连续管夹持力学特性研究

研究连续管夹持状态下的力学特性,对夹持块设计和优化,确定最优夹紧压力等具有重要意义。建立了夹持块-连续管系统力学模型,分析了连续管在夹持状态下内部应力和表面正压力分布规律,探讨了连续管夹持椭圆系数和壁厚对连续管夹持力学特性的影响。研究结果表明:连续管与夹持块之间的正压力随夹持椭圆系数增大而增大,接触面积随夹持椭圆系数的绝对值增大而减小;当夹持椭圆系数大于3.2%时,需要调整夹紧压力或更换夹持块来避免连续管表面受损;夹持椭圆系数为0.8%时,连续管应力最小,且表面正压力较大;壁厚越大的连续管,夹持椭圆系数对其夹持力学特性的影响越大。研究结果对夹持块设计优化、确定夹紧压力以及提高注入头可靠性等具有积极意义。     

注入头夹持块夹持性能研究及结构优化

夹持块是注入头的核心部件,对注入头整体可靠性具有至关重要的影响。为了探讨注入头夹持块的夹持性能,基于非线性接触理论,建立了夹持块夹持力学模型,从正压力、连续管应力及管径偏差适应性等方面综合分析了夹持块性能,并提出一种高效率弹性夹持块。研究结果表明:常规夹持块正压力和效率随其与连续管外径偏差的增大而降低;同常规夹持块相比,弹性夹持块平均正压力提升20%～37%、接触面积提升6%～10%,效率提升35%～57%;弹性夹持块沟槽和底部壁厚具有一个最优值,基于选用的分析参数,建议槽宽取值40～60 mm,底部壁厚取值8～10 mm。理论分析结果与试验结果非常接近,有助于注入头和夹持块的优化设计。     

连续管在注入头多种夹持方式下的受力分析

连续管作业机在现场作业时,连续管在传送过程中受到的压紧力会使管体形成一定的椭圆度,影响了连续管的工作性能。研究了连续管在双向夹持、3向夹持和4向夹持等3种夹持状态下的受力和变形,并应用Pro/Mechanica对连续管的应力大小及分布进行了分析,计算了连续管的变形量,指出采用4向夹持方式连续管产生的椭圆度仅为0.26%,最大应力为330.3 MPa,远小于其他2种夹持方式,因此连续管的性能可以得到更大程度地发挥。     

连续管注入头夹持块结构优化研究

注入头是连续管装备中控制连续管上提和下注的主要装置,而夹持块是注入头与连续管直接接触的关键部件,结构合理的夹持块不仅能满足注入头作业质量要求,而且对连续管的伤害也较小。以夹持块和连续管的接触模型为研究对象,探索夹持块结构参数与连续管应力和变形之间的变化规律。研究结果表明,夹持块采用圆弧形结构可减轻对连续管的伤害,圆弧形夹持块的组合式设计可缩短其更换而造成的停工时间;当夹持块圆周包角在160°～175°、内径在88.75～88.90 mm范围内取值时,连续管的应力和变形情况均较好,夹持块的夹持能力也较强,能够收到较好的优化效果。     

连续油管注入头V形夹持块的角度优化

为降低连续油管在注入过程中的损伤,延长其使用寿命,需要优化其在起下作业过程中的受力。针对连续油管注入头中的V形夹持块,取9组角度值,采用数值模拟的方法研究了夹持块取不同V形角度值时对应的连续油管的最大受力情况。通过试验台试验,验证模拟结果。利用BP神经网络将9组数据进行拟合,得出V形夹持块的最优夹持角度为60°。为连续油管作业机设计提供理论指导。     

连续管夹持力学模型初探与有限元分析

分析夹持块与连续管的作用机理、研究两者的应力分布规律对降低其疲劳破坏和延长其使用寿命具有重要意义。对夹持块内连续管力学模型的建立做了初步探索,以弹性力学经典厚壁筒理论为基础,计算出夹紧段连续管内、外壁应力,同时采用分析软件ANSYS对夹持块与连续管进行了接触非线性有限元分析,并对两者的计算结果进行对比。分析结果表明,夹持块夹紧力均匀分布的假设不正确,采用API常规力学模型计算连续管应力误差显著;在精确有限元接触模型及准确的边界条件和初始条件的前提下,采用接触有限元法可以得到比常规计算方法更为精确的结果,并可直观了解夹持块和连续管的应力状况。     

环境介质及表面结构对夹持块摩擦性能的影响

连续管注入头夹持块在使用过程中表面会粘附钻井液、原油和石蜡等井下介质,从而对夹持块摩擦性能造成影响,另外夹持块表面结构形式的不同也会对摩擦性能造成影响。为此,用自行设计的测试设备对夹持块与连续管在不同条件下的当量摩擦因数进行测试及分析。分析结果表明,对于光面夹持块,在无介质条件下,其当量摩擦因数为0.443;原油对当量摩擦因数影响较小,石蜡对夹持块摩擦性能影响最大,其当量摩擦因数下降至0.074;对于无介质环境下的表面刻槽夹持块,齿宽和槽宽越窄,夹持性能越好;在石蜡环境下,23型夹持块有效减少了接触面上的石蜡,摩擦性能大幅度提高。     

