循环温度下能源桩土热传导解析计算模型研究

在实际工程中能源桩与周围的热传递作用是一个长期多次循环的过程。依托能源桩土热传导离心机模型试验结果,基于有限长热源模型,对长期冷热循环温度作用下能源桩桩周土体温度场进行了理论计算,并将所得解析解与室内试验桩周土体温度实测值进行了对比分析,结果表明:有限长线热源模型相较于无限长线热源模型精度更高,且无论是冷循环还是热循环,在循环后期延米换热功率都存在一定程度的降低,冷效率的降低相较于热效率更为显著,降幅可达13.15%;桩周土温在桩身中段范围呈现较为稳定的态势,而桩端由于竖向传热的影响,桩端土体变温区间显著收缩;在同一时刻处,能源桩传热效率随着距桩中心距离增大而逐渐减小。

循环温度场下桩周土微观结构试验研究

能量桩在运行过程中桩周土的温度会发生改变,进而会影响到土体的微观结构.为了得到能量桩桩周土的微观结构变化规律,结合室内模型试验,通过扫描电镜和核磁共振技术,对能量桩运行前后的桩周土进行了测试,利用IPP软件对扫描电镜得到的微观参数进行了定量分析.结果表明,循环温度场下能量桩中间部位的土体温度扩散速度快于两端部,土体温度沿径向呈递减趋势;能量桩的运行过程对桩周土的孔隙影响较大,使桩周土的孔隙变大,孔隙的定向角呈无序性发展;对土颗粒的定向性影响较大,使土颗粒的定向角呈无序性发展.

循环温度作用下石膏矿岩强度劣化效应试验研究

为研究循环温度对石膏矿岩的影响,采用波速表征石膏矿岩的完整度、单轴抗压强度表征石膏矿岩的强度劣化效应,开展循环温度作用下石膏矿岩强度劣化效应试验。结果表明:随着循环温度次数增加,石膏矿岩波速整体呈现平→急→波动→稳的变化规律,完整度最大降低率为27.3%,证明循环温度作用可造成石膏矿岩内部结构的变化和损伤;随着循环温度次数增加,石膏矿岩应力-应变曲线的压密阶段时间增长、弹性阶段时间减少、塑性阶段时间增加、峰值强度对应的应变增大,强度整体呈降低趋势,最大强度劣化率为12.60%,证明循环温度对石膏矿岩强度有劣化效应。研究成果对揭示石膏矿大面积采空区坍塌机理和防控具有一定的理论指导和借鉴意义。

井下循环温度模型及其敏感性分析

准确的井下循环温度对钻井与完井工程十分重要。在前人的基础上 ,根据热力学第一定律及传热学基本原理 ,建立了井内液体与井筒之间热交换的二维瞬态循环温度的数学模型 ,用无条件稳定的全隐式有限差分法数值求解数学模型 ,将所建立模型的预测结果与有关模型进行比较 ,并对影响井下循环温度的参数进行敏感性分析。该模型可用于计算实际循环条件下的管内液体、管壁。

注水泥循环温度影响因素探讨

循环温度的准确预测是保障固井作业安全和固井质量的重要影响因素之一。特别对深井而言,水泥浆性能对温度十分敏感,温度预测偏低5℃会严重缩短水泥浆可泵送时间,易引发固井事故,温度预测偏高会延长候凝时间,甚至可能发生超缓凝,水泥柱顶部十天以上都无强度,延误后续钻进作业。为保证施工安全,提高固井质量,根据井下传热特点及施工流程,建立了一种新的二维瞬态注水泥循环温度预测模型。研究结果表明:(1)固井前应多周循环钻井液,并适当提高循环排量,可以有效降低注水泥循环温度;(2)冬季最高循环温度低于夏季,尤其对浅井而言差别更加明显,冬季适当降低循环温度设计值不会影响安全泵注,而且能减小水泥浆体系设计难度;(3)深井温度系数高于浅井,井眼尺寸越大,循环温度越低。

