高温高压高产气体封隔器卡瓦力学行为的分析与实验

为了提高海上“三高”气井管柱的安全性,确保卡瓦良好的工作性能,以HPC070401封隔器双向筒式卡瓦为例,将滑移线理论法、数值模拟和实验法相结合,研究卡瓦咬入过程的力学行为,分析卡瓦与套管的接触应力分布规律、卡瓦牙咬入套管的深度和疲劳寿命,建立了封隔器卡瓦系统工作可靠的充分必要准则。研究结果表明:坐卡压力增加,卡瓦牙咬入套管的深度也随之增加,在坐卡压力为35、42、48、55 MPa时,卡瓦咬入套管深度为0.25993、0.29425、0.32353、0.36561 mm;坐卡压力增加,卡瓦牙尖局部塑性变形增大,在坐卡压力35、42、48、55 MPa下,对称循环波动20%时,卡瓦疲劳循环次数为951110、789540、717160、629260;通过高温高压封隔器卡瓦锚定实验,卡瓦咬入套管的实测深度介于0.350~1 mm之间,与有限元模拟结果较吻合;结合评价准则和高温高压封隔器疲劳实验可知,套管因疲劳累积损伤产生的应力松驰系数为0.18。

油管尺寸与注气方式对间歇气举的影响分析

间歇气举能够有效提高低渗透率、低压、低产量油井的开采效率。为增强间歇气举举升效果,以VOF模型为理论基础,利用Fluent软件开展数值模拟,在考虑重力条件下研究油管尺寸及间歇注气时的注气频率、注气振幅和注气方式对气举效果的影响规律。研究结果表明:随着油管尺寸的增大,油管出口处举升的液体质量增大,气举效果增强;间歇注气频率增大,油管出口处举升液体质量减小,气举效果减弱;间歇注气振幅增大,油管出口处举升液体质量增大,气举效果增强;减小间歇注气频率、增大注气振幅有利于提高气举效果;大振幅和高频率下的间歇注气方式更有利于增强气举举升效果。间歇气举的主要影响程度和因素可以表示为:间歇注气振幅>间歇注气方式>间歇注气频率。研究结果可为间歇气举方式的参数优化和油田的高效开发提供一定的指导。

PDC钻头恒扭矩工具工作特性分析

针对依靠经验制造的恒扭矩工具的螺旋组件,无法保证在不均匀地层中的工作性能。通过对螺旋组件进行受力分析,建立了恒扭矩工具内芯的微分运动方程。使用仿真软件对钻头端所受不同频率冲击扭矩进行仿真分析,同时改变螺旋内芯的螺纹导程、螺纹中径进行仿真分析。螺旋组件的螺纹导程为210 mm和270 mm时钻柱底部峰值较小,螺纹导程为210 mm时扭矩变化率为3.75%,螺纹导程为270 mm时扭矩的变化率为负3.6%。螺纹升角影响启动扭矩的大小,随着螺纹升角的增大,启动扭矩也在增大,螺纹升角在0.4~0.6之间取值时对扭矩偏离比的影响很大。恒扭矩工具结构参数工作特性研究对恒扭矩工具设计、使用有一定意义。

旋冲钻具凸轮-滚轮冲击机构工作特性分析

旋冲钻具能有效提高深层、硬地层的破岩效率,具有广阔的应用前景。凸轮-滚轮是实现冲击动作的关键机构,但复杂多变的井下环境导致机构损伤严重,进而影响破岩效率。基于旋冲钻具多井次的试钻数据,建立凸轮-滚轮动力学模型,通过显式动力学(Autodyn)分析不同冲程、转速、钻压下的工作特性,总结机构的形变特征提出优化方法。分析结果与试验数据和理论数值对比,验证了计算模型的准确性。结果表明:冲程增大可提高冲击效果,但高于10 mm冲程的滚子实际运动轨迹受钻速、滚轮尺寸、凸轮轮廓曲率影响其轨迹将变平缓。转速在9~18 rad/s时轴向加速度波动幅度较大,对钻具的稳定性具有一定影响。钻压增大凸轮内缘处形变特性明显,其形变量与钻压成正比,25 kN钻压下凸轮的形变量约是10 kN的2.6倍。凸轮齿顶、滚轮内缘处为易变形点,在齿顶处安装可换滚筒同时改变滚轮为鼓轮构型并对抛物线-直线-抛物线、2次多项式、摆线、7次多项式4类凸轮轮廓线型进行特性分析。选用摆线及7次多项式凸轮座轮廓和鼓轮可提高冲击效果,计算结果可为旋冲钻具设计提供参考依据。

