深层页岩气水平井钻进中井筒-地层瞬态传热模型

目前深层页岩气井常用的旋转导向工具服役环境温度为135℃,准确预测深层页岩气水平井钻进中循环温度对延长井下测量工具使用寿命与有效延伸水平段长度非常重要。基于能量守恒原理,考虑井筒-地层各控制区域--钻柱内流体、钻柱壁、环空流体及近井壁地层在径向与轴向传热机理,建立了井筒-地层瞬态传热模型,应用全隐式有限差分法对数学模型求解,分析了各敏感因素对井筒温度的影响。研究表明:页岩气水平井流体循环初期环空流体温度高于原始地层温度;增加循环时间、流体比热容与密度、降低入口温度可以降低井底温度;排量过高引起摩阻生热,使得井筒温度非降反升;通过地面降温装置降低入口温度能抵消水平段延伸产生的热量,增加水平段钻进距离;结合Y101H26-1井数据,当入口温度为35、65℃,对应钻进井深分别为5650、5250 m时,不超过旋转导向工具服役环境温度,计算误差在3%以内。该研究成果可避免井筒降温技术应用的盲目性和低效性。

柴油机循环模拟中耦合瞬态传热模型的研究

本文叙述了一个用于柴油机循环模拟研究的瞬态传热模型。其中缸内对流传热采用了紊流模型;辐射传热考虑了绝热火焰温度和平均气体温度的影响;燃烧室壁热传导采用了周期性瞬态热传导模型。该模型与柴油机热力循环模型相耦合,用于预测柴油机的周期性瞬态传热过程,包括瞬态对流传热系数、瞬态对流和辐射传热率以及燃烧室表面的温度波动现象。文中还介绍了该模型的应用情况。

基于瞬态传热的含裂缝环形锻件传热模型

针对目前热态锻件存在的裂缝问题,提出了一种基于传热理论的含裂缝锻件传热模型。首先,基于微元体的传热特性,推导满足微元体热平衡关系的导热微分方程,并以瞬时热流量为中介变量,对传热系数、热导率进行了修正。其次,设定环形锻件内外环境边界条件、裂缝有限空间自然对流边界条件,进而建立了多边界条件下含裂缝的热态环形锻件传热模型,利用分离变量法求解该传热模型。最后,应用有限元软件对含不同尺寸裂缝的环形锻件传热模型进行模拟,通过试验验证了仿真分析及传热模型的可行性。

考虑钻井液流动阻力与钻柱旋转的井筒瞬态传热新模型

为了分析钻井液流动阻力与钻柱旋转对井筒温度的影响,文中基于能量守恒定律,考虑流动阻力产生的摩擦热能与钻柱旋转产生的旋转动能,建立了井筒瞬态传热新模型。该模型的计算值比Yang数值模型和Al-Saedi解析模型的计算值高,更接近井底实际温度。实例井计算结果表明:相比于流动阻力,钻柱旋转对井口温度和井底温度的影响较大;流动阻力与钻柱旋转对上部井段温度的影响不大,但随着井深的增加,影响逐渐加剧;随着钻柱转速与钻井液排量的增加,环空温度不断增大。

薄膜热电偶温度传感器动态标定的仿真研究

薄膜热电偶温度传感器的动态标定,即测量激励信号的响应过程,得到动态特性指标。由于动态标定中激励源参数的选取多以实验测量为主,缺乏理论基础,存在着较大的测量误差。针对上述问题,首先以薄膜热电偶动态标定常用的脉冲激光法作为切入点,分析激光与热电偶的作用过程和传热机理;然后采用有限元方法建立三维瞬态传热模型,得到不同激励条件下薄膜热电偶的动态特性指标;最终形成了一种科学、可行的激光参数选取方法,对薄膜热电偶温度传感器动态标定的研究为动态温度准确测量提供了依据。

基于有限差分法的船舶消防服温度分布模型

船舶的机舱值班环境恶劣,船舶主机等动力装置引起的热辐射大,在高温环境下影响到人体的舒适度,此外,船舶引发的火灾是危及船舶及人身安全的重要因素。本文基于Fourier定律与热力学第一定律建立复合介质层瞬态传热模型,并对Crank-Nicolson分布模型进行简化应用与模拟,通过复合介质层瞬态传热模型的求解结果对模型二的仿真进行验证,结果基本符合实际应用。

浇注式沥青混凝土摊铺温度对钢箱梁力学响应及变形效应影响

对浇注式沥青混凝土摊铺温度所造成的钢箱梁应力场及变形特征展开探索。基于瞬态热传导数值模型,分析了摊铺过程钢箱梁结构的应力场分布,并就各结构参数对温度场的影响进行研究,讨论摊铺温度场对铺装层厚度的影响规律。研究结果表明:钢桥面板的变形主要发生于摊铺区,跨中截面变形最大,其竖向最大位移为0.0075m;摊铺边缘的应力最为不利,桥面板主要受纵向应力作用,且峰值均位于横隔板正上方,而横隔板主要承担横向应力作用;摊铺边缘应力复杂,处于该区域的结构在受力上较为不利;温度变形引起的摊铺厚度差呈抛物线分布,模拟值均接近1mm。钢箱梁各结构部件承受不利摊铺温度应力作用,易引起局部稳定性问题,而钢桥面板温度变形引起的摊铺厚度问题也需要重视。

