径向夹持载荷作用下海洋柔性管骨架层的静力特性研究

骨架层径向压缩失效是海洋柔性管的主要失效形式之一。为了分析海洋柔性管骨架层在径向夹持载荷作用下的力学特性,基于ABAQUS建立了考虑材料非线性的骨架层数值模拟模型,得到了层间相互作用和压块数量对骨架层径向压缩时力学特性的影响。计算发现:当施加相同载荷时,考虑骨架层层间滑动将增大骨架层径向压缩位移;压块数量是骨架层径向压缩特性的重要影响因素,压块数量越多,骨架层径向压缩刚度越大,许可径向压缩力越大,但许可径向压缩位移越小;压块数量超过4个时,压块数量对骨架层径向压缩特性的影响逐渐减小。研究结果表明,给出的数值方法能有效计算柔性管通过不同压块数量的张紧器时,柔性管不发生过度变形的最大加载位移和最大夹持力。      

材料力学理论在圆杆截面优化中的简单应用

当固定圆杆横截面积时,如何设计杆件的横截面可使其具有较强的抵抗失效与破坏的能力?针对这一问题,通过研究拉压、扭转和弯曲等载荷形式,分析了截面形状对圆杆强度、刚度和稳定性的影响。结果表明,杆件截面形状与尺寸的变化对其强度、刚度和稳定性具有很大的影响。     

KWQ-216型地面可控井下变径稳定器

地面可控井下变径稳定器可以对井眼轨迹进行有效的控制与调整,以其成本低、控制效果好等特点在国外已规模应用,国内已有成功应用案例,但远未普及。介绍了地面可控井下变径稳定器工具的结构组成和工作原理,利用CAE技术对KWQ-216变径稳定器的壳体和弹簧座销等易失效部件进行了安全性分析,工具的工作安全性较高。介绍了与该工具配套使用的钻具组合。该工具通过地面开停泵液压式控制和井下机械式机构锁紧,变径准确可靠,操作简单方便,科学使用可变径稳定器可以经济、精确地控制井斜角和方位角,提高井身质量,缩短钻井周期。     

扭转冲击钻具设计与室内试验

常规钻具在钻硬地层时机械钻速低,钻头失效快,钻井成本高。为此,设计了扭转冲击钻具。该钻具可将流体的液压能转换成扭向的、高频的机械能并直接传递给PDC钻头,给钻头施加周期性的低幅高频扭转冲击,当与钻柱稳态扭矩相结合时,能对钻头施加高效的破岩扭矩,大幅减小或消除钻头的粘滑振动,在保证井身质量的同时提高机械钻速,延长钻头寿命。对扭转冲击钻具的关键部件——扭转冲击副的运动可行性分别进行了仿真分析和室内试验。结果表明,扭转冲击副运转顺利,滑动块与传动轴周期性的碰撞可对传动轴施加周期性的低幅高频扭向冲击。     

PDC钻头粘滑振动机理分析

建立扭转摆理论分析模型及钻头的运动方程,分析钻头粘滑振动的边界条件,研究钻头的运动形式及粘滑振动机理与影响因素。结果表明:钻头切削岩石时主动扭矩的循环积聚与释放以及钻柱与井壁的摩擦是引起粘滑振动的主要原因;钻头不稳定的受力是造成PDC钻头失效的主要原因。粘滑振动与钻井参数、地层特性、钻具参数及钻井液性能等有关,调整钻井参数,或使用水力加压器、扭转冲击器等工具可以减少振动。     

石油钻井工具用非标碟簧力学特性研究

石油钻井工具常使用非标碟形弹簧缓冲振动,基于大变形弹塑性理论,使用有限元法分析了118 mm非标碟簧在加载过程中的力学特性。分析结果表明,随碟簧压缩位移增加,VonMises应力、周向应力、轴向应力、轴向变形量、周向变形量和厚度t轴向变形量呈非线性增大趋势。压缩位移小于2.5 mm时,碟簧未出现塑性变形;压缩位移为2.5 mm时,周向应力、轴向应力、轴向变形量和厚度t轴向变形量剧增,且碟簧发生塑性变形。对碟簧进行了刚度试验,压缩位移小于0.47 mm时碟簧刚度约为0.66 kN/mm,压缩位移大于0.47 mm时碟簧刚度值约为2.74kN/mm。结合数值模拟结果,建议单片碟簧的工作载荷应小于6.02 kN。该项研究结果表明,有限元法和碟簧刚度试验测定相结合,可以分析非标碟簧的工作力学特性,确定非标碟簧的最大工作载荷,为其科学使用提供依据。     

