连续管水平井钻磨作业力学分析

连续管在水平井钻磨作业时,易发生屈曲变形而使轴向力传递效率降低,严重时可能由于轴向力降为0而发生自锁。在充分考虑屈曲、摩擦、弯矩、内外液体阻力等因素的影响下,建立了连续管在水平井钻磨作业过程中的力学模型,并分别推导出直段和弯曲段有效轴向力、接触力和摩阻力的数学模型。由所得的理论模型计算可知,连续管失稳屈曲类型主要是螺旋屈曲;改变连续管初始端的注入力大小对最大注入深度和增加钻压几乎没有影响,而不同管柱尺寸对等效轴向力分布影响很大。研究结果对连续管现场作业有借鉴意义。     

油气测试管柱力学分析与优化设计软件及应用

在油气井测试过程中,特别是高温高压气井、超深井、水平井的测试,测试管柱在轴向力、管内外压力、弯矩、扭矩及温度等因素的作用下,会形成复杂的应力和应变,有时会造成管柱断脱和屈服破坏。为此,开发了油气测试管柱力学分析与优化设计软件。该软件考虑井眼轨道、测试管柱结构、测试阀类型、井内外流体性能、管柱内外压力、管柱与井壁间的摩擦因数、管柱温度及地层温度,可计算出油气测试过程不同作业阶段管柱的受力状态,包含管柱的轴向拉力、扭矩、应力、安全系数、稳定性状态及伸长等参数,可以对多级管柱组合的各级长度进行优化。现场应用结果显示,软件的计算精度满足工程作业需要。     

垂直井段连续管屈曲锁死的判定与预防

为了防止连续管在井下作业过程中的屈曲锁死甚至损坏现象,建立了一个判断连续管锁死的临界准则,以指导连续管注入操作,保护连续管。通过对垂直井段连续管屈曲的理论分析和试验研究,连续管屈曲后,连续管与井壁接触力随轴向力的平方增加,如进一步增加注入力,可能很快发生锁死现象。因此得出评价连续管锁死的临界准则,即根据注入头载荷为零判别或根据输出力和注入力的增加比例进行判别。同时,结合现场实际施工垂直井屈曲锁死后断裂的案例,验证了判据的准确性,并提出了避免或减小连续管屈曲锁死的措施。     

国外连续管作业软件架构分析

国内连续管作业机虽然已经有了较大的发展,但是国内开发的相关软件功能模块比较单一,大部分连续管作业配套软件基本依靠国外公司开发的相关产品。介绍了4种国外连续管作业软件现状,并对其软件架构进行深入分析,认为一个完整的综合作业软件应该有几个应用模块:1数据采集模块。采集并监控作业关键参数,为力学模拟、流体模拟和疲劳评估提供基础数据。2力学模拟模块。对连续管管柱的力和应力进行综合模拟,并由此模拟作业过程中各种因素对作业的影响,可以进行作业前设计或实时监控作业过程。3流体模拟模块。对连续管及井筒内的流体进行模拟,并由此模拟各种与流体相关的作业。4疲劳寿命评估模块。能够对连续管寿命进行优化设计,并能实时评估每一根连续管的使用寿命。     

水力诱振式双向耦合连续管减阻器设计

连续管刚度小,在下入或加压钻进过程中容易屈曲,导致摩阻增大甚至锁死。为此,基于附壁效应和卡门涡街效应,创新设计了可诱发连续管轴向与径向振动的水力诱振式双向耦合连续管减阻器。该减阻器通过流体诱发持续振动,将连续管与井壁间的静摩擦转化为滑动摩擦;涡轮动力源、径向振动组和流体振动腔室的多级耦合产生轴向冲击力,克服了连续管与井壁之间的摩阻,避免了纯机械式减阻器振动间断以及动力源驱动复杂等缺点。利用有限元软件进行减阻器径向振动组模态分析,分析结果表明:其固有频率远大于工作频率,避免了共振导致的结构破坏。在轴向冲击力测试试验中,该减阻器在10、14和18 L/s的注液排量下可分别产生23.3、30.1和34.6 kN耦合轴向冲击力,随着注入流量的线性增加,轴向冲击力呈非线性增大。应用该减阻器可增大连续管在水平段的延伸范围。     