基于GA-BP的往复式压缩机状态监测与预测性维护

针对某增压站现有压缩机状态监控系统识别故障信号困难,故障发生前未能提前预警的问题,开发了面向预知维修的往复式压缩机状态监测与预测系统,建立一套完整的软件及硬件体系。气阀作为往复式压缩机的重要运动部件,其状态监测的测点位于阀盖外表面中心处,以气阀状态监测为例,建立了气阀盖振动力学模型。综合运用时域、频域和小波特征提取方法进行振动信号分析,得到正常状态和故障状态的信号特征,提取状态指标。运用遗传算法优化神经网络模型,建立基于GA-BP的往复式压缩机振动趋势预测模型,试验测得模型的预测误差小于0.04。现场应用结果表明,该系统可实现全天候实时在线监测与预测,实现预知维修,减少工作人员的维保压力,提高机组运行安全性和效率,节省运维成本。

煤层气废弃井封堵管柱三维非线性流固耦合振动特性分析

【目的】煤层气废弃井中水泥塞封堵质量是防止井内污染物泄漏的关键。现行煤层气废弃井处置标准中的注水泥塞方式为简单的泥浆泵注,该方法形成的水泥塞存在水泥颗粒团聚、气泡和微孔隙等问题,导致水泥塞强度降低,易失去密封性能。【方法】针对该问题,将振动技术应用于煤层气废弃井封堵作业中,通过专用工具带动管柱振动,依靠振动能量的传递,改变水泥浆流性以提高水泥塞封堵质量。基于Euler-Bernoulli梁理论及Hamilton变分原理,充分考虑非线性因素,建立了封堵作业中管柱-水泥浆系统三维非线性耦合振动控制模型,采用Lagrange函数和三次Hermite插值函数对管柱系统进行离散,利用Newmark-β法计算并分析了管柱在水泥浆条件下的振动特性;并搭建了机械振动试验测试平台,通过正交试验,研究了振动频率、振动时间以及振动幅值三因素在不同参数组合条件下对水泥石力学性能的影响,得到了最佳振动参数,并进一步研究了单因素对水泥石力学性能的影响规律。【结果和结论】结果表明:(1)考虑纵横耦合效应后,管柱自身由线性结构变为非线性结构,加载使其振动固有频率明显增大,并与振型一起实时变化,在一定时间后变化呈现周期性。(2)管柱长度与振动固有频率成反比,管柱越长其振动固有频率的变化量越小。(3)管柱-水泥浆耦合效应对振动固有频率的影响显著,在水泥浆存在的情况下,管柱系统的振动固有频率均降低,随着水泥浆密度的增加,管柱振动的固有频率降低。(4)机械振动可以使水泥浆体系更加均匀致密,表现为水泥石强度得到极大提升,当振动频率为15 Hz、振动时间为5 min,振动幅值为3 mm时,相比于未振动工况,水泥抗压强度提高38.45%、抗拉强度提高24.14%,胶结强度最大提高52.9%。研究结果可指导封堵工具振动参数的设计,为现场施工参数的确定提供参考,提高水泥浆性能以提高封堵质量,具有工程指导意义。

地面钻柱扭摆导向钻井的理论建模及应用研究

在滑动导向钻井中,钻柱的扭摆可以将钻井过程中井眼与钻柱的静摩擦改为滑动摩擦,可有效减少钻探摩阻,并缓解滑动钻井中普遍存在的“托压”情况。基于滑动钻井技术,分区域构建了钻柱扭摆运动控制方程,通过理论模型研究扭摆角度(100°~600°)和扭摆速度(20~80 r/min)对扭摆深度、钻压及工具面变化的影响,并利用钻柱扭摆试验装置进行了试验。研究结果表明:随着扭摆角度、扭摆速度的增加,扭摆深度不断增加,钻压趋于平稳,扭摆减阻效果更好;过度增加扭摆角度、扭摆速度会造成工具面波动,影响钻井效率。现场应用结果表明,工具面平稳度高符合率达到96%,防“托压”效果明显,能够满足现场作业要求。研究结果可为钻柱扭摆导向钻井技术提供技术参考。

