.96mm的QT-900连续管磨损率从0%到25%时,剩余抗内压强度下降率为35%;磨损连续管剩余抗内压强度随壁厚和钢级的增加而非线性增大,随外径和磨损率的增大而非线性降低;磨损率对连续管剩余抗内压强度的影响最强。研究结果可为磨损后连续管施工参数提供指导。

特殊螺纹接头密封面微滑接触行为研究

特殊螺纹接头在井下服役期间受到交变载荷作用,导致接头密封面处发生微滑,影响接头的密封性能。为研究特殊螺纹接头密封面处的微滑接触行为,基于弹性杆振动微分方程,建立了特殊螺纹接头微滑模型,分析了接头密封面的黏着-滑移临界区域及载荷-位移的迟滞特性;利用数值仿真软件建立了接头摩擦接触有限元模型,考察不同内压载荷、位移幅值和摩擦因数的影响下,接头密封面接触压力、相对滑移距离和剪切摩擦力的变化规律,得到了接头密封面处黏着-滑移状态的临界转化范围。研究结果表明:接头的摩擦接触有限元模型可模拟井下实际工况下接头密封面的微滑接触行为;随着内压载荷的增加,相对滑移距离减小、剪切摩擦力和黏着长度增加;随着位移幅值的增加,相对滑移距离增加,黏着长度减小;在内压载荷60~70 MPa之间,位移幅值0.02~0.025 mm之间,分别在密封面处发生黏着-滑移状态的临界转化;随着摩擦因数的增加,密封面相对滑移距离减小,剪切摩擦力和黏着长度增加。研究结果可为动载作用下特殊螺纹接头密封性研究提供参考。

椭圆度和偏心及微裂纹缺陷套管剩余强度分析

套管用于支撑油气井井壁,形成完整井筒,部分套管存在椭圆度、内外壁偏心及微裂纹等制造缺陷,这些缺陷会降低套管强度。因此,有必要分析含制造缺陷套管的剩余强度。依据美国石油协会(American Petroleum Institute,API)套管抗外挤强度分析公式,考虑椭圆度和偏心引起的径厚比差异,据此修正径厚比,得到缺陷套管剩余强度分析公式。以P110套管为例,尺寸为127 mm×7.52 mm(外径×壁厚),对套管剩余强度进行理论分析和数值分析,对比分析椭圆度变形量和圆心偏离程度在1.0%~3.0%范围变化时套管的剩余强度。分析表明,椭圆度和偏心度为3.0%时套管剩余强度分别降低了6.81%和7.02%,与数值分析结果误差分别为1.91%和2.04%,剩余强度计算公式的精度满足工程要求。尺寸相同的微裂纹位于管壁内部、内壁和外壁时,强度分别降低了8.51%、3.55%、4.69%,微裂纹位于管壁内部时强度降低最多,套管强度随微裂纹增加呈近似线性降低趋势。依据研究,建立了不同椭圆度和偏心度套管剩余强度速查图表,方便设计和作业人员使用。研究结果可为含制造缺陷的127 mm×7.52 mm P110套管的剩余强度分析提供理论依据,可为弹性力学中含缺陷的筒体问题提供新的解决方案。

球面-锥面特殊螺纹接头密封面能量耗散及密封性分析

为从能量耗散角度研究不同井下工况对球面-锥面特殊螺纹接头密封面处密封性的影响,借助ABAQUS有限元软件建立了球面-锥面特殊螺纹接头密封面的模型-球面-平面接触模型,得出了不同切向位移载荷、不同压力和不同摩擦因数下的载荷-位移迟滞曲线的变化规律;利用密封接触强度理论评价特殊螺纹接头的密封性能。结果表明:摩擦因数越大,可承受的宏观滑移载荷越大;随着载荷的增大,密封面呈现刚度软化现象。部分滑移状态和完全滑移状态下,接触区域的能量耗散值都随着切向位移载荷、压力和摩擦因数的增大而增大,说明密封性能有所降低。由密封强度理论得当压力处于15~40 MPa时,密封面均满足密封要求;随着压力的增大,密封接触强度增大,密封性能也随之提高。研究结果可为井下复杂工况条件下提高球面-锥面特殊螺纹接头密封性能提供参考。

