大庆油田古龙1井套管柱设计方法分析及优选

针对目前大庆油田最深的一口风险探井--古龙1井,为了使套管满足空气钻井和经济性需要,首次使用组合套管柱设计方法,同时在设计中对套管强度进行三轴应力强度校核,分析了套管强度设计的误差,给出一套新的安全经济的套管柱设计方法,为以后超深井套管柱设计提供了一个新的思路,对于指导设计与现场施工具有重要的意义.     

基于Web的套管柱强度设计软件研究与开发

钻井技术逐渐朝着深井、超深井方向发展,对套管强度设计提出了更高的要求。设计了基于Web浏览器和最新的三轴强度设计理论的套管柱强度设计软件,开发出了国内首套基于Web的套管强度设计软件。该软件不受限于用户的操作系统平台,无需安装客户端,实现了用户实时动态交互,保证了信息的时效性。给出了套管柱三轴强度设计计算方法,简述了软件的数据库设计、软件设计流程和系统架构。     

基坑围护结构温度应力分析

以弹性地基梁理论为基础，在基坑围护结构的分析中引入温度应力分布函数，建立了解析计算模型，提出了温度作用下的基坑围护结构计算方法。对温度变化时基坑围护结构的内力变化进行理论分析，为深基坑工程的设计与施工提供理论依据。     

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.     

地面钻井套管耦合变形作用机理

过力学分析构建了地面钻井套管的剪切和拉伸破坏模型,并对各参数的影响规律进行了分析,指出：套管拉、剪应力随套管壁厚的增加而逐渐减小,这一参数是改变套管应力条件的最容易控制参数;同时,构建了对钻井套管抗拉、剪安全性进行判断的拉、剪安全系数判识方法,以对钻井套管安全性进行评估。通过三维数值模型和晋城煤业集团成庄煤矿的地面钻井现场工程试验数据对建立的理论模型和规律进行了验证,证明了模型和规律的正确性。     

轴向冲击器设计计算及有限元分析

针对深井、超深井岩石硬度大、研磨性高导致的钻速慢、钻井周期长的问题,提出在深井、超深井钻井中采用新型液动旋冲钻井技术。设计了一种基于涡轮组驱动的新型轴向冲击辅助破岩工具,通过阀板和传动短接端面的错开—咬合产生高频冲击。对危险截面进行了强度计算,结构均满足强度要求。利用SolidWorks软件的Simulation插件分析了关键部位的应力及应变分布情况,中心轴和阀板—传动短接在受到最大设计载荷时的安全系数分别为1.894和2.370,设计安全可靠。阀板—传动短接的应力分布过于集中,低应力值的分布相对较广,存在一定结构冗余。强度计算及有限元分析为后续的结构优化设计提供了参考依据。     

煤矿瓦斯抽排井套管强度校核计算方法探讨

近年来在煤矿安全生产中瓦斯抽排井得到越来越广泛的应用。这类井施工周期长、难度大、要求高,再加上套管直径大、总质量大、施工和套管的成本费用也很高,据所掌握的工程资料,国内已有数口井在施工过程的不同环节发生了不同形式的套管挤毁事故,造成整井报废,损失惨重。以某瓦斯抽排井下套管过程中工作套管发生严重挤毁事故为例,对其受力情况进行了深入分析,并在此基础上对大直径套管三轴应力强度校核计算方法作了详细论述。通过与传统单轴应力强度计算方法进行对比分析认为,套管三轴应力强度计算结果更准确科学,采用三轴应力强度计算方法指导前期套管设计,工程质量更加安全可靠,值得推广应用。     

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。     

岩层倾角对钻井套管剪切变形的影响分析

针对钻井套管剪切破坏问题,基于煤层开采的上覆岩层移动规律,采用ANSYS数值模拟软件建立钻井套管剪切变形的有限元模型,模拟分析了不同的岩层倾角对钻井套管剪切变形区域应力分布的影响。研究结果显示:套管发生剪切变形后,剪切面由原始的圆形变为椭圆形,且椭圆长轴端点区为剪应力的应力集中区;岩层倾角增大会造成套管剪应力的应力集中区面积增大,且应力集中区最大剪应力也在逐渐增大。     