机械式复合冲击器的工作特性分析

常规冲击器采用的水力脉冲方法存在的冲蚀问题对冲击器的工作寿命影响较大。为此,提出一种机械举升及碟簧蓄能冲击方法并设计了一种机械式复合冲击器,通过实例模型验证了机构的可行性,在此基础上采用理论计算与数值分析相结合的方法对其压缩蓄能、扭冲、轴冲特性展开分析。研究结果表明:在10~100 MPa轴向压缩下,数量为11的碟簧组其总变形量增长率是数量为5的碟簧组变形量的约2.66倍,但其等效应力曲线特性相近;扭冲特性与径向冲击力成正比,下轴体端面总速度和总变形量与冲击力均呈线性相关,4对扭转冲击力作用的端面总速度约是2对的2.54倍;摆线轨迹线的举升座在30 r/min的运动状态下,12 mm冲程的最大冲击速度为0.2 m/s,最大冲击加速度为5.6 m/s^(2),为防止冲击过程接触应力过大需合理选择冲程大小,可通过增加扭冲对数、提高组合碟簧数量来增强冲击特性。研究结果可为复合冲击器的设计选型提供理论支撑。

JGZ97型万米超深井钻机死绳固定器研制与安全性研究

针对死绳固定器绳轮强度、安全裕度不足和结构失稳等安全问题,根据JZG97型万米超深井钻机死绳固定器绳轮受力及结构特点,提出采用增加腹板的方法来解决死绳固定器绳轮存在的问题。采用有限元法数值模拟,分析了不同腹板绳轮的结构力学性能,三腹板绳轮的强度、安全裕度均满足钻井作业时的安全要求,确定采用三腹板绳轮。实物测试试验中,三腹板绳轮仿真结果与试验结果的最大相对误差为12.95%,综合分析仿真结果与实验结果基本吻合;线性屈曲分析表明,最大死绳拉力作用下的三腹板绳轮临界屈曲载荷为绳轮实际受载的48.8倍,满足结构稳定性要求。研究表明,三腹板绳轮可以解决死绳固定器绳轮存在的问题,可以为万米超深井钻机结构设计提供支持。

海底钻井用铁钻工机械臂的工作安全性分析

随着石油勘探开采逐渐由陆地转向海洋,浅海转向深海、超深海,常规的陆地铁钻工已无法在深水海洋平台直接应用。针对该问题,提出一种新型海底钻井系统配套的铁钻工机械臂结构,运用数值仿真模拟的方法对铁钻工机械臂结构的强度、疲劳强度、刚度、稳定性、抗振性展开安全性分析。研究表明:海底钻井用铁钻工机械臂结构在危险姿态(伸出1.8 m)时的最大von Mises应力为195.45 MPa(小于许用应力[σ]=320 MPa),疲劳强度安全系数n=4.63(大于许用安全系数[n]=2.0);危险姿态下机械臂结构的总弯曲刚度,x、y和z轴方向上的弯曲刚度分别为1.11×10^(10)、1.62×10^(12)、2.43×10^(13)、7.34×10^(10)N·m^(2),符合机械臂结构的刚度要求;机械臂结构的屈曲临界载荷Pcr=915.80 kN,为实际受载的45.79倍,满足结构稳定性要求;随机振动激励作用下机械臂结构有68.23%的概率最大von Mises应力不超过179.77 MPa,满足材料强度安全要求。研究结果验证了新型海底钻井用铁钻工机械臂的结构设计安全可靠,可为海底钻井用铁钻工机械臂的结构设计提供一定参考。

基于名义应力法与局部应力-应变法的绳轮寿命评估

死绳固定器绳轮在钻井生产实际使用中承受着高强度交变载荷,极易发生疲劳破坏。为准确评估绳轮的疲劳寿命,以JZG18C型死绳固定器为研究对象,结合Goodman等寿命曲线修正的名义应力法和Morrow弹性应力修正的局部应力-应变法,估算死绳固定器绳轮在最大死绳拉力下的疲劳寿命。结果表明:JZG18C型死绳固定器绳轮寿命薄弱位置为传感器支臂过渡圆角处(疲劳寿命安全系数n 1=0.4351),在名义应力法及局部应力-应变法下绳轮薄弱位置处的最小疲劳寿命分别为38194次(3.5年)、37120次(3.4年),2种疲劳寿命评估的理论计算结果与有限元分析得到的疲劳寿命结果分别相差0.38%、2.51%,验证了以名义应力法与局部应力-应变法评估死绳固定器疲劳寿命的可靠性与准确性。

