海上井喷抢险“三分支”引火筒结构设计

针对目前海上生产平台出现的井喷失控事故, 设计了“三分支”引火筒装置。在从源头控制井喷抢险作业时能够借助“烟囱效应”将流体/火焰引至上方，降低井口区温度，提高井喷抢险作业的安全性。“三分支”引火筒装置主要由引火筒、悬挂筒、主轴及悬挂装置、锁定及支撑装置组成。作业时可根据井口分布调整3个引火筒之间的角度和高度，配合钢丝绳和绞车进行井喷抢险作业。对各部分结构进行了阐述并且对结构强度及恶劣工况下的吊装进行了有限元分析。分析结果表明:装置强度满足要求；在200×104 m3/d气井井喷环境下最大等效应力为492 MPa，最大偏移量为348.02 mm，在6级风环境下最大等效应力为495 MPa，最大偏移量为353.12 mm，均满足抢险作业需求。研究结果可为生产平台井喷抢险引火筒研发提供参考。     

深斜井注水管柱下放力学模型研究

为了研究深斜井注水管柱的受力情况,在前人研究的基础上建立了适合于深斜井注水管柱下放的力学模型,综合考虑管柱自重、摩阻力及液压力的作用,计算了直径段、弯曲段和稳斜段管柱的摩阻力和轴向力,同时计算了各井段井口的大钩载荷;提出了管柱顺利下放的判定依据,分析了管柱下放的影响因素,并结合实例验证了计算方法的正确性。分析结果表明,弯曲段下放的管柱摩阻力随着井斜角和摩擦因数的增大而增大,管柱下放到稳斜段时摩阻力随着摩擦因数、井斜角、管柱规格的增大而增大;弯曲段管柱的钩载与下放深度呈非线性关系,随着管柱在弯曲段下放角度的增大,钩载逐渐减小,且摩擦因数越大,钩载减小幅度越大。     

琼002井尾管胶塞前期损坏的补救措施

琼００２井在尾管固井过程中由于尾管悬挂器长时间地上提下放、旋转等作业,造成尾管胶塞前期损坏,采用ＴＩＷ型送入工具与Ｌｉｎｄｓｅｙ公司产的回接插入筒组合进行插入式尾管注水泥浆作业,从而很好地解决了尾管胶塞前期损坏的问题。     

自膨胀封隔器密封性能影响因素分析

封隔器胶筒密封性能的研究关键就是胶筒与井壁之间的最大接触压力。以YZF51/2″×203×3000型遇油膨胀封隔器为研究对象,利用有限元软件分析了胶筒橡胶硬度、井壁摩擦因数以及工作压力对胶筒与井壁的接触压力以及胶筒应力的影响。分析结果表明,随着橡胶硬度的增加,胶筒与井壁间最大接触压力增加,密封性能增加;井壁摩擦因数较小时,胶筒与井壁间最大接触压力随着摩擦因数增加显著,但当摩擦因数大于0.15后,其对接触压力影响较小;工作压力应该控制在90 MPa以内,即工作压差在30 MPa以内,封隔器能够实现安全密封。研究结果可指导自膨胀封隔器胶筒的优化设计以及自膨胀封隔器的现场应用。     

连续管防喷盒胶筒摩擦机理及过管稳定性分析

为了降低连续管过防喷盒的摩擦力和注入井内时连续管径向无支撑段的失稳风险，对连续管过防喷盒摩擦行为及其稳定性进行研究。采用试验方法对防喷盒胶筒进行了微观摩擦磨损分析，同时采用有限元与二次开发相结合的方法，建立了连续管过防喷盒的有限元模型及摩擦力计算程序，并分析了连续管运动状态、摩擦因数和井筒介质压力等因素对连续管过防喷盒的摩擦力及其稳定性的影响规律；依据连续管注入井内时连续管的轴向力计算模型，采用压杆稳定理论，计算不同摩擦因数和井筒介质压力时连续管无支撑段最大允许长度。研究结果表明：磨粒磨损是胶筒的主要失效形式，摩擦力的主要来源为机械作用力；井筒介质压力增大，摩擦力增大，连续管无支撑段最大允许长度值减小，其最大允许长度值应小于0.46 m。所得结论可为优化作业参数和计算连续管无支撑段最大允许长度提供理论基础。     