夯管锤结构优化设计及有限元计算分析

对YH-300A型夯管锤的工作过程建立了力学模型及优化设计的数学模型，利用复合形法，以冲击功的倒数作为目标函数，对结构进行了优化设计．并对原设计进行了冲击功和冲击频率的计算。经过优化设计并同原设计进行对比，冲击功提高19％，冲击频率略有提高。同时，对其活塞进行了有限元计算，对原设计和优化后的活塞进行有限元分析均表明，除冲击面的应力较大外，最大应力均发生在活塞的进、排气孔处。因此，在应用应力波理论进行强度校核的同时，还应该利用有限元法进行强度校核计算．以补充应力波理论在强度计算应用方面的不足。     

屋面板与砖砌体的温度应力及裂缝机理分析

通过对砖混结构房屋在温差作用下的温度应力进行分析,得到了约束应力的理论计算表达式.结合工程案例对屋面顶板和砖砌体内各自存在的内应力进行了计算,解释了砖混结构房屋裂缝形成的机理.计算结果表明,由于温差的作用,会在两种不同的材料中产生温度变形,但这种变形受到结构之间的相互制约,屋面板和砖砌体就处于不同的应力状态.当其主拉(剪)应力超过材料的抗拉(剪)极限强度后,就会产生裂缝.为防止此类裂缝的产生,针对不同类型的裂缝提出了采取"抗"与"放"的措施.     

温度及应力对黏土岩渗透损伤特性的影响

为了探索温度及应力对黏土岩渗透和损伤特性的影响,从试验和理论模型出发,开展了黏土岩在不同温度及应力环境下的强度、变形特征,以及渗透特性和损伤演化过程的研究。研究结果表明:温度对黏土岩具有明显的损伤劣化作用,温度越低,围压越高,黏土岩的强度越大;相同围压下,温度越高,相应的渗透性越强,相同温度下渗透率随围压升高而减小;黏土岩的渗透系数随应力加载经历了"减小—增大—略有回落"3个阶段,体积应变拐点是渗透性由减至增的分界点;温度越高,围压越小,"实损伤"发展越快。基于试验结果,建立了温度—渗流—应力三场耦合计算本构模型,该模型能较好地模拟各温度及应力环境下黏土岩的渗透变化过程。     

深井回采巷道围岩破坏机理影响因素及FLAC3D模拟

对影响巷道围岩稳定性因素如围岩自身结构特点、围岩应力、支护形式等进行了初步分析,简要介绍了FLAC3D软件,并运用FLAC3D软件依照实际情况建立巷道围岩的数值模型,计算得出巷道围岩掘进及回采期间的垂直应力分布图,通过分析巷道掘进及回采期间不同的围岩应力分布图揭示了深井回采巷道围岩应力变化特征,以期为今后深井回采巷道支护生产实践有一定的指导作用.     

深厚表土层井壁温度竖向附加应力分析

深厚表土层竖井井壁破裂是严重危害煤矿生产的地质灾害。温度作用是导致井壁内竖向应力增大而诱发井壁破裂的一种重要因素。为了分析深厚表土层立井井壁因温度作用产生纵向膨胀对井壁受力状态的影响,在分析井壁与土体相互作用的基础上,根据热力学和弹性理论建立了井壁和土体剪切作用的弹塑性模型,推导了井壁温度竖向附加应力的计算公式。进一步分析表明：井壁内温度竖向附加应力随深度呈不断增大的趋势,并在基岩附近达到最大值;温度竖向附加应力随着弹塑性剪切段分界点的深度近似呈线性增加。这些结论有助于加深对深厚表土层井壁破裂机理的认识,并对井壁破裂预防治理具有理论指导作用。     