基于PC-Crash软件的多车碰撞事故再现研究

近三年来,全国交通事故的年均发生数量在20万次以上,多车碰撞事故的数量也逐年攀升。文章根据车辆碰撞时间的先后顺序将一则复杂的交通碰撞事故,等效成多个简化的碰撞事故,且每个碰撞过程只包含两个事故参与方。通过对事故现场中驾驶员进行损伤验证,以及事故车辆进行痕迹勘验,分析人体损伤程度、各个车辆的碰撞形式和碰撞前的运动速度,运用PC-Crash软件进行事故仿真并验证其真实性。结果表明,仿真得到的人体损伤情况与实际情况相符;事故参与方的最终停止位置、碰撞速度与实际勘验数据相比,误差均小于10%,说明仿真结果与实际勘验的结果相吻合。此方法对复杂的交通碰撞事故能够进行模拟,并且仿真具有一定的真实性,为交通管理部门进行事故责任认定提供了理论支撑。

致密储层水平分支井聚簇孔的产注性能研究

致密油开发多采用水平井多段多簇压裂的开采方式,而裂缝形状及延伸难以精确控制,压裂液污染严重,危害周边水体。针对上述问题,为了更加安全、高效动用致密油藏,提出了水平分支井聚簇孔井型开采方式,并通过模拟软件建立基于油水两相渗流分布机理的泄油模型。通过产能预测,选择分支夹角和位置布置最优的鱼骨形水平分支井,将此井型应用于水平分支井聚簇孔井型并研究其产注性能。研究表明:聚簇孔井型泄油面积更广、见水更快。聚簇孔井型具有较好的产注性能,施工周期更短、更加安全高效。相同条件下衰竭开采10 a后,聚簇孔井型相比鱼骨形水平分支井增产约11.12%;LD-1平台长71井组采用聚簇孔井型模拟开采4 a,平均日产油增加13.21%;邻井注采模拟条件下开采20 a,采用聚簇孔井型作为注入井,相较于鱼骨形水平分支井,单井累计产油量提升约23.7%。该研究可为聚簇孔井型的结构优化和致密储层的高效开采提供技术参考。

JZG72型偏心式死绳固定器绳轮的力学特性分析

死绳固定器是石油钻机和修井机测量实际大钩载荷信息的基础部件,用于井下钻柱工作状态的监测和诊断。针对死绳固定器在钻井生产实际使用中,绳轮部位易出现损伤和失效的问题,以JZG72型死绳固定器为例,运用工程力学和ANSYS Workbench软件对其进行分析计算,发现轴孔偏心距对绳轮强度的影响较大。采用调整轴孔偏心距的方法,提高绳轮的强度储备和安全性,具有不增加材料的几何尺寸和质量、不需要选用高等级钢材、降低成本等优点。当轴孔偏心距在0~160 mm之间变化,120 mm时绳轮所受最大等效应力最小(239.89 MPa),小于材料Q345E的许用应力,符合安全系数ns取1.4的强度要求。分析发现,当绳轮轴孔偏心距改变时,死绳固定器传感器支臂和绳卡支臂的最大等效应力整体处于安全状态。

轨道式铁钻工旋扣钳动态特性分析

旋扣钳是轨道式铁钻工的重要组成部分,其受力和运动特性对整机性能有重要影响。提出一种新型轨道式铁钻工旋扣钳,建立旋扣钳力学模型,利用ADAMS软件对其进行力学特性分析。随后,利用机构的结构分析与综合方法对旋扣钳关键铰点进行运动学分析。研究结果表明:旋扣钳在旋扣过程中的接触力与驱动力均在允许范围内,证明旋扣钳结构设计的合理性;建立旋扣钳关键铰点的位移方程、速度方程以及加速度方程,继而得到偏转角α2的活动范围为5°~76°、α3的活动范围为14°~85°以及α4的活动范围为0°~65°。

涪陵页岩气井射孔及滑移段套管变形特征分析

涪陵区块页岩气老井在分段多级压裂后滑移段套管变形严重,将会影响后期优化改造效果,且目前对该区块套管变形特征分析较少。为此,通过结合现场测井数据,建立不同射孔参数、水泥环材料属性、页岩滑移量的套管-水泥环-地层耦合模型,并采用经典Lame公式验证模型的正确性。数值分析结果表明:ø139.70 mm×10.54 mm的P110无损套管受周向挤压与上覆压力时的应力变化率相近,但射孔后套管的周向挤压应力变化加快,此时套管易产生较大变形,45°、90°相位角射孔比30°、60°、120°和180°相位角射孔对套管强度的影响小;45°方向页岩滑移下,套管最大等效应力位于滑移面上接触点,微小的滑移量将导致套管严重变形,页岩滑移量为4.243 mm时,套管的总变形量为3.957 mm;增大水泥环在页岩滑移处的弹性模量能减少套管的最大等效应力,但套管的总形变量也相对增加。水泥环弹性模量为7 GPa时,减小或增大泊松比至0.26以上均能降低套管的最大等效应力,但对预防套管变形效果不明显。设计的套管受内压地面试验装置及搭建室内试验平台,可为套管变形分析提供试验指导。

