极地钻探用铝合金双壁钻杆结构强度的有限元分析及试验研究

为了实现钻穿冰盖、直接获取冰下基岩样品的科研目标,本文设计了一种极地钻探用铝合金双壁钻杆,使钻杆可以满足极地上覆积雪层、冰层、冰岩夹层和冰下基岩等不同地层的空气反循环、水力反循环、绳索取心钻进相配合等钻进需求。依据铝合金双壁钻杆在极限拉伸、极限拉扭组合工况下的受力情况,开展了双壁钻杆的有限元分析,并对双壁钻杆外管与钢接头连接试样进行了拉伸试验与扭转试验。双壁钻杆有限元分析结果表明:在极限拉伸和极限拉扭组合工况下铝合金双壁钻杆中产生的最大应力分别为183.8 MPa与161.9 MPa,均小于铝合金材料的屈服强度489.99 MPa。双壁钻杆外管与钢接头连接试样强度试验结果也表明:拉伸试样破坏时的极限可承载拉力为399.5 kN,远大于提升1000 m双壁钻杆所需的拉力(208.11 kN);扭转试样破坏时的极限可承载扭矩为8264.7N·m,同样大于钻杆在正常钻进过程当中所承受的最大扭矩(1990.56 N·m)。上述结果表明,极地钻探用铝合金双壁钻杆设计方案可以满足极地钻探使用要求。

气井测试钻杆内涂层冲刷腐蚀影响因素研究

为研究气井测试用钻杆的两种型号内涂层在不同因素下的冲刷腐蚀规律,通过高压高流速多相流环路设备及高温高压反应釜实验,设置不同的温度、CO_(2)含量、环境pH值、含砂情况、流速的影响因素,并通过涂层厚度、附着力、硬度及电化学阻抗的方式表征涂层的耐冲刷腐蚀性能并分析规律。实验结果表明,在高温高CO_(2)低pH高流速下钻杆内涂层受冲刷腐蚀影响较小,但在含砂或水携砂环境下,涂层低频区阻抗严重降低且涂层表面出现破损失效。指出测试钻杆内涂层不宜在含砂环境中使用,在无砂环境中钻杆内涂层具有优秀的耐冲刷腐蚀性能。

一种高温高压井用小直径切割器设计及性能研究

针对高温高压小水眼油气井下管柱切割问题,设计了一种外径为Φ36 mm的小直径切割器,首次采用切割器两端同时起爆方式对钻杆进行切割,对其作用过程进行了仿真,并通过地面试验和井下试验对切割器的切割效果进行了验证。结果表明:该切割器能够在压力为95 MPa、温度为160℃的井下进行切割作业,实现对水眼大于等于Φ41 mm的多种规格钻杆的切割,且一次性切断钻杆,切割后切割装置接头无粘连、翻边小。本研究可为工程测井和油气资源的深层勘探开发提供技术支持。

沙漠地区光伏支架基础选型及试验研究

为研究预应力管桩、预成孔注浆地锚桩以及钢螺旋桩在沙漠地区作为光伏支架桩基础形式的适宜性,以沙漠地区某光伏新能源项目为例,基于施工现场原体试验,从预应力管桩、预成孔注浆地锚桩以及钢螺旋桩施工工艺和单桩承载力两个方面对比分析研究了3种不同光伏桩基础型式,提出了更适宜沙漠地区的光伏支架基础形式。结果表明:预应力管桩的桩体采用预制结构,桩身完整性好,而且施工较为简单且施工质量比较容易控制,施工效率更高;钢螺旋桩在施工过程中需注意钻进速度,不宜过快,可保证成桩质量;预成孔注浆地锚桩的桩体在成桩过程中质量控制难度较大;预应力管桩的抗压、抗拔和水平承载力普遍较高,均可满足光伏支架基础的荷载要求,预成孔注浆地锚桩的抗拔承载力偏低,不满足上部荷载要求,钢螺旋桩由于桩身材料的因素导致其水平承载力偏低,可根据实际荷载要求选择使用;预应力管桩相较于其他两种桩型不论是施工方面还是承载力方面更适合在沙漠地区使用。试验成果对沙漠地区光伏桩基础设计具有借鉴意义。