连续油管井下牵引器自适应控制设计及仿真

当连续油管在水平段受到过大摩擦阻力而无法达到预定位置或出现自锁时,需要采用牵引器来增加连续油管的极限下入深度,使连续油管达到预定作业位置。针对井下牵引器控制系统的调节速度与误差抑制问题,设计了基于模糊神经网络PID控制策略,调整了其模糊规则;最后,在阶跃响应和正弦信号下进行Simulink仿真,验证其动态性能与静态性能。通过实验分析,结果表明:在阶跃响应下的上升时间为1.8s,系统无超调,调节时间为2s;正弦响应的最大滞后时间在0.3s左右,最大幅值误差在0.05kPa,幅值误差小,快速性好,跟随性能优越。基于模糊神经网络PID控制超调量减少51.3%,调节时间减少3.6s,可以更好的控制牵引器,使连续油管更加稳定准确快速的达到预定作业位置。

外保护套对预充填筛管过流能力的影响研究

外保护套作为机械筛管的重要组成部件,对筛管过流能力的影响不可忽略。为此,以预充填筛管为例,通过一套小型可视化防砂模拟试验装置研究了外保护套对预充填筛管过流能力的影响规律。试验结果表明:随着外保护套过流面积的增加,预充填筛管的米采油指数呈指数增加;当外保护套上的冲缝槽宽度小于地层原始砂粒径中值的3倍时,砂粒通过冲缝槽时易发生架桥堵塞,导致筛管过流能力大幅度下降;当外保护套上的冲缝槽宽度大于等于地层原始砂粒径中值的3倍时,外保护套上的冲缝槽对地层砂通过基本没有影响,且有利于预充填筛管发挥其自解堵功能。所得结论可为预充填筛管外保护套的设计提供依据。

水泥乳化沥青混合料路面压实工艺参数研究

为了精准预测水泥乳化沥青混合料路面达到目标密实度所需的压路机压实工艺参数组合,基于该混合料压实流变时变特性及压实Bodner-Partom(B-P)本构模型,采用数值仿真和路面压实试验相结合的方法开展研究。首先对ANSYS进行二次开发得到B-P材料模型,然后将阶段性变化的B-P模型参数代入压实组合仿真分析中,最后开展路面压实试验,进一步得到压实工艺参数优化组合。数值仿真研究结果表明:由仿真结果得到3个低频高幅高速组合,3个组合作用后沿轮宽方向的混合料竖向应变值减小幅度均较大,在路面深度6 cm处的混合料竖向应变衰减幅度值均较小,其中组合六的衰减幅度值为最小,路面目标成型厚度可控制在7 cm以下。路面压实试验表明,组合六(低频高幅高速压实6遍)的有效压实能量偏大,应将组合六的压实遍数优化为:低频高幅高速压实5遍+高频低幅高速压实2遍。

RTTS封隔器外中心管疲劳寿命分析

RTTS封隔器是封隔高温高压井油套环空压力的关键工具,其外中心管的失效会导致油套环空窜通,引发严重事故。为完善外中心管的失效评估体系,基于静强度、疲劳强度理论,采用有限元仿真方法溯源外中心管失效原因;建立外中心管全尺寸三维模型,简化出有限元模型,拟合外中心管材料42CrMo的材料本构模型和S-N寿命曲线;考虑坐封、射孔2种典型工况极限载荷作用下外中心管的静强度分析,将分析结果传递到NCode疲劳仿真平台,依据疲劳强度理论,进行不同平均应力载荷、不同循环特性载荷作用下的外中心管疲劳强度分析。研究结果表明:在150 kN轴向坐封载荷作用下外中心管发生高周疲劳破坏,在300 kN轴向射孔载荷作用下外中心管发生低周疲劳破坏;不同循环特性载荷对中心管寿命影响差异较大,对称循环载荷对外中心管疲劳寿命缩短最为明显。所得结论可为外中心管甚至封隔器的性能评估、优化提供技术支撑。