井下振动减摩技术研究进展

在大位移井、水平井中,无论是常规管柱还是连续管作业时,由于管柱与井壁接触面大、管柱不旋转等因素,管柱与井壁之间摩阻都很大。井下振动减摩技术利用流体能量通过一定方式使管柱产生振动,从而减小管柱与井壁之间的摩擦力,增加钻头的有效钻压,提高机械钻速,延伸管柱入井位移,可有效降低油田开发成本。介绍了连续管减摩器、声波流动脉冲方法和装置、轴向振荡发生器、降摩阻短节、井下振动减摩器以及水力振动减摩加压器等国内外各种井下振动减摩技术和装置,包括原理、结构设计、特性研究以及现场应用等方面。随着我国复杂结构井的钻井和后续作业陆续出现管柱与井壁摩阻大的问题,对减摩技术的需求也越来越多,井下振动减摩技术发展前景广阔。     

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文章在连续介质力学井壁稳定性分析的基础上 ,系统地计算分析了温度扰动对直井井周应力分布和井壁稳定性的影响。结果表明 ,当地层温度低于井筒内流体温度 ,地层受井筒内流体加热作用时 ,随着温差的增大 ,井壁所受井周周向应力和轴向应力也随之增大 ,井壁压性破坏的可能性增大 ;当地层温度高于井筒内流体温度 ,地层受井筒内流体冷却作用时 ,随着温差的增大 ,井壁所受井周周向应力和轴向应力也随之减小 ,周向应力和轴向应力逐渐由压应力变为张应力 ,井壁张性破坏的可能性增大     

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。     

旋转导向偏心稳定器井壁推靠力力学特性及影响因素研究

通过建立切合实际情况的力学模型,推导出旋转导向偏心稳定器井壁推靠力方程,该方程包含了与钻井作业有关的钻压(轴向力)s、钻具自重q、井斜角α、偏心稳定器与上部稳定器之间的距离l、钻具的弹性模量E和轴惯性矩I以及偏心稳定器翼肋位移δ等参数。通过计算实例,分析了sl、、α及δ对井壁推靠力的影响,所得认识对于开展旋转导向偏心稳定器钻具系统和旋转导向钻井技术研究有重要意义。     

垂直海洋立管中连续油管载荷传递影响因素分析

由于连续油管刚度较小,在海洋复杂环境条件下,导致在下入立管过程中易引起各种事故。因此,需要对这种特殊边界条件下的连续油管力学传递特性进行研究。通过建立连续油管下入海洋立管时的有限元模型,模拟分析了浮动边界下连续油管注入过程中影响载荷传递的因素。分析结果表明:相同工况下,立管刚度越大,内管的轴向力传递效率越高;内外管管径比越小,内管的轴向力传递效率越高。     

连续油管滚筒多层缠绕力学分析与试验研究

为了研究多层连续油管缠绕工况下滚筒的受力特性,通过理论分析得到滚筒筒身径向力、滚筒辐板轴向力及多层缠绕系数的计算方法。以某型号连续油管运输滚筒为例,计算得到相关力学参数。通过有限元仿真及应力-应变测试,对理论计算方法进行验证。结果表明：仿真与试验结果趋于一致,验证了理论计算方法的合理性;连续油管滚筒筒身所受径向力随缠绕层数的增加而增大,但增幅逐渐趋缓;滚筒辐板所受轴向力随缠绕层数的增加而增大,且二者呈近似的线性关系。为了提高工程计算的效率,将多层缠绕系数应用于工程简化计算中,为设计满足复杂工况的滚筒提供可靠的技术手段。     

连续管井下作业摩阻计算分析

在综合分析现场3种摩阻计算模型优缺点的基础上,提出软模型是计算连续管作业摩阻的最优模型。根据连续管作业的特点,考虑到井眼轨迹中曲率和方位的变化,建立了连续管单元几何力学模型。分析了连续管单元的受力情况,给出了连续管摩阻的计算模型。进一步探讨了发生屈曲时连续管的受力情况,最终建立了三维井眼中连续管井下作业摩阻计算模型。结合中海油湛江DF1-1气田A1h井数据,对连续管井下作业轴向载荷和注入头载荷进行了预测,为连续管技术的应用提供理论基础。     

连续管缠绕力学研究

运用弹塑性力学的方法建立了连续管在滚筒上受拉弯变形时截面弯矩和轴力的计算模型,并结合材料力学的分析方法建立了在不同缠绕松紧程度下张紧拉力、滚筒扭矩与连续管截面弯矩之间的关系模型,为连续管滚筒设计选取合适的马达扭矩和现场作业给定合适的马达压力提供了理论依据,同时也是进行连续管疲劳寿命分析的重要参数。     