直井测斜仪阀头流场及冲蚀特性研究

直井测斜仪在井下恶劣环境中流场特性复杂,尤其阀头部分容易发生冲蚀磨损。建立直井测斜仪阀头三维模型,并对其流场和冲蚀特性进行有限元仿真分析,其中阀头流场区域中间段作网格加密处理。结合现场工况参数,采用质量流量入口及压力出口来完成边界条件设置并求解。结果表明最大速度及最大湍流效应发生的位置在钻井液通过导流套的节流入口处,最大湍流速度为15.8 m/s。分析离散相模型的粒子运动轨迹,发现存在于阀头表面上方的粒子出现明显堆积与反弹现象,对阀头表面有一定的冲蚀效应。分析阀头表面所受到的静压力云图和剪应力云图,应力集中现象分别出现在阀头直接受钻井液冲击处和阀头流通钻井液的凹槽处。将求解结果与现场试验情况对比,验证了仿真的可行性及准确性。研究结果可解释直井测斜仪中阀头的失效现象,并为阀头的结构设计或优化提供依据。     

刚性满眼钻具组合模态分析研究

应用非线性有限元分析软件研究了中上部井段常用的2种311mm(1214英寸)刚性满眼钻具组合的固有振型、频率和峰值应力。结果表明,随钻具组合长度的增加,各阶模态频率显著降低,并在160m之后降势变缓;上扶正器之上的第1切点将下部钻柱封隔成一个相对独立的系统,其到钻头的距离应作为模态的临界计算长度。刚性满眼钻具组合的中高阶振型表现为空间弯曲形态,高阶振型对应的峰值应力均超过钻柱材料的屈服强度,钻井工程中应特别注意避免高阶共振;设计刚性满眼钻具时可适当选用小规格外径的钻铤,在不改变固有频率的前提下,降低共振时的峰值应力,可延长钻具寿命。     

GQX121型小井眼取心工具研制

:随着油气钻井往超深井小井眼方向发展,取心目的层的工况也变得愈趋复杂,常规取心工具无法满足复杂地层条件下的深井取心要求。以现有常规121型取心工具为基础,研制出具有高强度的GQX121型小井眼取心工具。介绍了该工具的结构和工作原理。通过数值模拟分析,校核外筒强度,进行心轴流场特性分析,校核连接螺纹强度。现场应用表明,筒体强度符合规范要求。心轴的分流孔设计为斜孔,使得钻井液在流经分流孔过程中的流速能够平稳过度,避免对流道造成冲蚀。与现有常规取心工具的连接螺纹相比,GQX121型小井眼取心工具的特殊锥螺纹具有更高的强度。     

高频扭转冲击钻进的减振与提速机理研究

高频扭转冲击钻井是一种能大幅提高钻井效率的新兴钻井技术,但由于对其破岩机理认识不清,使得高频扭转冲击钻井技术未能在国内推广应用。基于弹塑性力学和岩石力学,采用Drucker-Prager准则作为岩石的本构关系,塑性应变作为岩石破碎的失效判据。通过有限元方法建立全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维仿真模型,分析了高频扭转冲击作用下硬地层中钻头的动态破岩过程。结果表明,高频扭转冲击钻进硬地层时拉应力与压应力区域交叉出现且以拉应力为主,较以压应力为主的常规钻进可大幅提高钻头的机械钻速;高频扭转冲击钻进有效地减弱了硬地层中钻头处的粘滑振动,大大地提高了钻头的破岩效率。研究成果有助于深化对高频扭转冲击破岩的认识,为高频扭转冲击钻井技术的应用提供理论依据。