基于单向解耦法的等壁厚螺杆泵橡胶衬套热滞后研究

稠油开采中使用最广的普通丁腈橡胶的螺杆泵容易发生定子衬套的烧心穿孔失效,昂贵的氢化丁腈橡胶耐高温却没有确切的使用深度和截面参数选择依据。为解决以上问题,首先基于普通丁腈橡胶和氢化丁腈橡胶热老化和拉伸试验拟合了橡胶超弹性本构模型,然后使用单向解耦法分解滞后生热过程建立了一种新型有限元模型,最后使用研究了工作井深、过盈量和壁厚对两种橡胶材料等壁厚单头螺杆泵的滞后生热影响规律,并列出三种因素的正交表。研究结果表明,普通丁腈橡胶在70℃及以下工作温度（对应工作深度1667m）中性能优于氢化丁腈,使用该螺杆泵具有较高的性价比,然而它在高温环境会发生严重老化,是目前应用中发生烧心穿孔失效的主要原因;氢化丁腈橡胶在150℃的工作温度（对应工作深度4333m）才开始出现老化,比普通丁腈力学性能稳定,所以可靠性占优;由于液柱压力和橡胶老化作用,两种橡胶的定子衬套与转子之间的最大应力均随工作深度增加呈现先降低后增加的规律;随着过盈量的增加,螺杆泵密封性能提高,截面的最高温度呈开口向上的上升二次函数;橡胶衬套壁厚每增加2mm,内壁真实位移平均增加0.059-0.067mm,对应增长率28-19%,随着壁厚的增加,截面的最高温度呈开口向上的下降二次函数。综上所述,1667m是两种橡胶螺杆泵的使用分界线,过盈量取不漏失条件下最小值0.5mm,壁厚取不漏失条件下最大值12mm。研究结果为合理匹配定子橡胶衬套参数、优选定子橡胶材料以及提升螺杆泵全寿命周期工作性能提供理论支撑。     

异形PDC齿混合切削破碎花岗岩特性研究

针对常规齿PDC钻头在硬地层钻进中出现的磨损大,崩齿、碎齿严重等问题,各种异形齿被广泛用于钻头设计。为探究和优化单一齿形及混合齿形PDC钻头的布齿间距,提高PDC齿在花岗岩地层的破岩效率,进行了相同形状PDC齿组合切削破岩室内试验和平面PDC齿与异形齿混合布齿数值仿真实验。研究结果表明：在切削花岗岩且切深为1.0 mm时,平面齿组合的最优布齿间距为10 mm,斧形齿为12 mm,锥形齿为3 mm,三平面齿为11 mm。混合布齿组合中,“平面齿+斧形齿”的最优布齿间距为6 mm,“平面齿+锥形齿”为8 mm,“平面齿+三平面齿”为9 mm。在不同的组合中,包含三平面齿的组合其破岩比功最低,破岩效率最高。研究结果对单一齿形钻头以及混合齿钻头的齿形选择和布齿间距优化具有重要的参考作用。     

空气螺杆钻具定转子啮合动力学仿真分析

为研究空气螺杆钻具结构参数与其工作效率及使用寿命的关系,建立了空气螺杆钻具一个导程的非线性动力学模型。采用橡胶Mooney-Rivlin双参数模型,考虑橡胶衬套材料非线性、内压及转子惯性对橡胶衬套的作用,对空气螺杆钻具进行了动力学仿真。研究了过盈量、偏心距变化对空气螺杆钻具定子衬套应力应变和摩擦阻力矩的影响。结果表明,过盈量和偏心距的变化对空气螺杆钻具摩擦阻力矩及定子衬套所受应力应变均有影响,而过盈量变化的影响作用更加明显,合理调整过盈量和偏心距可以提高空气螺杆钻具的工作效率和使用寿命。     

材料及滚压方式对等壁厚螺杆钻具定子滚压成形的影响

对外径Φ73 mm,壁厚6.5 mm的等壁厚螺杆钻具定子进行滚压成形试验,使用双因素方差分析法和主效应图定量研究不同坯管材料及滚压方式对等壁厚定子成形质量的影响。采用DEFORM-3D软件模拟滚压成形过程,分析了坯管材料为45钢和42Cr Mo钢时滚压力、轴向力、加工应力和残余应力分布情况。结果表明:滚压方式对定子管导程影响较大,手动滚压后的导程误差均在15%以上,自动滚压后的导程误差均小于5%;坯管材料对定子管壁厚分布影响较大,45钢坯管滚压成形后的定子管壁厚分布较42Cr Mo钢均匀;45钢和42Cr Mo钢坯管滚压时所需的滚压力相差较大,分别在125和140 k N附近波动;轴向力数值基本相同,均在15 k N附近波动;45钢和42Cr Mo钢坯管的最大加工应力分别为580和1200 MPa,残余压应力峰值分别为87.88和104.52 MPa,且均分布在管壁外表面。因此,滚压成形等壁厚螺杆钻具定子时,坯管建议选用加工性能较好的45钢,滚压方式选用自动滚压。     