盘式刹车制动盘热应力弹性计算及分析

建立了石油钻采设备用盘式刹车制动盘热应力计算数学模型，并应用有限元方法计算了连续下放管柱时制动盘的热应力场。计算与分析表明，制动盘热应力有如下特征：制动盘周向热应力最大，热应力梯度主要在轴向，摩擦表面层1~2mm处是高热应力区；下放一根管柱时制动盘摩擦表面层的等效效应力具有微观脉动性，连续下放管柱对具有宏观波动性；制动盘摩擦表面层热应力值远大于其机械应力值，在某些工况下热应力峰值已超过常用工程材料的屈服极限。     

温差作用下回接套管柱井口抬升影响分析

井口抬升会导致油气井井筒完整性破坏,影响油井的后续生产作业安全。为了研究回接套管柱在固井-生产作业中的井口应力分布及抬升高度变化规律,采用有限元方法,根据顺北区块某井现场工况,利用ABAQUS软件建立了不同工况下多层套管-水泥环-地层多体系统热-固耦合分析有限元模型,分析了回接套管从固井阶段开始到生产时的应力和位移变化,得到了井口应力、抬升高度变化过程及其相关参数的影响规律。分析结果表明:随着水泥浆返高的增加,井口抬升高度单调增加,这表明随着水泥环缺失的严重性增加,套管自由段数越长,在温差作用下可伸长抬升的高度也就越大;随着水泥浆返高的增加,井口固定时回接套管的Mises应力先增大、后减小,并不呈现单调递增或递减的趋势。所得结果可为现场回接套管柱井口抬升现象分析提供一定的参考。     

基于温差法的齿轮与轴过盈配合分析

基于温差法过盈装配过程,建立了齿轮与轴的过盈装配有限元模型,分析了过盈配合后的等效应力、接触压力、剪切应力和位移量,并讨论了过盈量、摩擦因数和齿轮内孔倒圆角对过盈配合的影响。研究结果表明,齿轮和轴的应力和应变存在边缘奇异性,齿轮的最大等效应力和最大位移发生在距端部约1 mm处,轴的最大剪切应力发生在接触表面内2 mm处;过盈量与组件的应力和应变呈近似线性关系;摩擦因数不影响过盈配合后的应力、应变;当齿轮内孔倒圆角半径为1 mm时,可以明显地改善边缘奇异性。     

基于Drucker-Prager模型的铝合金料仓应力数值模拟

铝合金是石油化工行业中制作大型料仓的主要材料。基于Drucker-Prager本构模型,建立了散料与铝合金料仓相互作用的三维有限元模型,模拟了料仓在静态储料工况下的应力大小及分布规律,并分析了散料密度、摩擦因数、弹性模量和膨胀角对料仓应力的影响。模拟分析结果表明,料仓应力随着筒体高度增大而逐渐减小,在锥筒连接处锥底靠下部位,料仓应力达到最大值。随着散料密度和摩擦因数的增大,料仓应力增大,而弹性模量对料仓应力影响不大。膨胀角变化时,筒体部分应力变化不大,但锥底部分应力变化比较明显,应力值相差最大达到8%。     

水力扩张式封隔器胶筒力学性能有限元分析

水力扩张式封隔器主要应用于水力喷射压裂作业,而胶筒的性能影响作业的成败。以最常用的K344水力扩张式封隔器为研究对象,运用Pro E和ANSYS Workbench软件建立K344封隔器胶筒三维有限元模型,对封隔器胶筒进行应力分析,得到封隔器胶筒Von Mises应力和接触应力云图。有限元分析结果表明,随着喷射压裂的进行,压裂液流经封隔器,封隔器胶筒温度降低,胶筒应力增加。当温度低于90℃时,应力反而降低;当温度低于70℃时,胶筒应力又逐渐增加。在内压作用下,封隔器胶筒的接触应力由胶筒两端向中间逐渐增加。不同参数封隔器胶筒有限元分析结果表明,影响封隔器胶筒最大应力变化的主要几何因素是胶筒外径和套管内径,胶筒的应力与胶筒外径负相关,与套管内径正相关。内压越大,封隔器胶筒的应力越大;起初,内压增加,胶筒应力迅速增加,当内压大于10.52 MPa后,胶筒应力增速趋缓。     