北京地区钻杆直径对标准贯入试验击数的影响研究

《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)(2009版)中标准贯入试验设备规格要求钻杆直径为42mm,目前北京地区岩土工程勘察项目中越来越多地使用Φ50型钻杆,得到的标准贯入击数直接进行地基土液化判别、地基土承载力确定和参数选取的真实性无法判断。本文通过在北京地区7个场地进行不同杆径的标准贯入试验对比研究,结果表明:钻杆长度为3.0~20.0m时,砂土中Φ42型钻杆标贯击数与Φ50型钻杆标贯击数比值为0.94~0.99,随着钻杆长度的增加,其比值由较大值向平均值倾斜;粉土中Φ42型钻杆标贯击数与Φ50型钻杆标贯击数比值为0.88~0.93,随着钻杆长度的增加,其比值向较小值倾斜;黏性土中二者之间的关系并不明显。对砂土地基进行液化判别时,当使用Φ50型钻杆得到的标贯击数处于液化边界线附近且判定结果为不液化时,实际上存在液化的可能性,建议使用Φ42型钻杆进行标准贯入试验和液化判定。本研究在北京地区尚属首次,对地区经验积累和指导工程实际具有现实意义。

柔性钻杆O形圈球面密封性能研究

柔性钻杆已成为老井改造和增产提效的重要工具,为保障柔性钻杆球面密封的可靠性,对设计的一种O形圈球面密封结构开展数值模拟和试验研究。基于ANSYS有限元分析软件探究密封间隙、流体压力、转动角度以及有无挡环等因素对O形圈von Mises应力、接触应力、有效密封宽度等密封特性参数的影响。结果表明:流体压力与密封间隙存在耦合关系,流体压力越高要求密封间隙越小;往复转动会导致最大von Mises应力和最大接触应力升高,且随着密封间隙增大而影响加剧;挡环的安装可有效防止在密封间隙和流体压力较大时O形圈挤入缝隙。通过室内试验验证了O形圈球面密封结构的可靠性,为现场应用提供了理论依据和技术支撑。

120和125钢级钻杆在NACE溶液中腐蚀行为研究

将改进型27CrMo材料热处理成120和125钢级钻杆,采用电化学技术测试、浸泡试验和硫化物应力腐蚀试验,对比分析了两种钢级材料的腐蚀性能。结果表明:120钢级钻杆出现椭圆状腐蚀坑,而125钢级钻杆出现细长的腐蚀坑,腐蚀坑深度约为120钢级钻杆的两倍,且坑底出现腐蚀裂纹。120钢级钻杆通过了NACE TM 0177 A法D溶液抗硫化物应力腐蚀试验,而125钢级钻杆发生断裂,断裂方式为沿晶断裂,故125钢级钻杆抗硫应力腐蚀性能不佳。

钛合金弹塑性变形行为与本构模型研究

以钻杆用TC4钛合金材料为研究对象,通过开展基于分离式Hopkinson压杆实验的材料应力-应变关系及塑性模型研究,获得不同应变率条件下的材料动态压缩屈服应力;通过数据拟合、优化等方法获得相应SHPB条件下的J-C材料模型参数;研究TC4材料失效行为与本构关系,研究不同剪切速率对材料失效模型、裂纹扩展方式等的影响规律。最终在上述研究基础上提出合理的材料失效准则并进行仿真验证,研究成果为TC4材料在煤矿用无磁钻杆上的应用提供了理论基础。

顶管掘进过程导致路面沉陷的实体检测及原因分析

针对南水北调工程顶管穿越天津市外环线施工过程中导致地面产生过大沉降问题,通过监测数据分析、地质雷达探测与钻芯取样等手段,探明沉降范围及大小并对发生沉降原因进行分析。