切削热对双台肩螺纹加工精度与连接强度影响研究

双台肩螺纹以其高抗扭能力,在钻井作业过程中得到广泛应用。然而双台肩螺纹加工精度要求高,致使国内很多厂家生产的双台肩钻杆螺纹接头达不到设计要求。切削热是影响双台肩螺纹接头加工精度的主要因素之一。为研究切削热对双台肩螺纹加工精度和连接强度的影响,建立了一种基于CAE协同仿真的方法:通过建立双台肩螺纹车削加工的有限元模型,分析其在加工过程中的温度场分布情况;然后建立双台肩螺纹接头的温度-变形模型,研究温度场对螺纹变形的影响,即加工精度影响;通过建立三维的螺纹接头有限元计算模型,评价切削热所引起的加工误差对双台肩钻杆螺纹接头连接强度的影响。通过研究得出,切削热引起的螺纹牙单侧面轴向变形约0.014 8 mm,该变形量将导致接头抗扭和抗拉性能下降30%,且大幅度降低了压缩载荷或弯曲载荷作用时的使用寿命。因此加工应考虑切削热的影响,提出了相应的改进措施,并计算了多种常用切削用量下的变形量。     

天然气水合物沉积物等效变弹性模量损伤本构模型

准确描述水合物沉积物的变形规律和力学性质是经济安全开发天然气水合物资源的重要前提。天然气水合物沉积物受到有效围压和水合物含量等多种因素的影响从而表现出应变软化和应变硬化两种力学特性。为精确描述其变形特性,基于复合材料细观力学混合率理论和岩石孔隙损伤理论,考虑岩石统计损伤,考虑水合物含量、围压和沉积物内部孔隙变化对天然气水合物沉积物力学性质的影响,结合水合物沉积物的微元强度统计分布规律,建立了天然气水合物沉积物等效变弹性模量损伤本构模型,并建立了全部参数的确定方法。与已有实验研究结果对比表明,该模型不仅可以很好描述水合物沉积物的变形规律和力学特性,且具有模型参数易于确定、便于使用的优点。所建模型可用于水合物沉积物破碎工艺选择中的破碎模拟和破碎成孔中的孔稳定性分析评估,对非成岩天然气水合物的经济安全开采具有一定推动作用。     

水平井钻柱动态摩阻扭矩计算与分析

国内近年的页岩气开采水平井井型主要有常规水平井、大斜度井和勺型水平井,为便于施工决策,有必要对上述3种井型的摩阻扭矩特性、钻压传递效率、重点关注井段或环节、极限延伸钻进长度等进行研究。为此,以上述3种水平井井型为分析对象,基于全井钻柱动力学模型和全井钻柱系统动态特性仿真计算,探究了其摩阻扭矩、载荷传递和延伸钻进情况,并在四川盆地长宁地区的3口对应井型页岩气井进行了现场应用实验。研究结果表明:(1)勺型水平井造斜段后半段的接触摩擦强度很高,造斜段后段接触强度是稳斜段接触强度的1.67倍,造斜段的总接触力是大斜度水平井的1.62倍;(2)大斜度水平井稳斜段的接触摩擦强度不仅高于造斜段,而且也高于相同井深的3种井型中的任一特征段;(3)3种井型延伸钻进中钻柱的工作应力都不大,但对于勺型水平井的弯曲段,延伸钻进时还需要重点关注稳斜段钻柱的扭断问题;(4)勺型水平井的钻压传递效率低于常规水平井和大斜度井。结论认为,该研究成果初步揭示了3种页岩气水平井井型的摩阻扭矩特性和主动载荷传递机理,指出了安全评估重点关注井段,对页岩气水平井的高效安全施工具有参考价值。     

岩石内部高压电脉冲等离子体通道生成机理

高压电脉冲钻井技术具有破岩效率高、井壁质量好等优点，是一种新型破岩方法。为研究岩石内部孔隙特性对其局部电击穿的影响，构建了多孔隙随机分布的多物理场耦合岩石电击穿二维数值模型，从电路场、电流场、击穿场和温度场耦合的角度实现了多孔隙岩石内部高压电脉冲等离子体通道生成及破岩全过程，主要研究了孔隙特征(即孔隙率、孔径大小和孔隙介质)和电极间距对岩石局部电击穿(即岩石内部等离子体形成)的影响规律。数值研究发现，岩石孔隙对电脉冲破岩效率影响较大，当孔隙内介质为空气时，孔隙发生电击穿，等离子体通道贯穿孔隙；当孔隙内介质为水时，孔隙没有被电击穿，等离子体通道沿着孔隙表面延展；随着孔隙率增大，电脉冲的破岩效果逐渐增强；随着孔隙介质水/气比值减小，等离子体通道生成时间减小，电脉冲破岩的效果逐渐加强；随着电极间距的增大，岩石电击穿时刻逐渐减小，岩石内部“电损伤”区域面积减小。通过开展电击穿破岩的室内实验，再现了电脉冲破岩过程及岩石内部等离子通道形态，电击穿实验结果和仿真试验结果相符合。