钻机绞车滚筒多层缠绕系数

对钻机绞车滚筒的多层缠绕系数作了分析,提出了多层缠绕系数主要受钢丝绳径向变形量影响的新观点。     

带封隔器的油套合压管柱油管临界排量计算

为防止油套合压过程中封隔器因承受较大活塞力而发生移位,开展了保证封隔器不发生移位的油管临界排量计算研究。通过管柱受力分析,建立了压裂管柱轴向力计算模型,利用有限元分析软件模拟了封隔器胶筒的锚定力。根据压裂管柱所受轴向力与锚定力的关系建立了保证封隔器不发生移位的油管临界注入排量计算模型。通过计算得出:当地层破裂压力梯度为2.1 MPa/100m时,井深2 000.00 m处φ60.3,φ73.0及φ88.9 mm油管的临界排量分别为0.965,0.810和0.470 m3/min;而在井深3 000.00 m处,3种尺寸油管的临界排量分别为1.120,0.985和0.680 m3/min;临界排量随井深增加而增大,随油管尺寸增大而减小;在选取的地层破裂压力梯度范围内,地层破裂压力梯度为1.8 MPa/100m时,φ88.9 mm油管的临界排量最小,为0.46 m3/min。研究结果表明,油管排量大于临界排量可有效防止封隔器发生移位,有助于确保油套合压过程中压裂层位和压裂深度的准确性。      

连续油管管内摩擦压降计算模型与敏感性分析

连续油管压裂作业过程中,压裂液除了在连续油管井下直管段流动,同时也会流入缠绕在滚筒上的那部分连续管,螺旋段的流动非常复杂,现有模型的计算结果与工程实际有一定的差距,基于流体力学基本原理,结合直管段摩擦因数公式和螺旋段几何特征,给出了连续油管螺旋段摩擦因数的一般关系式,最后经理论推导建立了完整的连续油管压裂作业管内压降的计算模型。分析了连续油管管径、滚筒直径、排量、黏度和流性指数等参数对管内压降的影响规律。结果表明:该模型的计算结果精度较高;相同条件下,螺旋段的压降总是大于直管段的压降;连续油管管径对压降的影响最大,管径增大近1倍,压降却减小了13倍,而滚筒直径对压降的影响最小,选择不同的滚筒直径,压降几乎未发生变化。     

注气井中油管轴向位移计算比较分析

为了确定油管在正常作业、注入措施作业中封隔器的坐封位置、轴向位移补偿量以及判断封隔器是否解封,根据弹性力学理论得出了不同条件下油管柱的轴向位移量,综合考虑了在不同工况下由活塞效应、螺旋弯曲、径向压力、温度变化、松弛力以及摩阻等因素引起的油管轴向位移;同时考虑了在注气油管内气体的横向压力效应,运用VB语言编制程序,将各自计算结果进行了比较分析。结果表明,在注气油管内考虑横向压力效应时与常规油管长度计算油管轴向位移有明显差异;油管内液体流动引起的油管轴向伸长与注入速度的平方成正比,在注入速度过大时对轴向位移有明显影响。     

基于赫—巴模型的微小井眼钻井连续油管内钻井液流阻计算分析

微小井眼连续油管(CT)钻井技术具有诸多优点,但微小井眼尺寸小,导致钻井液流动空间小、排量较小、返速较高、循环损失较大,限制了该技术的推广使用。为解决微小井眼CT钻井循环钻井液流阻过大的问题,基于赫—巴模型,结合微小井眼CT钻井的特点,计算了CT内钻井液流阻,探讨了CT内钻井液流阻与钻井液平均流速、CT长度或井深、CT内水眼直径、滚筒直径等参数的关系。研究结果表明:①滚筒上CT内流阻随钻井液流速增大而呈线性增加且增加幅度更大,使用小排量进行钻进能降低滚筒上的流阻;②滚筒上和井筒中CT内钻井液流阻均随CT的长度增加呈线性增加,而随着CT内水眼直径增加呈线性减小,钻深井时,可使用大管径进行钻进;③CT内钻井液流阻受滚筒直径的影响很小,但随钻井液的流速增大呈线性增加,因此当滚筒上缠绕的CT较长时,可使用多个滚筒进行缠绕,以降低滚筒上CT内钻井液流阻。结论认为,寻找控制和减小微小井眼钻井CT内钻井液流阻的方法和优选适合CT钻井的相关参数,有助于加快该技术的推广应用。     