CD-GF型钻井球阀阀体的力学特性分析

CD-GF型钻井球阀阀体的结构最为薄弱,其外壳的开孔部位常出现开裂现象,影响钻井作业的正常进行。为此,运用ANSYS Workbench工程分析软件,对6种结构方案的CD-GF型钻井球阀阀体在压、拉、扭载荷作用下的力学特性进行详细的数值分析。研究结果表明:在不同拉力、内压和工作扭矩的组合作用下,相对于原阀体结构A,其他5种方案(A1、A2、B、B1和B2)在最大应力上减小的平均值分别为16. 4%、36. 0%、7. 6%、23. 2%和40. 7%,总变形量减小的平均值分别为16. 7%、37. 3%、22. 9%、30. 6%和45. 5%;在6种球阀阀体结构方案中,最大应力部位均出现在与阀体轴线垂直的孔壁上,随着与圆孔区域距离的增大,其应力值减小;在所有拉力、内压和工作扭矩的组合作用下,阀体的最大应力均小于其材料的极限抗拉强度,其力学行为处于材料弹性变形阶段;拉力载荷是影响钻井球阀阀体强度的主要因素;结构B2(外径增大28mm+双边开孔方案)对原阀体结构A的增强效果最好。研究结果可为钻井球阀阀体的结构优化与改进提供基础数据。

分流封隔器皮碗的性能分析及参数优化

分流封隔器是刮管冲砂技术中最重要的工具,直接影响到冲砂洗井的效率。针对分流封隔器皮碗极易出现撕裂和磨损问题,开展皮碗力学特性研究。采用有限元法与试验相结合的方法,研究推筒外径和底径、皮碗水平距离和内外径对分流封隔器密封性能的影响,优化皮碗总成结构参数。结果表明:影响皮碗密封的主要因素依次是皮碗的外径、内径、水平距离、推筒的底径和外径;最优结构参数组合是推筒外径192 mm、底径188 mm、皮碗内径185 mm、外径216 mm、水平距离46 mm。优化后试验表明,皮碗满足外径244.5 mm套管使用要求,以及皮碗静密封承压20 MPa和动密封承压10 MPa的技术要求,整体性能得到提升,验证了有限元仿真分析的准确性。研究结果可为分流封隔器整体性能改进和应用提供参考。

高压双筒滤网式除砂器设计研究

在油气井生产过程中,随着油气资源不断从井底被开采出来,开采出来的原油含砂、含水量逐渐增加。油井除砂会对油气生产设备造成冲蚀、刺漏甚至是堵塞,使得生产设备的寿命受到较大的影响,造成严重的经济损失。在对国内外现有除砂技术研究的基础上,从经济性角度出发,展开了适用于国内油气除砂的高压双筒滤网式除砂器的设计研究。主要包括除砂器工艺流程设计与总体方案设计;除砂器关键部件除砂筒的设计、有限元数值模拟以及除砂器工业试验。研究结果表明:所设计的高压双筒滤网式除砂器具有较高的可靠性和现场应用价值。

高温高压封隔器实验室防护墙的抗爆性分析

井下封隔器的地面测试试验在高温高压工况下进行,若防护墙的抗爆性不足将会造成重大事故,为此需要对防护墙的抗爆性能进行分析。运用解析计算和有限元计算两种方法,分别计算了试验间在4种典型工况下发生爆炸后,8种常规爆炸飞出物和6种极端爆炸物(弹头状)垂直撞击防护墙壁面的侵彻深度。封隔器测试试验中的8种常规爆炸飞出物中,直径15 mm、长20 mm的圆柱体对防护墙的侵彻深度最大为35.1 mm,封隔器测试试验中的5种极端爆炸物中,以15 mm弹头状物体对防护墙的侵彻深度最大。对无玻纤混凝土防护墙的侵彻深度为101.1 mm,达到防护墙的极限,而对含5%玻纤增强混凝土夹层防护墙的侵彻深度为81.7 mm,后者比前者的抗爆性能相对增强22.1%。将解析计算结果与现有的带装甲钢背板钢纤维混凝土靶抗侵彻试验数据进行了对比,误差范围1.5%~20.6%,验证了解析方法的正确性和可靠性。建议选用前后6 mm厚钢板、中间夹层含5%玻纤增强混凝土及总厚度为100 mm的防护墙设计方案。研究结果对封隔器地面性能试验具有参考意义。