聚焦于碰摩诱导的非规则形貌套管磨损分析

由于钻磨铣作业管柱刚度低且受力情况复杂,发生涡动时不可避免会碰摩套管,诱导套管产生不连续、随机的磨损,降低井筒安全性。为研究碰摩磨损对套管安全性的影响规律,基于转子动力学理论建立了钻磨铣作业钻柱有限元动力学模型,得到钻柱涡动轨迹及钻柱涡动诱发的套管碰摩特征;同时建立了碰摩磨损体积计算模型,考察转速、钻压对碰摩诱导的套管磨损的影响规律;将碰摩磨损缺陷引入套管模型,采用应力集中比值分析碰摩磨损缺陷对套管承载性能的影响规律。研究结果表明:钻磨铣作业期间钻柱对套管的碰摩主要发生在下部钻具组合处,表现为不连续性碰摩和连续性碰摩2种形式;转速、钻压与碰摩磨损程度呈正相关关系;碰摩磨损缺陷的偏磨率、开口大小及数量会对套管承载性能产生不同的影响。研究结果可为由碰摩诱导产生的套管磨损分析及井筒完整性评价提供理论依据。

井下套管磨损深度及剩余强度分析

为了了解井下套管磨损深度及剩余强度,为后续钻进及试采作业提供依据,文中从方便、实用的角度出发,根据国内油田钻井井史所能提供的数据,用磨损效率模型分析了套管月牙形磨损的磨损深度;给出了井下套管磨损深度的计算方法和计算公式。用弹性力学中的双极坐标法将偏心磨损套管强度计算这一具有2个非同心圆边界的问题转变为轴对称同心圆问题,从而便于解析分析;经过推导,得到在内外压作用下磨损套管内的环向应力表达式,以磨损套管最薄处内壁环向应力达到管材屈服极限为判断条件,得到磨损套管剩余抗挤强度和剩余抗内压强度。上述磨损深度、剩余强度计算方法在羊塔8井、牧7井等深度在5000m以上的重点探井中得到了实际应用,为安全试油提供了依据。

动载作用下特殊螺纹油管接头密封性对比分析

鉴于目前关于油管接头承受交变载荷的研究多集中在抽油机井用的API油管接头,而关于特殊螺纹接头的研究较少的现状,以2种不同密封结构的特殊螺纹接头为研究对象,建立有限元模型,计算交变载荷下2种接头密封面的接触压力,并对接触压力的变化规律进行对比分析。分析结果表明,随着交变拉伸载荷周期的延长,2种接头密封面最大接触应力均减小,且B型接头减小幅度较大;交变拉伸载荷作用下A型接头的密封性能优于B型接头,交变压缩载荷作用下B型接头的密封性能优于A型接头。

支撑式跨隔测试管柱力学分析及其应用

与传统的单封隔器管柱相比,支撑式跨隔测试管柱受力状况更加复杂,测试风险加大,常常失利。为了解支撑式跨隔测试失败的原因,为管柱组合及施工参数选择提供依据,根据支撑式跨隔测试的特点和传统管柱力学研究的不足,用微元体分析法和能量法对有限长跨隔段、支撑段管柱的屈曲行为重新进行分析,求得了有限长管柱的屈曲临界载荷和屈曲构型。分析表明,有限长管柱有3种屈曲构型:1个半波弯曲、2个半波弯曲和螺旋弯曲。据此,可以计算有限长管柱的附加弯矩及附加弯曲应力,校核其强度安全性;可以合理组合管柱、合理确定测试压差。当井径一定时,可以作出跨距—测试压差安全施工界限图。该研究指导了塔中和轮南地区若干口井的跨隔测试,测试成功且没有发生管柱、工具损坏事故。