弯曲连续管内流体运动机理与摩阻研究

井眼的弯曲直接影响连续管在井下的弯曲状态和连续管内流体的运动特性与摩阻。为此,分析了弯曲连续管内流体流动的运动机理,在此基础上根据流体力学原理建立了不同流体条件下弯曲连续管内流体摩阻计算模型。分析结果表明:弯曲连续管内流体的运动呈现断面环流和冲击波效应,这可能是引起弯曲连续管内流体复杂运动的力学机制;弯曲连续管内流体流动的断面环流和冲击波效应在一定程度上影响了连续管内流体的流态和摩阻;随着井眼曲率半径的减小和注入排量的增大,不同流体条件下弯曲连续管内流体的横向切力和摩阻随之增大;弯曲连续管内流体流动的横向切力和摩阻受弯曲段井眼曲率半径和注入排量的影响较大。研究结果可对弯曲井眼中连续管循环摩阻计算、受力分析和排量优选提供理论参考。     

连续管井口疲劳寿命预测方法研究

连续管作业过程是大变形塑性过程。通过理论分析和有限元分析相结合的方法,在对连续管因弯曲引起的轴向应变、环向应变和径向应变进行分析的基础上,建立了连续管疲劳寿命预测模型。试验对比分析结果表明,此模型可以较好地预测连续管的寿命;同时指出:随着循环次数的增加,连续管的直径也在增大,平均应变水平随之增大,而壁厚在减小,所以表现为连续管越接近损伤极限,每次的损伤值也越大。     

新型连续管钻井用电液定向装置的研制

由于受到下入方式的限制,连续管无法在井眼内旋转,造成定向困难,严重影响了连续管钻井技术的应用与推广,为此,设计了一种连续管钻井用电液定向器。通过电子控制-液压驱动-机械传动的方式对底部钻具组合工具面进行调整,实现连续管定向操作。通过机械传动系统受力分析,得到摩擦系数与接触倾角对机械效率和输出扭矩的影响;建立了液压驱动系统的动态特性模型,仿真了整个液压驱动过程,得到各个阶段中活塞位移和活塞受力的变化情况,以及传动接触面冲击力与活塞运动速度的关系。研究结果为定向器机械传动系统和液压驱动系统的优化设计提供了理论依据。     

110 ksi钢级连续油管刺漏失效分析

为了探寻连续油管刺漏失效的原因,以某油田110 ksi钢级Φ50.8 mm×5.2 mm连续油管刺漏样品为研究对象,进行了微观组织分析、化学成分分析、力学性能试验、金相检验和断口分析。结果显示,失效连续油管的化学成分、拉伸性能、硬度检验结果等均符合API SPEC 5ST的要求,夹杂物等级较低,金相组织为铁素体+珠光体+粒状贝氏,组织均匀,无异常。分析指出,刺漏失效是连续油管在使用过程中,机械损伤和疲劳循环载荷共同作用的结果;油田现场应加强作业过程的管理和监控,避免因操作不当造成连续油管损伤,是防止连续油管失效,提高连续油管使用寿命的关键。     

凹坑缺陷参数对连续管疲劳失效的影响研究

为了探究凹坑缺陷参数与连续管疲劳失效的关系,建立了含缺陷连续管有限元模型,并利用试验对有限元模型进行了验证,分析了缺陷深度、缺陷轴向角度、缺陷长度、缺陷宽度和缺陷分布数量对连续管疲劳失效的影响,并与完整连续管进行了对比。研究结果表明:连续管在带压弯直循环过程中,缺陷处会产生明显的应力集中现象,最后发生疲劳失效;在一定角度的凹坑缺陷处,径向两个角落的塑性应变最大,连续管会沿着这两个位置发生断裂;5个因素对连续管疲劳失效的影响程度不同,缺陷深度和缺陷宽度对连续管的疲劳失效影响最为显著;在含缺陷连续管疲劳寿命理论模型建立过程中,应把缺陷深度和缺陷宽度作为主要考虑因素。所得结论为连续管疲劳寿命理论模型的建立提供了参考。     

连续管在注入头多种夹持方式下的受力分析

连续管作业机在现场作业时,连续管在传送过程中受到的压紧力会使管体形成一定的椭圆度,影响了连续管的工作性能。研究了连续管在双向夹持、3向夹持和4向夹持等3种夹持状态下的受力和变形,并应用Pro/Mechanica对连续管的应力大小及分布进行了分析,计算了连续管的变形量,指出采用4向夹持方式连续管产生的椭圆度仅为0.26%,最大应力为330.3 MPa,远小于其他2种夹持方式,因此连续管的性能可以得到更大程度地发挥。