基于摩擦因数的封隔器胶筒优化设计

为了进一步明确双胶筒封隔器的工作原理,避免胶筒发生破裂,对封隔器胶筒进行了优化设计。设计中,采用Mooney-Rivlin橡胶材料模型,建立了相应的数值模型,实现了双胶筒封隔器密封状态数值仿真。采用正交试验方法研究了胶筒及周围部件摩擦因数对胶筒最大接触压力的影响规律。研究结果指出,胶筒径向摩擦因数对其接触压力影响较大;减小胶筒摩擦因数或增加支撑环摩擦因数有利于使双胶筒同时形成密封,并且能增大最大接触压力作用范围,但在一定程度上会减小胶筒接触压力。现场试验结果表明,减小胶筒表面摩擦因数可有效避免单个胶筒因接触压力过大而导致破裂的问题。研究结果对封隔器优化设计具有重要的参考价值。     

深层气井封隔器胶筒力学行为仿真

以深层气井测试作业过程中常用的RTTS封隔器为对象,采用ANSYS软件建立了封隔器胶筒非线性材料大变形接触问题的力学模型,开展了坐封后胶筒的受力与变形规律研究,并对影响封隔器密封性能的各种结构参数和材料参数进行了敏感性分析。分析结果表明,胶筒高度越高、胶筒硬度越小,越易坐封;胶筒厚度越小、胶筒高度越高、胶筒摩擦因数越小,胶筒与套管间接触力越大。需要特别指出的是,存在一个胶筒坐封最容易的中等厚度,存在一个胶筒与套管内壁接触力最大的胶筒硬度,随着摩擦因数的增大,胶筒与套管内壁间接触力减小,摩擦力增大。     

摩擦因数对膨胀套管影响的有限元模拟研究

应用ABAQUS大型通用有限元软件和数值模拟分析方法,建立了膨胀套管膨胀过程的三维弹塑性非线性接触问题的有限元力学分析模型,直观地对膨胀套管的膨胀过程进行了模拟。分析得到摩擦因数与膨胀套管的总轴向位移、所需膨胀力和膨胀套管膨胀后壁厚减薄量的关系曲线以及定量关系的拟合计算式。分析还认为摩擦因数对膨胀后套管的最大等效残余应力和膨胀过程中的接触应力影响很小。     

吊装环境下塔类设备局部应力及参数影响性分析

为分析吊装环境下塔类设备与吊耳连接处的局部应力，解决板式吊耳局部应力在传统规范计算方法中不适用的问题，采用有限元分析软件进行精细化数值模拟，研究了吊装荷载大小、提升角、吊索张角、筒体厚度、半径、吊耳厚度、宽度、肋板厚度等多种因素对筒体局部应力(薄膜应力、表面应力)的影响。同时，利用正交实验、多因子方差分析确定不同参数对局部应力的影响权重。主要得到如下结论：建模分析中，有限元筒体可采用半圆周对称边界建模，其他过于简化的模型将导致计算局部应力偏小；(吊装)荷载工况下，荷载大小与局部应力成正线性关系，而随着提升角的增加，薄膜应力变化缓慢，表面应力迅速增加；实际吊装过程中，提升角在60°左右时，筒体局部应力达到最大值，同时筒体局部应力受吊索张角变化影响明显；尺寸参数方面，筒体厚度及半径对局部应力有显著影响，而吊耳宽度、肋板厚度的变化，对筒体局部应力不会产生明显变化。     