确定注水泥与钻井过程中井内循环温度的数学模型

井下循环温度不但直接影响水泥浆的稠化时间、流变性等性能 ,而且与井内压力平衡、井壁稳定、井内工作液体系选择、套管和钻柱强度设计等方面有关。文章根据传热学的基本原理 ,针对井内热传递特点 ,建立了井下循环温度的二维瞬态数学模型 ,并用无条件稳定的全隐式有限差分法数值求解数学模型。最后用塔里木油田的 3口井的实测井底钻井液循环温度对模型预测结果进行了验证 ,并对理论模型和简易法计算的循环温度与实测值进行了对比分析。该模型可用于计算实际循环条件下的管内液体、管壁、环空液体与地层的温度分布 ,为水泥浆、泥浆与管柱强度设计等提供基础。

循环单轴应力和循环温度作用下玄武岩力学性质初探

对玄武岩在循环单轴应力–温度作用下的力学性质进行初步的试验研究。开展应力上限为80%和65%单轴抗压强度、温度上限为60℃和90℃的循环单轴应力–温度试验以及循环后的单轴压缩试验。试验结果表明:循环应力和循环温度作用具有"叠加"效应;循环应力上限为80%单轴抗压强度时,玄武岩随循环次数增加逐渐损伤,在循环中破坏;应力上限65%抗压强度且温度上限60℃时,玄武岩随循环次数增加逐渐硬化,在循环中不会发生破坏;损伤岩样峰值应变经历初始阶段、等速阶段和加速阶段,残余应变具有较大波动性;损伤岩样峰值割线模量先迅速降低,后缓慢降低,在临近破坏时急剧减小,应力上限大时峰值割线模量的降低程度大;应力上限相同,温度上限大的损伤岩样破坏循环数小;硬化岩样峰值应变和残余应变随循环次数增加而减小,峰值割线模量、割线弹性模量和卸载模量随循环次数增加而增大,温度上限大时岩样模量增加幅度小;硬化岩样受循环作用后,抗压强度较初始强度提高;岩石破坏时峰值应力与峰值割线模量定义的损伤因子线性相关程度高。

井下循环温度及其影响因素的数值模拟研究

井下循环温度不但直接影响钻井液的流变性、密度及化学稳定性等,而且与井内压力平衡、循环压耗、套管和钻柱强度设计等有关,因此准确确定钻井作业时井内循环温度的分布和变化规律对钻井循环压耗、井控和安全快速钻进具有极其重要的意义。根据能量守恒原理,针对井筒内热量传递的特点,建立了钻井循环时井内温度的数学模型,并用有限体积法对该模型进行了求解,最后用实测的井筒温度对模型预测结果进行了验证。同时对影响井下循环温度的参数进行了敏感性分析,分析结果表明,钻井液和地层的热物性参数以及钻井液入口温度、循环流量等因素对井内温度分布有较大影响,掌握这些参数值对准确预测井内温度分布至关重要。

尾管固井循环温度预测模型研究

循环温度的准确预测是保证尾管固井施工安全、提高固井质量的基本前提。目前预测方法中实测井温成本高,经验法和API RP 10B反映的是一个区域的平均循环温度,现有的循环预测模型没有针对尾管固井复杂的工艺流程。为科学预测循环温度,根据尾管固井施工流程及井下传热特点建立二维温度模型,通过实测井温验证了模型具备较高的精确度,平均误差仅有1.6℃。数值模拟结果表明:对深井而言,冷浆的降温效果很小;钻井液循环阶段与尾管注水泥时刻温度变化规律不同;φ177.8mm尾管固井和φ127mm尾管固井最高循环温度系数分别为0.79和0.84,经验系数法高估循环温度。