多工况连续油管疲劳寿命预测方法研究

连续油管作业过程中经历复杂工况，现有研究方法大多仅考虑了单一工况，使得连续油管的疲劳寿命难以准确预测。为提高连续油管疲劳寿命预测的准确性，通过考虑连续油管作业在多工况条件下的特点，依据Manson-Coffin模型、Miner法则及中性层假设，建立含磨损、冲砂、疲劳损伤的连续油管疲劳寿命判断依据；开展连续油管疲劳性能试验，获得CT110连续油管的疲劳寿命模型关键参数；基于连续油管的使用档案，进行了某使用日历下连续油管疲劳寿命算例分析，形成多工况连续油管疲劳寿命预测方法。结果表明：在给定使用日历下，?50.8 mm×4.4 mm CT110连续油管的理论起下作业次数为11次，进行10次作业后连续油管极限载荷为645 MPa,与未使用时相比损失了17%;随着作业次数增多，连续油管寿命明显降低，其截面极限载荷呈下降趋势。本文所研究的多工况连续油管疲劳寿命预测方法为连续油管在实际使用过程中疲劳寿命预测及降级使用提供技术指导。     

内压筒体绕丝止裂设计

介绍了含轴向外表面裂纹的内压圆筒用预应力钢丝缠绕止裂的设计原则,分析了钢丝预紧力与绕丝层数的关系,同时还讨论了该两参数的合理选择及计算机设计程序。     

复合材料缠绕修复管道的应力分析

非金属缠绕管道修复是在役管道受损后的一种主要修复方式,对于保障油气管道的平稳安全运行具有十分重要的意义。基于组合薄壁圆筒的力学分析理论,推导出了管道修复厚度的计算公式,并考虑缠绕材料的各向异性建立了缠绕修复管道的有限元分析模型。分析结果表明,缠绕层对附近管体的应力状态影响不大,只要修复厚度和修复长度合适,就能够完全恢复管道的承压能力。缠绕层在管道缺陷区域屈服以后能起到明显的承载作用。增大缠绕层厚度,可降低管道和缠绕层中的环向应力;而当缠绕层厚度小于最小修复厚度时,即使加大修复长度也无法完全恢复管道的承压能力。最后,对基于有限元法和解析方法得到的缠绕层厚度和长度进行了对比,结果表明,缠绕层厚度的计算公式偏于安全,可用于管道修复缠绕层的设计计算。     

井下螺旋轴流式多相混抽泵轴向力计算及平衡

准确地计算井下螺旋轴流式多相混抽泵的轴向力并合理有效地平衡轴向力是该泵推广使用的关键。为此,对混抽泵的轴向力进行了分析计算,提出了平衡轴向力的具体方法,并通过试验验证了平衡方法的可行性,总结出轴向力的变化规律。认为产生轴向力的主要原因是叶轮前后两侧的压差、流体动反力及叶轮自重。提出轴向力的平衡方法有浮动叶轮法、集中止推法、平衡孔法及平衡孔加浮动叶轮法。研究结果认为,轴向力随含气体积分数和流量的增大而减小,其计算值和试验值的误差约为5.17%。最后指出轴向力计算方法和平衡方法具有较高的可靠性。     