基于热气加热的热塑性复合材料原位成型过程中温度场分析

在热塑性复合材料的自动铺放原位成型过程中,温度历程对于复合材料的最终质量和性能有很大影响。以碳纤维增强聚醚醚酮铺放过程中的温度场为研究对象,建立了二维温度场瞬态传热模型,通过对传热模型划分区域确立了边界条件,分析了热气温度、铺放速度以及模具的初始温度对铺层温度场的影响。通过原理性铺放实验,建立了温度场测量系统,从而验证了有限元模型的正确性。结果表明,随着热气温度的升高以及铺放速度的降低,每层的峰值温度逐渐升高。模具初始温度为室温时,为满足成型要求,选择热气温度为650℃,最大铺放速度为6 mm/s。模具的初始温度对于首层的温度场有很大影响,为改善首层粘接熔融效果、提高铺放效率以及降低整体温度梯度,应适当提高模具温度和铺放速度,并降低热气温度。

深水钻井隔水管增压管线对井筒温度的影响

深水钻井中,井筒和地层温度分布对流体性质和压力控制具有重要的影响,为了研究其影响情况,考虑了深水钻井过程中增压管线流体进入井筒引起的变质量流动,基于质量和能量守恒原理,建立了井筒和地层不同区域的瞬态传热数学模型,并分析了增压管线排量和入口温度对井筒温度场的影响规律。研究结果表明:增压管线排量和入口温度仅对海水段的环空温度影响较大,且随着排量和入口温度的升高,海水段环空温度随之增加;随着距井口距离的减小,增压管线排量对环空温度的影响逐渐增大,而入口温度对环空温度的影响逐渐减小;由于钻柱和环空内流体流动方向相反,增压管线排量和入口温度对整个钻柱内流体温度的影响较大,且随着排量和入口温度的升高,钻柱内流体温度随之升高。研究结果可为深水钻井过程中井筒温度场的预测提供理论参考。

深水固井温度场分布影响因素研究

井底循环温度是影响固井水泥浆设计的关键因素。为此对固井注水泥循环期间井筒温度分布进行了研究。根据热力学第一定律,建立了一种预测井筒温度分布的二维瞬态传热方法。采用有限差分法对模型进行离散,采用超松弛迭代法对模型求解,并分析了影响井筒温度分布的关键因素。计算结果表明,在套管鞋上方一定距离处温度最高,随井身结构的变化,井筒温度分布将发生显著的变化。海水深度、增压流量、水泥浆密度也不同程度地影响井筒温度分布。研究结果可为水泥浆设计和现场运行提供理论依据。

地热井钻井过程中漏失对井筒温度分布的影响

针对地热井钻井过程中经常发生的井漏现象,建立了预测井筒和周围地层温度分布二维瞬态温度模型。采用有限体积法对模型进行离散,使用欠松弛迭代法进行求解;通过与之前建立的井筒温度模型进行对比,验证了本文建立的模型的有效性,得到了地热井裸眼段发生漏失时井筒温度分布规律,分析了影响井筒温度分布的敏感性因素。研究表明,在发生漏失的位置,环空钻井液温度分布曲线发生了明显的突变。井筒内持续性的漏失现象会降低环空与钻杆内的钻井液循环温度,体现了井漏对钻井液的冷却作用,尤其对井底靠近漏失层位的部分井段效果更明显。在钻井液循环相同的时间后,漏失情况下的井口温度和井底温度明显低于正常循环情况下的井口温度和井底温度。裸眼地层段漏失的发生不仅对漏失点以上的井筒温度分布产生了重要影响,也显著影响了漏失点以下的井筒温度分布。

钻井液径向温度梯度与轴向导热对井筒温度分布影响

本文基于井筒与地层间能量平衡原理,将井筒钻井液划分成不同径向单元网格,建立了考虑径向温度梯度条件下钻井液层间温度模型;同时引入钻井液轴向导热项,建立了钻井液轴向导热温度模型,将数学模型应用隐式有限差分法离散与求解.计算结果表明:钻井液径向温度梯度对井筒径向与轴向温度产生的误差分别为0.15℃和0.2℃左右;而钻井液轴向导热对井筒温度分布几乎不产生影响.因此,通过建立的数学模型进行系统分析表明,在建立井筒-地层耦合瞬态传热模型时可忽略两者对井筒温度分布的影响.基于数学建模方法验证了以前学者模型假设条件的正确性,为油气井与地热井井下温度分布规律深入研究奠定了可靠的理论基础.

基于比例积分控制原理预测钻井全过程原始地层温度的新方法研究

应用比例积分控制原理将瞬态传热模型预测结果与出口温度实测数据逐步进行反馈可准确预测原始静态地层温度.为此,本文基于井下各控制组件质量、动量及能量守恒原理,建立了实际井身结构与钻具组合条件下循环和停止循环期间井筒-地层温度分布全瞬态传热模型,应用全隐式有限差分法进行求解,并引入比例积分控制原理对比分析实测温度与预测温度的误差范围进而精确、快速获取原始地层温度.结合一口深井基础数据计算表明,套管下入深度改变了井筒-地层间热交换效率,进而影响了近井壁地层温度分布状况;同时,钻井过程中循环和停止循环作业过程改变了井下各控制组件的初始条件与边界条件,致使近井壁原始地层温度分布距离产生变化.建立的数学模型和研究方法可为石油钻井、地热井开采及地球深部原始地层温度信息准确、经济、快速获取提供理论基础.