钻杆直径对标准贯入试验N值影响的试验研究

目前在岩土工程勘察中进行标准贯入试验(SPT)应用更多的是φ50钻杆,这与规范规定的φ42钻杆有所不同。在山西孝义某工程用两种直径的钻杆进行了标贯试验结果对比,统计分析了钻杆直径对标贯击数N值的影响。对比结果表明,钻杆直径对标贯试验击数N值有一定的影响,在不同的试验深度和地层中对标贯击数N值影响结果也有所不同。在0~30 m范围内,φ42钻杆与φ50钻杆测得标贯击数N值的平均值比值在0.85~0.87之间,30~40 m范围内φ42钻杆与φ50钻杆测得标贯击数N值的平均值比值为1.09。在粉质黏土和粉土中φ50钻杆所测得标贯击数N值大于φ42钻杆,在密实砂土中,两种钻杆所测得标贯击数N值较为接近。

钻杆螺纹无损检测方法综述

钻杆螺纹根部疲劳裂纹是钻杆钻井服役中产生的常见缺陷类型,是钻杆发生断裂的一个重要原因。分析了钻杆螺纹失效的特点,介绍了国内外现有的几种钻杆螺纹的无损检测方法,对这些方法的原理、实现方法及优缺点进行了说明与分析,最后对钻杆螺纹的检测方法进行了总结。

G105钻杆的拉伸和扭转失效研究

钻杆是石油天然气勘探开发过程中的重要结构件,其服役环境恶劣,易发生失效。基于弹塑性力学中的形变理论建立了纯扭矩作用下钻杆抗扭强度计算的力学模型,根据该模型可以计算钻杆在弹塑性阶段的扭矩。同时,用G105实物钻杆分别进行了轴向载荷下的抗拉测试和纯扭矩下的抗扭测试,抗拉实验得到了钻杆的屈服强度和抗拉强度及断裂时的轴向载荷,抗扭实验得到了钻杆的弹性和塑性极限扭矩。抗扭实验结果和模型的计算结果一致。研究结果为钻柱疲劳、断裂失效机理的进一步研究提供了理论依据,为钻柱强度设计提供了新思路。

钻杆中声波传输特性测试

在实验室进行钻杆声波传输特性测试试验。使用激振器和自制激励装置作为激发源、特制的钻杆短节为传输信道,研究声波在钻杆充气、充水、压沙袋3种状态下的传输特性;利用扫频信号激励钻杆,确定钻杆中声波的最佳传输频率点,得出钻杆中声波衰减的经验公式。结果表明:钻杆接箍和声波频率是造成声波衰减的主要因素;纵波是相对较好的信息传输载体;钻杆信道通带为非平滑的梳状滤波器结构。

水压致裂应力测量系统柔性分析及其对深孔测量的影响

在中国大陆范围内广泛使用的钻杆式水压致裂测试系统由6个部分组成,分别为压力流体控制系统、高压水泵、动力系统、数据记录系统、跨接式封隔器和钻杆系统。该套测试系统又可以分为两类,一种是针对孔深<100 m的浅孔测试系统,一种是针对孔深>100 m的深孔测试系统。对于钻杆式水压致裂系统,钻杆、连接管线以及钻孔变形对系统柔性影响均极微小,封隔器变形和压裂液压缩性是主要影响因素。当测试深度小于100 m时,测试系统柔性主要受封隔器变形和系统压裂液压缩性控制;而当测试深度大于100 m时,测试系统柔性主要受系统压裂液压缩性控制。对于深孔测试,钻杆式水压致裂测试系统柔性过大,会影响重张压力Pr0的准确确定。为了消除系统柔性对深孔测试的影响,可以通过其他方法来确定实验段岩体抗拉强度Tfh,进而确定最大水平主应力SH,或者通过其他方法来直接估算SH。在未来的研究工作中,开发井下传感器和井下流量计将是从根本上消除测试系统柔性影响的一条可靠途径。

