非均匀载荷和内压作用下石油套管的抗挤能力分析

油井套管往往处于管内外复杂的受力环境下,揭示和分析这些因素对套管抗挤能力的影响就显得非常重要,并可为套管强度设计提供理论依据。根据套管在受到外部非均匀载荷和内压作用下的受力特点和材料力学理论,建立了单位长度的理想圆管的环向应力的计算模型,得到了套管内外壁的环向应力分布规律。计算结果表明:套管发生破坏失效位置在圆周方向与最大水平地应力成90°角的内壁上。依据Von Mises屈服准则由失效点得到了非均匀外挤载荷和内压作用下套管屈曲时抗外挤能力的新公式。实例计算表明:在影响套管的抗挤能力的因素中,外载荷的非均匀系数对套管抗外挤能力影响最大,外载荷的非均匀系数越大,套管抗外挤能力下降得越快;在外载荷非均匀性较小的条件下,提高套管外载荷承载能力可通过增大内压和减小套管径厚比来实现。     

煤层气水平井射孔完井段抗有效外挤能力的有限元分析

随着技术水平的不断发展与完善,现代水平井钻井技术在煤层气开采中得到了广泛的应用,其中射孔套管在不同的生产时期、生产条件和不同的煤层地质环境下,受力情况是不同的。在常规的条件下研究水平井段射孔套管的受力情况,即在确定套管的有效外挤压力的情况下,利用有限元分析软件ANSYS对射孔套管进行了实体建模、网格划分及有限元计算。最终通过数据处理及对比分析,得出射孔套管受力情况随着有效外挤压力增加的变化规律,从而确定了射孔套管达到抗外挤强度最小值时的最大有效外挤力,为套管强度设计奠定基础。     

气体动力改造煤储层对井下套管柱安全性影响分析

注入气体阶段与压力释放阶段是气体动力煤储层改造工艺对套管柱安全产生影响的2个关键阶段,为研究其影响程度,根据气体动力改造煤储层井的井身结构与套管柱,建立了气体动力煤储层改造井的套管、水泥环、围岩组合体力学模型,运用弹性力学理论对注入气体阶段、压力释放阶段套管的载荷进行了分析,并通过实例说明在注入气体阶段随着注入气体压力的变化,套管的外压载荷首先接近于挤毁压力,在压力释放阶段弹性应变能的瞬间释放会引起套管变形,在同等条件下,使用φ139.7 mm套管比φ177.8 mm套管安全。     

水泥环参数和套管形状参数对套管强度的影响

目前,国内外均面临着严重的套管损坏问题,因此研究套管强度的影响因素是必要的。通过建立套管和水泥环的三维有限元模型,并利用Ansys有限元分析软件研究了水泥环参数、套管偏心率和椭圆度对套管强度的影响。模拟结果表明,只有水泥环的弹性模量超过一定值,增加水泥环的厚度、弹性模量才能提高套管的强度,否则还会增加套管内壁的等效应力,并且得出了水泥环对套管强度的增幅效果是套管径厚比的函数;此外套管的强度随着套管偏心率和椭圆度的增加而大幅度降低,容易引起套管屈服破坏。     

轴向拉应力对钻井套管剪切变形时应力特征的影响规律研究

基于煤层开采条件下上覆岩层的运动规律,采用Ansys软件建立了钻井套管剪切变形数值模拟模型,研究了轴向拉应力对套管剪切变形时的应力特征的影响规律。结果表明随着套管承受拉应力的增大,剪切面上Mises应力最大值和套管上承受较大Mises应力的区域面积均增大,说明拉应力越大,套管越易发生剪切破坏,且套管易发生剪切破坏的区域也越大。研究结论解释了工程中套管剪切破断的区域主要位于软硬岩层交界处(上硬下软组合)和关键层区域的原因。     