型煤渗透率随温度和有效应力变化的实验研究

为得出温度和有效应力对型煤渗透率的影响规律,采用自制加工的渗透实验装置,在不同温度和有效应力条件下进行型煤的渗透实验。从实验数据的图像看出,恒定温度时,型煤渗透率随着有效应力的增加而递减;恒定有效应力时,型煤渗透率随温度的升高而减小。通过对实验数据进行拟合,发现型煤渗透率与温度和有效应力均呈指数函数变化规律。因此,现场实际应用中,需要综合考虑温度与有效应力对煤层渗透率的影响。     

深厚表土地区地面瓦斯抽排钻孔套管设计

为了研究深厚表土地区地面瓦斯抽排钻孔套管设计,从模型的建立、套管工作荷载的选取、套管稳定性计算公式选择等方面进行了研究。结果表明:从永久使用方面考虑,套管受力模型和钻井法井壁相似,故可参考钻井法井壁结构设计,对其使用阶段所受的荷载进行考虑;根据薄壁圆筒理论,从受力的角度分析指出瓦斯抽排钻孔套管使用高强度钢材不合理;从受力和施工等方面考虑,深厚表土地区地面瓦斯抽排钻孔护壁套管和工作套管的安全系数应进行不同考虑。     

Genetic Algorithm-based Optimized Design Method for Casing String

针对复杂地质条件下套管外载荷多变的特点,建立了基于遗传算法的套管柱优化设计方法。应用遗传算法理论,确定染色体编码方式、初始种群的产生方法、染色体评估函数及遗传操作,建立基于遗传算法的套管柱优化设计模型,从而克服了传统套管柱设计方法在复杂地质条件下套管柱强度设计中运算过程复杂,无法兼顾套管成本与风险因素的缺点。对普光气田某井套管柱进行的设计验证情况表明,该方法设计结果准确可靠,既提高了套管柱可靠性,又有利于降低成本。该项研究为复杂地质条件下优化套管柱设计提供了新的方法。     

西部地区钻井井壁预制施工早期温度-应力场演化特征分析

为防止西部地区预制钻井井壁冬季施工出现裂缝现象，开展了钻井井壁预制施工的早期温度-应力场演化特征研究。首先，以西部地区可可盖煤矿中央回风立井钻井法凿井工程为背景，基于FLAC^3D软件，建立了内层钢板混凝土复合钻井井壁结构早期温度-应力场数值分析模型。通过模拟现场施工工况，获得了井壁早期温度应力的分布规律，确定了易出现早期温度裂缝的高风险区；然后，根据模拟计算结果，采用极差分析方法，获得预制钻井井壁早期温度应力影响因素从大到小依次为：对流散热系数、环境温度、混凝土强度等级。现场实测结果表明：模拟计算得到的温度分布规律与工程实测较为一致。     

非均匀椭圆载荷下套管抗外挤能力分析

目前大多数油井套管的损坏很大程度上是由非均匀载荷引起的,外载荷的非均匀性等因素大大降低了套管的承载能力,为此,揭示这些因素对套管抗挤能力的影响具有重要的实际意义。根据非均匀椭圆载荷作用下套管的受力特点,利用材料力学理论建立了理想套管的环向应力计算模型,分析了套管的应力分布规律,结果表明:套管承载的危险点为圆周方向与最大水平地应力成90°夹角的内壁上,与有限元数值模拟结果有着很好的一致性。并以危险点应力状态为依据,得到了套管在不同的非均匀载荷下的等效外挤压力计算的新公式。计算结果表明,椭圆载荷中的非均匀部分对套管等效外挤压力影响极大;外载荷非均匀度越大,径厚比越大,套管承受外挤载荷能力越差,越容易发生挤毁失效。     

深部岩体力学中软岩多孔介质模型的研究

软岩是复杂的多相体系,存在着内在的不均匀性和孔隙性。岩体工程进入深部后,软岩进一步增加,表现出"三高一扰动"的特点,传统的岩石力学研究方法中多把软岩抽象为连续介质,忽略其不连续和不均匀性,且不考虑深部环境中温度和孔隙压的影响。本文将其视为多孔介质,从定义出发,引入动态孔隙度模型,并论证了假设的严密性,同时,考虑温度和孔隙压的影响,推导出修正的有效应力通式,最终建立了适合深部环境的软岩多孔介质模型。