循环温度场作用下PCC能量桩热力学特性模型试验研究

PCC能量桩是河海大学岩土所开发的一种新型能量桩技术。在常规桩基静载荷模型试验基础上,将PCC能量桩放置在南京典型砂土中,并通过导热管内水体的循环对模型桩体施加温度场,以模拟PCC能量桩在实际运行过程中的承载力特性与受力机制,PCC能量桩先加载至工作荷载(极限荷载的一半),再施加热-冷循环一次,最后加载至极限荷载,测得不同温度下PCC能量桩的荷载-位移关系曲线、桩身应力-应变关系曲线等变化规律。试验结果表明,能量桩换热过程中,热量更容易从桩体传向土体(即夏季模式的热循环);热循环及制冷循环都明显改变了桩顶位移值,且往复循环作用下产生的塑性变形不能完全恢复,其积累变形可能危害上部结构安全;桩身受温度场作用产生的热应力相对较大,且不同约束条件下其变化值有所差异;在制冷循环下,桩底部甚至可能产生较大拉应力。

循环温度荷载下无砟轨道结构模型试验研究

为研究循环温度荷载下无砟轨道结构层间离缝产生与扩展规律,以及离缝对轨道结构受力性能的影响,制作了三跨无砟轨道-简支梁桥结构1/4缩尺模型,开展了18次循环温度荷载试验。并在循环温度试验前后分别对结构进行了2次静力加载试验,对比分析结构体系受力特性发生的变化。试验结果表明:循环温度荷载作用下,梁端处轨道板与CA砂浆之间产生离缝,并向跨中呈“阶梯状”逐渐延伸,历经萌生、扩展和稳定三个阶段。随离缝长度增加,相同温度荷载下,梁体上拱度逐渐减小,而轨道结构上拱度逐渐增大,在离缝的萌生、扩展和稳定三个阶段,轨道结构的刚度呈现慢-快-慢的速度逐渐减小。经18次循环温度荷载作用后,轨道结构的刚度降低了14. 96%,无砟轨道-桥梁结构体系整体刚度降低了2. 52%。

气液两相流循环温度和压力预测耦合模型

为保证欠平衡钻井安全钻进,需要给欠平衡钻井设计提供井筒温度和压力分布等基础数据。基于气液两相流钻井液循环时的流动特征和井筒与地层的传热机理,建立了适用于欠平衡钻井预测气液两相流钻井液循环温度和压力的耦合模型,给出了模型的离散方法和求解方法。在模型的求解过程中,考虑了温度和压力对气相(空气、氮气)的密度、比热、比焓、动力黏度、热导率等热物性参数的影响及热源对气液两相流钻井液温度场的影响,保证了气液两相流循环温度和压力的计算精度。基于大庆油田升深2-17井充氮气欠平衡钻井试验数据,利用气液两相流钻井液循环温度和压力预测耦合模型对欠平衡钻井时的井底温度和压力进行了计算,计算结果与实测结果吻合程度高,验证了模型的有效性。对比分析了以地温、地面温度作为气液两相钻井液温度和考虑井筒换热3种情况下的环空压力剖面特征,为欠平衡钻井设计及控压钻井设计和施工提供了理论基础和技术支持。

深水钻井作业井下循环温度场预测

深水钻井作业时,海水对流换热作用对井内循环温度计算影响显著。考虑海水区域的对流换热,管柱内、环空内流体的轴向、径向热传导,以及管柱壁径向热传导,建立了深水钻井作业井下循环温度场的预测模型,讨论了海水对流换热、有无隔水管和一维、二维地层边界条件的影响。结果表明:海水对流对井下循环温度的影响较大,必须考虑海水区域的对流作用;无隔水管工况下,海域内管柱内流体、筒壁的温度明显低于有隔水管的工况;二维地层边界条件计算速度较慢且计算精度会受影响,无特殊需求推荐采用一维地层边界条件。与现场实测温度对比,本文模型计算值与实测值基本吻合,验证了本文模型的正确性。

循环温度荷载作用下饱和多孔介质热-水-力耦合响应

对半无限体表面作用简谐循环温度荷载下,饱和多孔介质热-水-力耦合响应的一维情形进行研究,给出内部温度、孔压和位移等的解析表达式。分析了半无限体温度响应由瞬态到准稳态的演化过程以及准稳态条件下温度、孔压和位移等的波动特征。研究表明:随着温度荷载作用时间的增长,热力学响应以波的形式向深处传导和扩散并趋于准稳态过程;随着介质深度的增加,热力学响应的波动幅值不断减小,而其相位相应滞后;随着介质透水性质的增强,孔压沿深度的分布趋于均匀化;当介质深度超过一个波长后,其热力学响应值几乎为零。