膨胀套管中的橡胶筒尺寸设计分析

根据带有橡胶筒的膨胀套管有限元力学模型,对套管膨胀过程中橡胶变形和套管内的应力变化、橡胶筒两侧的接触压力,以及摩擦因数引起的膨胀参数变化等做了分析研究;对橡胶筒的厚度、长度做了定量和定性分析,发现在橡胶与套管之间的接触摩擦因数作用下,橡胶过长将会在纵向产生“堆积”现象,在有限空间中,使其受较大的接触压力而失效。研究结果表明为了使橡胶筒能有足够的支承力支承套管,可在膨胀套管外面安装多个橡胶筒,相邻橡胶筒之间的间距必须大于2.5倍的橡胶筒纵向伸长量,以免橡胶筒纵向伸长后相互间干扰而形成“堆积”现象。推荐本膨胀结构尺寸中橡胶筒壁厚1.7~2.0mm,橡胶筒长度170~250mm为最佳范围。     

封隔器胶筒密封性能有限元分析

封隔器胶筒的密封性能直接制约其使用性能，且胶筒属于超弹性材料，在井下多种载荷作用下，其力学行为复杂。以三胶筒组合的压缩式封隔器为研究对象，建立了封隔器密封元件的有限元力学模型，分析了加载方式、摩擦因数以及胶筒硬度等对胶筒接触应力的影响，得出了接触应力沿胶筒轴向的分布规律，研究结果可指导封隔器胶筒组合的设计和井下作业。     

永久封隔器胶筒结构改进与优化

利用ANSYS有限元软件模拟不同载荷作用下胶筒与套管的接触应力大小,对于判断胶筒能否达到预期密封效果以及对胶筒结构参数进行优化均具有重要意义。以永久封隔器胶筒为研究对象,对初始设计的胶筒在不同坐封载荷下胶筒与套管的接触应力以及摩擦因数对接触应力的影响进行了分析,对胶筒进行了结构优化。分析结果表明,随着摩擦因数的增大,胶筒与套管之间的最大接触应力减小;优化后胶筒与套管之间的接触应力达到21.073 MPa,满足设计要求。     

基于ABAQUS的径向井井壁稳定性分析

基于岩石力学相关理论,依据Mohr-Coulomb准则,建立了多分支径向井井壁稳定力学模型,并采用有限元数值模拟方法对力学模型进行了验证,结果表明该模型具有较高的准确度。基于ABAQUS有限元数值模拟,依次研究径向井方位角、地层最大主应力与最小主应力压差(地应力差)、弹性模量、泊松比、径向井孔径等因素对三分支径向井井壁稳定性的影响。研究结果表明:多分支径向井井壁稳定性受地应力差和径向井孔径的影响较大;径向井眼的跟端和中段易存在明显的应力集中,是井眼防塌的关键区域;径向井方位角、弹性模量和泊松比对径向井井壁稳定性的影响较小,在一定范围内径向井井壁处于力学稳定状态。     

水平井内套管柱下入过程的数值模拟

利用有限元软件建立了水平井中弯曲井眼段套管柱下入的力学模型,动态模拟了水平井眼造斜段内套管柱的下入过程,并对套管柱在下入过程中的受力情况进行了分析。结果表明,套管柱进入弯曲段后,最大等效应力首先发生在套管柱的底部,随着套管柱下入深度的增加,套管上的等效应力值不断变化,同时套管柱在下入过程中会发生塑性变形。下入过程中,由于套管的弯曲和阻力作用会促使套管与井壁呈交错接触状态。大曲率井眼中管柱下井所需的下入力比小曲率井中所需的下入力要大,这与实际的管柱下入过程相吻合。井眼的摩阻条件对套管的安全下入有较大影响,光滑的井眼条件产生的摩阻力更小,更加有利于套管柱的下入。     

超深井连续管作业过程受力分析及实例计算

合理选用管柱-井眼作业受力模型及综合考虑摩阻因素是实现连续管作业受力准确计算的前提与基础。根据超深井连续管作业特点,考虑温度、井内介质流动阻力等因素影响,建立了连续管作业综合受力模型,用开发的软件实现了连续管作业过程中的受力、变形情况及井口注入头所需注入力的实时变化模拟。模拟结果表明,连续管上提作业安全余量较下放作业安全余量小,下放作业连续管弯曲情况更为严重,螺旋屈曲井段更长,造成附加接触摩阻占总摩阻的比例较大;对于井内压力较大的情况,建议下放作业时适当增大连续管填充压力,上提作业时适当减小连续管填充压力。