煤层底板加固中浆液充填套管的空间受力特征及其应用

为研究底板加固中浆液充填套管对底板岩层变形影响,以套管为主要研究对象,建立采动作用下浆液充填套管在底板岩层中的力学作用模型,理论分析浆液充填套管的应力分布和作用机制并进行验证。将采空区四周支承压力分区,根据集中力作用下半空间体内应力解,通过角点法积分得到矩形基底三角形分布支承压力角点下的一点应力状态,并运用辅助线法和叠加法得到了采空区下方底板岩层中任一点的空间应力分布。然后,基于浆液充填套管破断形态和抗弯刚度,结合采动作用下底板岩层变形破坏特征及套管布置方式,建立以浆液充填套管为中心的套管与岩层耦合作用力学模型,阐明了弹塑性极限平衡条件下浆液充填套管的空间受力特征及对底板岩层变形影响机制,得到了浆液充填套管在准破坏区界点处的弯矩公式和基于抗弯刚度和许用应力的套管容许最大变形公式。最后,根据工程实例建立数值模型,计算结果表明轴向上套管垂向位移形态以破坏区为界分为2段,破坏区内套管位移较大,套管位移形态阐明套管发生弯曲变形过程。施加套管时监测点位移变形量小于未施加套管时的变形量,且套管长度越大变形量越小,验证了浆液充填套管具有抵抗岩层变形的作用。数值计算结果与理论分析相符,组合浆液充填套管能够提高底板岩层抵抗变形的性能。     

锚杆机链传动装置力学特性分析与试验

为了探究锚杆机链传动装置在实际工况下的承载特性,运用有限元和试验相结合的方法对滚子链条的力学特性展开了研究。分析计算了影响链条抗拉静力强度安全系数的因素,基于有限元法探讨了外链板、内链板、销轴、套筒和滚子的等效应力与位移变形分布规律,并对滚子链条进行极限拉伸载荷试验。结果表明:链条最右侧的外链板所承受的等效应力较大,最大应力分布于外链板的销孔内侧,应力值从销孔向外扩散而逐渐减小。滚子链条极限拉伸的破断力为90 kN,破断位置位于外链板销孔处,与仿真结果一致,为锚杆机链传动装置的设计和选型提供参考。     

采空区上覆岩层应力恢复规律的模拟分析

通过数值模拟方法对工作面支承压力及采空区应力的分布规律进行分析,得到工作面及岩层采空区应力恢复距离在覆岩内部的变化规律。依据煤层极限平衡区和弹性区的支承压力分布函数的表达式,通过载荷守恒原理对采空区应力恢复函数进行分析,得到了采动岩层采空区应力恢复函数中增长系数的变化规律。结果表明:工作面支承压力峰值位于煤壁前15 m附近,其峰值为18.5 MPa,应力集中系数为2.52,上述参数与理论计算结果误差较小,证明了数值模型计算的准确性;当岩层与煤层的垂距越大时,采空区应力恢复距离越大,且岩层采空区应力恢复距离与其和煤层的距离呈现线性增加的关系。根据采动岩层空间载荷守恒原则,采动岩层采空区应力恢复函数的形态呈现出“上凸”的形态,并且岩层与煤层垂距越大,其“上凸”的形态越明显,采空区应力恢复的过程越快。     

近距离煤层开采遗留边界煤柱下底板巷道采动附加应力计算

上覆煤层开采后,在煤层底板形成原岩应力区、弹性应力增高区、塑性区、卸压区、应力恢复区和压实区等6个区域,上覆煤层遗留边界煤柱附近围岩内形成"椭圆应力拱"结构,前拱脚位于应力恢复区,后拱脚位于弹性应力增高区,上覆岩层载荷通过前、后拱脚传入底板,并对下伏煤层巷道产生附加应力,明显影响到下伏煤层巷道稳定性.基于此,构建上覆煤层"椭圆应力拱"结构力学模型,数值模拟计算"椭圆应力拱"的圆心坐标、轴长和拱脚位置等形态参数,确定上覆煤层底板各区域宽度及其等效载荷,并计算下伏煤层底板巷道附加应力.研究表明,底板巷道附加应力与上覆煤层采高、煤层间距及巷道水平错距等密切相关.结合布尔台矿具体开采条件,依据围岩稳定性判据,合理确定下伏42煤开切眼与上覆22煤遗留边界煤柱的水平错距.     

悬空套管段承温能力分析

针对高温高压井因井筒温度升高导致的悬空套管段附加载荷,建立计算模型,对套管的承温能力、环空降压效果进行了分析.计算表明:套管在密闭外环空附加压力和轴向温度应力共同作用下,会很快到达屈服极限,最危险位置在水泥环端面附近;外环空附加压力导致套管径向收缩,能够引起固井段的水泥环与套管剥离;环空降压可以大幅度提高套管承温能力,同时由于环空压力低时套管径向膨胀,能够阻止水泥环与套管的剥离.研究成果对高温高压井套管设计、防护措施选择、生产参数确定等实际问题具有重要参考价值.     

