连续管夹持力学特性研究

研究连续管夹持状态下的力学特性,对夹持块设计和优化,确定最优夹紧压力等具有重要意义。建立了夹持块-连续管系统力学模型,分析了连续管在夹持状态下内部应力和表面正压力分布规律,探讨了连续管夹持椭圆系数和壁厚对连续管夹持力学特性的影响。研究结果表明:连续管与夹持块之间的正压力随夹持椭圆系数增大而增大,接触面积随夹持椭圆系数的绝对值增大而减小;当夹持椭圆系数大于3.2%时,需要调整夹紧压力或更换夹持块来避免连续管表面受损;夹持椭圆系数为0.8%时,连续管应力最小,且表面正压力较大;壁厚越大的连续管,夹持椭圆系数对其夹持力学特性的影响越大。研究结果对夹持块设计优化、确定夹紧压力以及提高注入头可靠性等具有积极意义。     

高钢级螺旋焊管成型应力有限元数值研究

采用三维有限元对高钢级螺旋焊管成型过程的应力分布进行了计算,在此基础上研究了不同钢级、不同壁厚螺旋焊管成型内辊下压量以及成型后应力。结果表明:钢高级螺旋焊管成型后应力在管体分布不均匀,除了自由边及其附近的环向应力,成型后内表面的轴向和环向应力呈压应力分布,外表面的轴向和环向应力呈拉应力分布;板材在弯曲成型过程中,处于三辊弯板区域的成型内辊下方时,成型等效应力最大,经过成型辊后板材发生回弹变形,内外表面等效应力大幅减小,中间部位等效应力略有减小,在经过外控辊时,等效应力不发生明显变化;随着钢级的提高,相同管径的螺旋焊管合适的成型内辊下压量随之增加,不同钢级螺旋焊管成型后内外表面递送边的环向应力都随钢级升高而增大;随着成型板厚度增加,合适的成型内辊下压量减小,递送边的环向应力随厚度增加而减小,轴向应力随板材厚度变化不大。研究成果可为制造低残余应力、高质量螺旋焊管提供借鉴参考。     

井口处连续油管最大允许轴向载荷分析

针对井口处的连续油管,考虑残余曲率,通过梁弯曲理论推导出连续油管的形态方程和挠度方程,建立了连续油管截面应力模型和最大允许轴向载荷模型。研究表明,连续油管易在凹侧外表面产生过大压应力,发生强度失效; 连续油管最大允许轴向载荷随着井口处长度增大而减小,随着连续油管壁厚增大而增大。井口处长度对最大允许轴向载荷起主要作用,在实际应用过程中应尽可能缩短注入头下端和井口位置上端之间的长度。     

注入头夹持块夹持性能研究及结构优化

夹持块是注入头的核心部件,对注入头整体可靠性具有至关重要的影响。为了探讨注入头夹持块的夹持性能,基于非线性接触理论,建立了夹持块夹持力学模型,从正压力、连续管应力及管径偏差适应性等方面综合分析了夹持块性能,并提出一种高效率弹性夹持块。研究结果表明:常规夹持块正压力和效率随其与连续管外径偏差的增大而降低;同常规夹持块相比,弹性夹持块平均正压力提升20%～37%、接触面积提升6%～10%,效率提升35%～57%;弹性夹持块沟槽和底部壁厚具有一个最优值,基于选用的分析参数,建议槽宽取值40～60 mm,底部壁厚取值8～10 mm。理论分析结果与试验结果非常接近,有助于注入头和夹持块的优化设计。     

深水测试管柱应力分布规律与动态响应分析

为了研究深水测试管柱在不同工况下的应力分布规律及内压波动对管柱动态响应参数的影响,根据深水测试管柱作业特点及结构,推导了测试管柱的轴向力、轴向应力、径向应力和环向应力计算公式,建立了海水段测试管柱的横向及纵向振动模型。根据不同工况,建立了测试管柱的有限元模型,进行了测试管柱最大应力及内压波动下的动力响应分析。研究结果表明:测试管柱各段的最大应力随水深的增加而减小、随悬挂力的增大而增大;由于泊松耦合的影响,最大应力与水深的变化率随着内外压差的增大而增大;初开井前,由于测试管柱的内加压和环空泄压,测试管柱出现最大应力,其值为255.7 MPa,但各工况下测试管柱的安全系数满足强度使用要求;内部压力波动周期对测试管柱的应力响应影响显著,低周期的内压波动使管柱应力过度增大,管柱易发生危险。研究结果可为深水测试管柱的强度研究提供一定的指导。     

钻机夹持机构的设计改进

在滑动摩擦中，摩擦力随着压应力的增大而呈非线性关系增大而呈非线性并且压应力增到某一值时，滑动摩擦力增至很大，以致地相互移动的结合面不再滑动，否则，结合表面会因拉伤而失铲。     