钻井过程中钻井液循环温度数值模拟

准确的预测钻井液循环温度对钻井作业安全、快速钻进具有十分重要意义。文章根据热力学第一定律及传热学的基本原理,考虑了钻井液传热受流动影响,建立了钻井液与地层之间的二维非稳态循环温度数学模型,模型通过优选钻井液流变模式,精确计算钻井液流变参数,并采用无条件稳定的全隐式有限差分法求得模型的数值解,提高了预测精度。最后用现场实测数据与模型计算数据进行了对比分析,验证了该模型的可行性和准确性。该模型可用于计算实际循环条件下的管柱内钻井液、管壁、环空钻井液与地层的温度分布,为准确预测钻井安全密度窗口和钻井液设计提供基础数据。

井眼循环温度分布规律

结合实际运用分析各种井内温度确定方法,并根据能量守恒的原理,结合传热学和流体力学的基本原理,建立了相应的井眼内温度数学模型和确定任意时刻、井深处的钻具内和环空中的温度值的计算公式。

关于固井循环温度的一点探讨

井下循环温度对固井作业非常重要。在前人的井下循环温度模型的基础上,探讨不同井型和环空间隙大小对固井循环温度影响。固井循环温度系数均随水平井或大斜度井的井深增加和环空间隙减小而增加。建议在水平井固井循环温度系数取值考虑水平井段增加和环空间隙减小而适当增加,为现场固井循环温度的取值提供参考。

不同循环温度下SnAgCu／Cu界面金属间化合物生长行为

基于自制的多场耦合装置，研究了Sn-3．0Ag-0．5Cu／Cu钎焊接头在不同温度循环条件下界面金属间化合物（IMC）的生长厚度及形貌变化。结果表明，相同的试验条件下，在200个循环周期内，钎焊接头界面化合物生长较快。随着热循环周期的增加，界面金属间化合物的平均厚度逐渐加厚，同时800循环周期后界面金属间化合物（IMC）的彤貌由扇贝状转变为层状。随着循环温度的升高，界面化合物的生长速率加快，生长指数变大，达到0．63。

无隔水管海底泵举升系统循环温度变化动态模拟

由于无隔水管海底泵举升系统使用回流管线代替隔水管作为钻井液上返的通道,造成海水段钻井液注入与上返的路径成为了两个相互独立的单元,流体的换热方式发生了较大变化。为此,以系统的结构特点为依据,分段建立了其不同结构内的循环温度模拟动态分析模型,并对全系统的循环温度变化进行了动态模拟。研究结果表明,与Lima和Pereira等所建立的解析解模型相比,论文所建立的模型更贴合实际的钻进情况,且模拟的结果具备准确性;在钻井作业过程中,作业时长的变化会造成全系统的循环温度发生变化;钻井液的密度变化同样会使全系统的循环温度发生改变,但变化的趋势与作业时长不同;作业水深的改变主要会对海水段各结构内的循环温度造成影响,但对地层段相应结构的影响较弱。

循环温度疲劳作用下粘接界面损伤的非线性超声评价

材料损伤以及性能退化与超声波的非线性效应密切相关.为研究循环温度疲劳作用下粘接界面的损伤情况,本文采用超声波透射法,研究了6061型铝合金/改性丙烯酸酯胶粘接界面的声学非线性系数随高温、低温循环次数的变化情况.结果表明,在高温循环疲劳作用的初始阶段,试件的非线性系数变化不明显,但随着高温循环次数的不断增加,非线性系数随循环次数的变化十分明显;对于低温循环疲劳作用的初始阶段,试件的非线性系数迅速增大,随着循环次数的增加,其值增速减缓.在低温循环疲劳寿命的后期,试件的非线性系数随循环次数的增加而继续增大.进一步的讨论结果表明,胶层三阶弹性常数的变化是造成高温循环疲劳时非线性系数变化的主要原因,而对于低温循环疲劳,粘接界面拉伸刚度的变化是引起非线性系数变化的主要原因.