基于塑性铰模型的煤层气完井筛管抗挤强度分析

根据煤层气完井筛管受力特点建立了筛管受力的塑性铰模型,利用能量法推导出带有初始椭圆度筛管抗挤强度的计算公式,分析了相位角、射孔直径、射孔密度、初始椭圆度、径厚比和屈服强度等影响因素对筛管抗挤强度的影响规律,并对某煤矿使用的筛管抗挤强度进行了计算,与已有的实验数据和有限元计算结果进行了对比。计算结果表明：筛管抗挤强度的塑性铰模型具有很高的计算精度和准确度,可以满足工程实际需要;筛管抗挤强度随着射孔相位角、径厚比和初始椭圆度的增加而降低,随着屈服强度的增加而增加,相位角和椭圆度对筛管抗挤强度影响比较显著;在射孔直径小于12 mm、射孔密度小于120孔/m时,筛管抗挤强度随射孔直径和射孔密度增加变化不明显。建议在实际煤层气完井筛管设计过程中,采用小相位角,严格控制初始椭圆度,适当增加射孔直径和射孔密度,以达到提高筛管抗挤强度和增加过流面积的目的。     

基于Hoek-Brown准则的深部煤层钻井坍塌压力弹塑性分析

利用三轴压缩实验确定了沁水盆地平定区块深部煤岩在高围压条件下的弹塑性特征。以Hoek-Brown准则为极限平衡条件,提出了基于工程允许塑性区半径的深部煤层井眼坍塌压力弹塑性计算方法,得到控制深部煤层井壁坍塌的主要参数：煤岩地质强度指标GSI值、非均匀地应力系数及工程允许塑性区半径。以平定区块PD-095井为例,分析了深部煤层坍塌压力弹塑性结果与弹性结果的差别,讨论了坍塌压力弹塑性结果随影响因素的变化规律。结果表明,当工程允许塑性区半径为井眼半径的1.5倍时,PD-095井坍塌压力弹塑性结果较Hoek-Brown准则、Mohr-Coulomb准则弹性结果分别降低6.52%,4.66%;随着工程允许塑性区半径的增大、地应力非均匀性的降低,井眼坍塌压力下降;坍塌压力与地质强度指标GSI值呈负乘幂函数关系。     

水泥环弹性模量和厚度对套管外挤载荷影响的理论研究

针对水泥环弹性模量变化对套管强度是否有帮助的讨论,采用弹性力学分析方法研究了水泥环弹性模量对不同性质地层内套管外挤荷载的影响规律。研究认为,在岩性较软的地层,应选用刚度较大的水泥环,可帮助套管抵卸一部分载荷;在地层岩性较硬时,选用刚度小的水泥环有助于提高套管抵抗外挤载荷能力。理想的水泥环特性应为高强度、低刚度。其机理是利用高强度抵御地层载荷、低刚度降低载荷传递系数,从而达到保护套管目的;单纯增加水泥环的厚度不一定能够改善套管的受力情况,只有当水泥环弹性模量大于一定值后,加大其厚度可改善套管的受力状况。因此,在实际现场中,应根据具体的地层情况,调整水泥浆特性,达到最好的固井效果。     

钢管混凝土支架构件—圆弧拱破坏机理研究

以钢管混凝土支架支护深井软岩巷道为背景,对钢管混凝土支架组成构件中的四分之一圆弧拱进行六分点等值加载,以研究试验试件的矢跨比和钢纤维体积掺量对试件力学性能的影响。实验表明,钢管混凝土圆弧拱试件拱底处主要受压弯剪应力影响,最先发生局部破坏;拱顶处主要受压应力影响,拱底和拱顶均为试件最薄弱截面。矢跨比越大,能够承受的荷载和刚度越大。1%~1.5%钢纤维体积掺量的试件的柔性增强,极限荷载与无钢纤维试件差别不大。继续增加钢纤维掺量,试件刚度增加,但试件极限荷载降低,钢纤维体积掺量在1%~1.5%较为合适。再通过数值模拟进一步研究试件危险截面的受力形式和试件的截面尺寸、矢跨比、壁厚对承载力的影响。与此同时,结合试验分析和数值模拟结果,从试件截面强度、局部失稳、整体失稳三方面进行理论分析,给出钢管混凝土圆弧拱局部失稳的原因和承载力的计算公式。最后,结合实际工程情况,提出钢管混凝土设计方案。     