钻杆应力-疲劳寿命曲线试验研究

钻杆的疲劳失效是引发钻井井下事故的主要原因,因此有必要对钻杆的应力-疲劳寿命曲线进行试验研究。采用旋转弯曲疲劳试验机,研究了常用的S135和G105钻杆的疲劳性能;采用疲劳寿命对数正态分布模型,得出了任意存活率对应的应力-疲劳寿命曲线;采用直接外推法和2 m-1外推法将疲劳曲线延伸到长寿命区域,并将其外推结果与配对升降法试验结果进行了对比。升降法试验得出S135和G105钻杆的疲劳强度(存活率为99%,置信度为95%)分别为550.19 MPa和454.79 MPa;由直接外推存活率99%的曲线得到疲劳寿命为1.0×107时,S135和G105钻杆对应强度分别为510.23 MPa和402.01 MPa;由2 m-1外推法外推存活率99%的曲线得到疲劳寿命为1.0×107时,S135和G105钻杆对应强度分别为532.95 MPa和428.98 MPa。试验表明,2种外推方法得到的疲劳强度均低于试验值,2 m-1外推法得到的疲劳强度值更接近升降法试验值,因此推荐使用2 m-1外推法对概率-应力-疲劳寿命曲线进行外推来得到完整的疲劳寿命曲线。

钻杆的失效分析和检测现状及其研究进展

介绍了钻杆的使用现状及钻杆失效分析研究进展,表明腐蚀疲劳及管体刺穿是钻杆失效的主要原因及失效形式。概述了目前钻杆无损检测的应用情况,超声波探伤目前应用最为广泛,但是单一检测手段越来越难以满足检测要求,多手段综合检测是未来钻杆无损检测的发展方向。

不连续边界因素对周期管结构声传输特性的影响

为实现油气井测试的井下声遥测,提出纵波作为信息传输载体,应用有限单元法求解波动方程,研究钻杆等周期管结构信道的行波传输规律。由时域瞬态响应特性,探讨了通阻带交替、通带非平滑伴有谐振尖峰的梳状滤波器结构及产生机理。分析了端面、管箍截面积、杆长等边界对通阻带分布的影响,以及声换能器在钻杆信道的位置设计和泥浆介质的阻尼影响。力锤脉冲激励的实验结果表明:周期管结构信道存在多重回波、振铃衰落、通阻带交替和偏移等复杂特性,但利用扫频确定最佳载波频率或宽带通讯能够改善传输性能。

石油钻杆管端加厚工艺过程设计与试验

简介了Φ88.9mm(3.5in)石油钻杆管端加厚工艺过程设计,试验的条件、工艺,模具设计、试验过程及检验,分析了试验结果,得出了工艺可行、试验成功的结论。

一种特殊滑牙块打捞矛的研制与应用

针对复杂打捞中偏磨油管打捞时易变形、胀破或撕裂的难题 ,研制出特殊滑牙块打捞矛 ,打捞矛由上接头、矛杆、滑牙块、锁块、销钉、外筒等组成。打捞时在引鞋和导锥的作用下滑牙块能够顺利进入鱼腔并依靠自重下滑 ,沿导轨外伸直至其齿面与鱼腔内壁接触 ;随后上提钻柱 ,矛杆上的导轨斜面迫使滑牙块咬紧被打捞油管内壁 ,当油管严重偏磨使一对滑牙块卡在磨穿位置时 ,另一对能有效卡在未磨损部位 ,同时外筒限制了油管外胀变形。在双河油田 6- 40 8、T6- 1 35等 5口油井大修和复杂打捞的应用表明 ,这种滑牙块打捞矛能够有效打捞常规工具无法打捞的严重偏磨非接箍油管 ,操作方便 ,成功率高。

不同测试方法下试验模态分析的对比

以实模态分析理论为基础,对钻架模型系统进行典型试验模态分析和基于ODS(Operation Deflection Shapes)测试方法为基础的试验模态分析,分别识别出系统的模态参数,并进行对比分析。