Φ139.7mm套管偏梯形螺纹接头的有限元分析

采用有限元方法分析了φ139.7 mm（5 12英寸）套管偏梯形螺纹接头的等效应力分布和接触压力分布规律。分析结果表明：随着轴向拉伸力的增加，套管接头上的等效应力峰值逐渐增大；轴向拉伸载荷较小时，在有过盈配合的情况下产生的最大等效应力大于仅承受相同轴向载荷时产生的最大等效应力值；当轴向拉伸载荷较大时，在有过盈配合的情况下产生的最大等效应力反而小于仅承受相同轴向载荷时产生的最大等效应力值。螺纹接头两端是发生断裂破坏的始发点，螺纹间的接触压力主要发生在套管螺纹端部啮合的1~3牙内，其接触压力分布是不均匀的，随着轴向拉力的增加，接触压力增大。     

压力容器含裂纹接管过渡区有限元分析及优化

针对压力容器服役过程中因应力集中而形成裂纹的问题,运用有限元软件仿真计算压力容器接管过渡区裂纹尖端应力强度因子和最大等效应力。通过改变接管尺寸、焊接不同厚度补强圈或翅片,比较其对Ⅰ型应力强度因子K_I及最大等效应力的影响。结果表明,增大接管壁厚和内、外过渡圆角直径,减小接管开孔尺寸,焊接补强圈或翅片均可一定程度上减小K_I及最大等效应力;增大内过渡圆角直径的效果较增大外过渡圆角直径的效果更好;补强圈与筒体厚度比存在最佳值,厚度比为0.35时K_I及最大等效应力最小;焊接翅片可有效降低K_I及最大等效应力。     

基于AMESim的连续管注入头夹持力动态特性研究

连续管油气井井筒作业中存在较多问题,包括连续管溜管、打滑和咬伤等,严重影响作业的安全性和连续管寿命。从夹持系统液压缸压力振动入手,研究了连续管振动对连续管注入头夹持系统夹持力产生的影响,求解了夹持力的动态特性。根据夹持系统结构和工作原理,建立了夹持系统力学模型和简化的两自由度物理系统,运用AMESim软件仿真方法得到了影响夹持力动态特性的主要因素及其影响规律。研究结果表明:夹持力振动与液压缸压力振动具有正相关性;液压缸压力振动频率较大时,夹持力振动振幅随频率增大而减小;夹持系统等效刚度对夹持力的振动幅度影响较大。仿真分析结果可用于指导连续管夹持系统结构设计和连续管作业操作。     

洪水冲刷作用下悬空管道力学响应特性研究

长输管道常穿越河流湖泊等水文地域,在洪涝灾害频发地区,管道在洪水作用下可能发生弯曲折断等,从而造成严重事故。为研究在洪水作用下的管道力学行为,基于Morrison方程建立了洪水冲刷作用下的悬空管道数值模型,重点分析了典型影响因素对管道力学行为的影响。研究结果表明:管道悬空长度会明显影响管道的应力和轴向应变;悬空管道中部和端部均存在高应力区,但最大应力在管道端部,当悬空长度大于60 m,端部应力超过屈服极限;管道上下表面最大轴向应变都处于管道端部,且最大应变和最小应变关于管道中心近似呈中心对称;管道上表面受压,下表面受拉;管道应力和轴向应变随洪水速度和管道内压的增大而增大,随管道壁厚增大而减小。     

外表面体积型缺陷对高压管件剩余强度的影响

应用ANSYS软件研究了高压管件在105 MPa内压作用下外表面体积型缺陷的类型、缺陷深度、轴向长度和缺陷宽度等形状参数对高压管件Mises应力的影响规律。研究结果表明,对于矩形缺陷,轴向长度对管件强度的影响较大,轴向长度与最大应力呈二次函数关系;Mises应力随着缺陷宽度的增加逐渐减小,当宽度达到一定值后应力趋于一稳定值,在缺陷深度小于2 mm时,缺陷宽度对缺陷处应力的影响很小,深度大于2 mm时,缺陷宽度对缺陷处应力的影响逐渐增大。缺陷深度是影响管件剩余强度的最重要因素,随着深度的增加,缺陷处Mises应力均明显增加;孔径对缺陷处最大应力的影响规律与孔的深度有关。通过计算给出了缺陷尺寸参数的临界值,为高压管件安全评价提供了参考依据。     

连续循环系统上卸扣卡瓦卡紧力计算方法研究

连续循环系统可以在更换钻杆接头操作时保持泥浆的连续循环。从连续循环系统上卸扣卡瓦的工作机理入手,分析了钻杆工作时的受力状态。在调研了卡瓦卡紧管柱力学模型的基础上,将钻杆看作厚壁筒,采用弹性力学中的拉美公式求解连续循环系统钻杆内、外受压的应力问题;将钻杆外表面承受的摩擦力矩看作圆筒扭转问题进行求解。给出了连续循环系统上卸扣卡瓦卡紧力的计算方法,可用于指导连续循环系统的设计。     

基于弹簧理论的螺旋弯曲管柱强度分析

为了了解螺旋弯曲状态下管柱的应力分布规律,根据管柱螺旋弯曲的特点,利用弹簧理论,结合螺旋弯曲管柱力学分析成果,导出了螺旋弯曲状态下管柱内、外侧的第四相当应力计算公式,弥补了传统管柱力学分析的不足,提高了受压弯曲管柱强度校核的针对性与准确性。分析结果表明,在轴向压力作用下,弯曲管柱内侧的最大相当应力恒大于外侧,并且随着轴向压力的增大,管柱内侧最大相当应力线性增大。因此,对于受压弯曲管柱,应以管柱内壁为应力危险点校核其强度。     