方钢管混凝土拱架套管节点压弯试验研究

为掌握钢管混凝土拱架套管节点压弯力学特性,考虑核心混凝土强度等级、套管长度、套管壁厚、套管间隙4个影响因素,设计了正交试验方案。采用ABAQUS开展了数值试验,并通过室内试验进行了验证;分析了套管节点偏压作用下的运动及受力变形模式;得到了套管试件的Mu-Nu曲线,拟合了试件的压弯承载力表达式;对极限承载力的正交分析发现,核心混凝土强度、套管长度分别是影响试件轴压承载力和抗弯承载力的主要因素,其他因素的影响很小;套管节点的存在使试件的轴压承载力降低30%左右,也使试件的抗压弯综合能力降低,且套管越短,降低越明显。     

环向裂纹缺陷压力管道塑性极限载荷安全性分析

采用正交试验法,编制了25 种不同管道尺寸、不同缺陷尺寸的正交实验图,对20号钢管道进行非线性计算。研究了单一载荷及组合载荷下含环向表面裂纹缺陷管道的塑性极限载荷,并用公式计算不同载荷工况下管道的塑性极限载荷,将有限元分析值与理论值进行对比,验证有限元计算的准确性。分析了裂纹环向长度、轴向长度、深度及管径4个因素对塑性极限载荷的影响,从而得到这4个因素对不同载荷工况下管道承载能力的影响规律以及相同裂纹尺寸的管道在不同载荷工况下的等效应力图。     

深井无煤柱煤与瓦斯共采的技术挑战与对策

深井留巷钻孔法煤与瓦斯共采中留巷围岩变形大,留巷钻孔易破坏、抽采效果差。结合淮南矿区煤与瓦斯共采实践,通过力学分析构建了钻孔在采动作用下的破坏模型,对各参数的影响规律进行了分析,通过套管-水泥环-围岩三维数值模拟计算,探讨了水泥环与围岩性质对钻孔稳定性的影响,得出:采动应力集中易导致钻孔发生挤压型失稳,而岩层层间滑移易导致钻孔发生剪切型失稳,采用厚壁套管、柔性充填、危险层位扩孔让压等措施可以有效提高钻孔稳定性。进而提出了深井超前留巷强化钻孔与高位回风巷强化钻孔的瓦斯抽采技术,并在朱集矿1111(1)工作面与1112(1)工作面进行了试验。试验结果表明:强化钻孔的抽采效果及钻孔稳定性显著优于普通抽采钻孔,单孔最大瓦斯抽采流量达8.1 m3/min,有效抽采距离达150 m以上,实现了深井无煤柱煤与瓦斯的高效共采。     

单向应力作用下地下采空区顶板破坏规律特征

针对单向应力作用于地下采空区顶板的破坏规律特性问题，基于弹性薄板理论和压力拱理论，利用单轴压力试验机方法对顶板模型进行了试验，并探究了不同荷载条件下顶板模型的受压过程和变形特性。主要结论如下：顶板的破坏过程与峰值应力是否超过疲劳强度密切相关，超过疲劳强度时会出现加速破坏阶段；顶板的变形过程可以分为三个阶段，分别对应于不同的应力和应变变化规律；顶板的失稳破坏位置与荷载条件有关，周期荷载条件下更容易导致整体垮落塌陷；侧帮支撑作用对顶板的承载能力和稳定性有正面影响，但也会增加应力集中和变形。研究结果对于理解顶板在不同荷载条件下的力学行为和提高顶板的安全性具有重要意义。     

矿用重载双列四点接触球轴承接触特性研究

针对矿用重载双列四点接触球轴承的承载、接触、疲劳等方面的较高要求,以某型矿用重载双列四点接触球轴承为研究对象,运用有限元仿真软件ANSYS对轴承接触特性进行研究。研究结果表明:矿用重载双列四点接触球轴承等效应力、接触应力满足实际工况生产要求;轴承沿周向方向在不同区段,受载形式、大小、方向不同,对应的轴承接触载荷大小、方向也不同。该研究为矿用重载双列四点接触球轴承承载能力的提升、接触特性的改善、疲劳寿命的增加等方面提供了理论依据。