油管柱在套管中的屈曲行为试验研究

油管柱在套管中的屈曲行为对油气生产有重要影响。依据相似理论,采用1:10的比例尺以缩小的油管、套管模型进行了3组试验,安装分别为:①油管和套管上下同心; ②油管上部偏心2.5 mm; ③油管上下都朝同一个方向偏心2.5 mm。每次试验时都在油管的一端连续施加轴向载荷,测试油管另一端的轴向载荷。分析不同条件下摩擦力的变化,研究结果表明:管柱受压屈曲会导致摩擦力增大; 管柱相对套管的偏心对轴向力的分布影响很小; 证明了管柱力学分析理论中轴向力计算时油管与套管同心的假设是合理的。     

井下连续管轴向力及其影响因素分析

针对连续管在井眼中的受力特点,考虑连续管自重、井壁支反力、井壁对连续管的轴向摩擦力、连续管内外流体压力和粘滞阻力、井斜角、方位角以及流体对连续管的浮力等对连续管力学行为的影响,建立了井下连续管轴向力分析模型。编制了相应的力学分析软件,并结合具体的作业工况,对连续管轴向力及其影响因素进行了深入分析。计算结果表明,摩擦因数、连续管尺寸改变了连续管轴向力的分布,井眼尺寸对其轴向力的影响很小。该分析方法与分析结果可用于指导现场连续管井下作业的设计与施工。     

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。     

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。     

热塑性复合柔性管力学模型与铺层角度研究

热塑性复合材料柔性管(TCP)以其强度高、质量轻及耐腐蚀等优势逐渐成为传统钢制管道的替代品。TCP管的截面结构从内到外主要分为3层:内衬层、增强层和外保护层,通过热熔工艺粘合在一起形成完全粘结的实壁管道。研究了TCP管在多种载荷组合作用下的力学行为,建立了基于三维各向异性弹性理论的多层管结构的应力应变求解公式,并通过有限元仿真软件ABAQUS验证了理论公式的准确性。针对TCP作为井下连续管的应用工况,利用三维Tsai-Wu失效因子表征管道增强层各层的失效程度,对比了5组不同的铺层角度组合,研究了0°和90°铺层角度对管道承受较大拉伸载荷和内压载荷组合的影响。研究结果表明,增加0°铺层角度可以提高TCP管的轴向强度,同时减小面内剪切力,可以有效提高TCP连续管的承载性能。研究结果可为热塑性复合材料柔性管生产提供参考。     

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。     

连续管注入过程弯曲回弹分析

连续管抽出卷筒以及进入注入装置的生产过程中,经历了一系列的弯曲与回弹。采用应力学方法对连续管弯曲回弹进行了相关分析,根据材料特性,重点对连续管弯曲后成塑性进行了研究。推导出了计算连续管弯曲回弹处于弹性变形阶段的最小弯曲半径的计算公式。公式表明,连续管弯曲回弹最小弯曲半径与壁厚成反比,与外径成正比。最后指出,得到的计算模型可以为连续管现场应用提供一定的理论依据。     

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。     

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。     

连续管幂律流体流动及压降影响因素分析

幂律流体是石油工程领域应用非常广泛的非牛顿流体,为了研究其在连续管螺旋管段的复杂流动状况和压降变化,基于Fluent软件模拟了幂律流体在螺旋管内的流动,分析了管径、滚筒直径、入口速度、流体密度、流体稠度系数以及幂律指数对压降的影响,得到了截面上的压力和速度分布,总结出了螺旋管压降随各个参数的变化规律:在直管段截面压力和速度呈同心圆状规则分布,而在螺旋管截面压力和速度则向外凹陷;螺旋管的湍流核心区较直管段减小,说明曲率增大导致黏性力的作用范围变大;油管压降随入口速度、流体密度、稠度系数和幂律指数的增大而增大,其中幂律指数的影响比稠度系数大得多;压降随管径的增大而减小,滚筒对压降的影响可以忽略;当流速很高时,为了减小压力损失,保证平稳流动,应在保证所需井下压力的基础上选择管径稍大的油管。研究结果可为现场确定连续管和流体的相关参数提供理论指导。