射孔测试联作封隔器中心管损坏原因分析

以柯深101井射孔测试联作为例,分析了高温高压深井射孔测试联作封隔器中心管损坏原因。首先对失效中心管进行了金相、材料力学性能与失效分析,排除了因材料和制造缺陷而导致中心管损坏,获得了中心管材料力学参数;根据试油设计、施工总结和电子压力计提供的数据,求得了联作过程中封隔器中心管的载荷;利用有限元软件分析了中心管的应力,找出了封隔器中心管损坏原因为:正打压射孔时,水力锚爪伸出,封隔器被"锚死",射孔枪爆炸产生的瞬间冲击力作用在封隔器上而无法"释放";射孔枪爆炸后形成低压的瞬间,中心管内的最大合成应力值超过材料的屈服极限σs,致使中心管在局部塑性屈服而破坏。

高温高压深井试油完井问题综述

简要介绍了我国陆上油田高温高压深井及其试油、完井作业具有"高、深、联、复"的特点;以套管为例,分析了高温高压深井及"高、深、联、复"对试油完井工程安全性的影响;概述了我国高温高压深井完井试油过程中套管、下井管柱、封隔器等井下工具、直读试井电缆、地面管汇与油嘴所出现的问题及基于目前研究、认识所采取的措施;并就高温高压高产深井试油完井工程问题,提出应进行以下研究:(1)动态试油,完井管柱力学分析;(2)试油完井系统压力分析;(3)完井工艺研究。

高密度钻井液润滑下套管磨损实验研究

在2.0g/cm3和1.8g/cm32种高密度钻井液中,进行了S135钻杆/P110套管试件摩擦副摩擦磨损实验,考察了套管磨损速度和磨损效率与接触压力、转速之间的关系。结果表明,随接触压力的增加,磨损量和磨损效率也增加,压力较小时,接触压力和磨损量及磨损效率几乎成线性关系;转速较低时,相同摩擦功下磨损量和磨损效率虽然随转速增加有所增加,但增加幅度非常小,但转速超过某个值后磨损量和磨损效率陡然增加;在2.0g/cm3密度钻井液中套管磨损量比在1.8g/cm3中的略大一些,但只相差0.5%,几乎可以忽略。

水力扩张式封隔器胶筒力学性能有限元分析

水力扩张式封隔器主要应用于水力喷射压裂作业,而胶筒的性能影响作业的成败。以最常用的K344水力扩张式封隔器为研究对象,运用Pro E和ANSYS Workbench软件建立K344封隔器胶筒三维有限元模型,对封隔器胶筒进行应力分析,得到封隔器胶筒Von Mises应力和接触应力云图。有限元分析结果表明,随着喷射压裂的进行,压裂液流经封隔器,封隔器胶筒温度降低,胶筒应力增加。当温度低于90℃时,应力反而降低;当温度低于70℃时,胶筒应力又逐渐增加。在内压作用下,封隔器胶筒的接触应力由胶筒两端向中间逐渐增加。不同参数封隔器胶筒有限元分析结果表明,影响封隔器胶筒最大应力变化的主要几何因素是胶筒外径和套管内径,胶筒的应力与胶筒外径负相关,与套管内径正相关。内压越大,封隔器胶筒的应力越大;起初,内压增加,胶筒应力迅速增加,当内压大于10.52 MPa后,胶筒应力增速趋缓。

射孔测试改造联作套管强度热结构耦合分析

高温高压深井试油多采用射孔测试改造联作的方式,施工时井底温度会降低很多,从而引起热应力。以SL16井为例,考虑了非均匀地应力与储层改造降温的耦合作用,进行了射孔测试改造联作套管强度热结构耦合场分析,建立了射孔套管-水泥环-地层三维空间有限元分析模型,采用ANSYS有限元软件的间接法分析了射孔套管在温度场和非均匀地应力共同作用下的应力。结果认为,射孔套管内最大等效应力随套管内壁温度与地层初始温度差值的增大而增大;射孔套管内最大等效应力总是在最小地应力方向取得最大值。