磨损套管爆破强度应力应变分布规律研究

套管磨损后,其壁厚大大减薄,抗内压爆破能力大大下降,从而会造成大量的钻井事故或油气井早期报废。利用有限元分析软件,研究了有水泥环和无水泥环磨损套管模型爆破压力下的应力应变分布规律。研究结果表明,在逐渐加载至爆破压力的过程中,应变与加载内压的关系会由线性变为非线性;爆破压力下,磨损套管内外壁面的应力分布曲线在周向20°位置存在一个明显的转折点;套管外表面周向20～140°段径向位移会随着磨损量的增大而减小。     

内压作用下偏心异径管的应力分析

为了对异径管的设计、生产提供理论依据和计算方法,对异径管中的偏心异径管进行了分析研究,得到了其应力分布规律,确定了危险点。为了减少应力集中的影响,在异径管的大小端分别加了一段直管,在对称面上施加对称约束,在大端直管端面施加轴向和径向约束。分析结果表明,偏心侧内外壁的环向应力曲线总体趋势相似,大端的应力要比小端的应力大;在同样壁厚等级和相同的公称压力下,当异径比增大时,环向应力和相当应力的极值出现位置都有由大端朝小端移动的趋势;适当增加偏心异径管的长度能减小危险点的应力集中程度。     

页岩气水平井固井水泥环状态对套管力学完整性的影响

大位移页岩气井的井眼轨迹复杂,且压裂开发过程中经常出现由于水泥环缺陷引发的套变损伤问题。针对页岩气井压裂过程中高泵压大排量的特点,采用有限元分析方法,通过优化模型网格划分,建立了适用于页岩气井复杂井眼轨迹下套管力学完整性计算的套管-水泥环-地层组合体模型,讨论了水泥环缺失角度、缺失厚度、缺失长度及复合缺陷对造斜段及水平段局部屈曲部分套管力学完整性的影响。结果表明,套管的周向应力随水泥环弹性模量的增大而减小,受泊松比影响较小。水泥环角度缺失会使套管出现应力集中现象,当缺失角度超过90°,应力集中现象得到减缓。随着水泥环缺失厚度的增加,套管所受应力增大。无论是造斜段还是水平段,不同缺失角度下,水泥环厚度、套管尺寸及泵压对套管应力的影响类似,趋势均为随着缺失角度的增加,套管应力先增大后减小。水泥环缺失的临界部位会产生应力突变,该位置也是最容易发生套损的部位。同一缺失厚度下,套管应力最大值随着缺失角度的增加而先增加后减小;同一缺失角度下,套管应力最大值随着缺失厚度的增加而增加。随着缺失角度的增加,水泥环缺失部位对应套管沿管长方向的等效应力先增加后减小。水泥环越厚,套管等效应力越小。在相同厚度下,水泥环剩余厚度越薄,套管等效应力越大,全部缺失时应力水平最大。     

环境介质及表面结构对夹持块摩擦性能的影响

连续管注入头夹持块在使用过程中表面会粘附钻井液、原油和石蜡等井下介质,从而对夹持块摩擦性能造成影响,另外夹持块表面结构形式的不同也会对摩擦性能造成影响。为此,用自行设计的测试设备对夹持块与连续管在不同条件下的当量摩擦因数进行测试及分析。分析结果表明,对于光面夹持块,在无介质条件下,其当量摩擦因数为0.443;原油对当量摩擦因数影响较小,石蜡对夹持块摩擦性能影响最大,其当量摩擦因数下降至0.074;对于无介质环境下的表面刻槽夹持块,齿宽和槽宽越窄,夹持性能越好;在石蜡环境下,23型夹持块有效减少了接触面上的石蜡,摩擦性能大幅度提高。     

轴力对套管临界外压影响的研究

本文用塑性方法和薄壳弹塑性稳定理论,导出了在轴力和外力共同作用下,套管弹塑性失稳的临界外压计算公式,并得到了临界外压与应力比关系曲线和临界外压与轴力关系曲线。对轴向拉力和压力对临界外压的不同影响也进行了讨论。     

钻杆开孔后剩余强度研究

为了对开孔后的钻杆进行剩余强度分析,运用有限元分析法对开孔后钻杆承受内压作用时的强度进行计算。建模时以API内加厚钻杆为研究对象,约束钻杆两边的轴向位移为0。在ABAQUS有限元分析软件环境下建立分析数据库,导入钻杆开孔后的三维实体模型,建立了有限元模型分析数据库。分析结果表明,钻杆开孔后,在内管壁施加的均布压力作用下,最大应力发生在开孔边缘的轴向位置附近,且随着开孔直径的增大,最大Mises应力也增大;在钻杆厚度一定的情况下,随着开孔直径的减小,应力集中因数逐渐减小,且趋近于恒定值;在相同的开孔直径下,钻杆直径越大,应力集中因数越大。