基于Abaqus的油管悬挂器锁紧机构接触分析

利用Abaqus有限元软件对普通C形卡环、带圆角C形卡环和卡块式3种不同的油管悬挂器锁紧机构在锁紧过程中所受的应力进行了分析。在分析时切向接触条件使用Conlomb摩擦模型,限制了卡环竖直方向的自由度,只允许卡环在水平面有位移。分析结果表明,普通C形卡环式锁紧机构的应力最大,卡块式锁紧机构的最大应力最小;带圆角的C形卡环应力分布比普通C形卡环更为均匀,过渡更为平缓;卡块式锁紧机构的最大应力明显小于卡环式锁紧机构,若能在卡块与推动环接触处增加圆角,则能进一步减小应力集中,降低最大应力值。     

注入头链条传动中各夹持块提升力的分布

连续管在作业过程中,依靠注入头链条带动夹持块夹持连续管进行起升和下入操作,各夹持块提升力的均衡对安全作业和防止连续管损伤有重大意义。鉴于此,分析了连续管-夹持块-链条传动结构,在假定夹持块和连续管之间无滑移情况下,提出了连续管-夹持块-链条力学模型,分析了夹持块与链条之间连接的线性弹簧和非线性弹簧对夹持块载荷均衡的影响。分析结果表明:具有开平方和开立方函数的弹簧更利于载荷均衡,软弹簧也有利于载荷均衡,但软弹簧可能造成连续管较大的振动激励。研究结果可为设计更加合理的连续管注入头以及正确维护和操作连续管注入头奠定理论基础。     

碳纤维连续抽油杆夹持技术

碳纤维连续抽油杆(简称碳纤维杆)具有质量轻、抗拉强度高和抗腐蚀性强等优点,用于深井、超深井和腐蚀性油井可大大降低能耗、提高采油效率,但是由于碳纤维杆的抗剪能力差、表面摩擦因数低,已有的碳纤维杆夹持系统提升力不足、伤杆断杆等问题突出,大大影响了碳纤维杆技术的推广应用。为了解决碳纤维杆的夹持难题,开展了碳纤维杆的基础性能评价、夹持摩擦副材料开发、表面结构及介质影响配套夹持系统试验等方面的研究工作。通过试验对比研究,优选了碳纤维杆的夹持摩擦副材料和夹持表面结构形式,提高了对碳纤维杆夹持的提升力和可靠性;结合碳纤维杆作业机注入头夹持系统非对称运动的特性,优化了夹持块的结构,并对夹持块切入角部位采用软合金材料,解决了碳纤维杆夹持时存在的错位夹持块弯折咬杆和注入头运转时的切入角磕碰伤杆问题。配套作业机注入头形成的碳纤维杆无损伤夹持技术,为碳纤维杆技术在油田的推广应用奠定了基础。     

动力钳夹紧管接头时的静摩擦因数计算分析

对动力钳夹紧机构工作时的夹紧力进行了分析,指出牙板与管接头之间的最大静摩擦因数是在牙板咬合管接头的瞬间产生的,并提出了影响静摩擦因数的因素,为动力钳夹紧机构的设计提供理论依据。     

钻井牵引机器人摩擦块—井壁接触性能分析

钻井牵引机器人的牵引力主要来源于支撑机构摩擦块与岩石井壁之间的相互作用力,牵引力与等效摩擦系数是机器人力学特性分析和结构设计的关键。基于此,文章建立了摩擦块与井壁数值仿真模型,分析了摩擦块牙齿轮廓尺寸、数量、正压力、嵌入深度等对当量摩擦系数、牵引力的影响规律。结果表明,正压力和齿前角是影响摩擦块当量摩擦系数的主要参数,也是影响钻井牵引机器人是否能稳定抓靠井壁的主要因素;当摩擦块牙齿齿前角35°、齿后角60°、齿斜角30°、嵌入深度2.5～3.0 mm时,单个摩擦块可提供的轴向牵引力约30 000 N,则钻井牵引机器人三个摩擦块可提供牵引力约90 000 N。该研究成果可为钻井牵引支撑机构力学特性分析和结构优化设计提供理论依据。     

连续管作业注入头夹持机理研究

对连续管作业注入头夹持机理进行了分析,将夹持力简化为沿周向正弦分布的压力,利用级数形式的应力函数、应力边界条件和位移连续条件得到不规则外压作用下的应力分布,给出了连续管内、外表面关键点处的等效应力随着夹持力、轴向拉力、内压、连续管壁厚和外径变化而变化的规律:①等效应力随着夹持力的增大而迅速增大;②除了轴向拉力很小的情况以外,等效应力随轴向拉力F的增大而增大;③在连续管的不同位置,内压对等效应力的影响趋势不同。在内表面θ=0点和外表面θ=π/2点的等效应力随内压的增大而减小;而内表面θ=π/2和外表面θ=0点的等效应力随内压的增大而增大;④随着壁厚的增大连续管内、外表面的等效应力均有所减小;⑤在壁厚和夹持力一定时,等效应力随外径的增大出现先减小后增大的趋势;⑥随着内压由小逐渐增大,屈服极限曲线出现先外移后内移的现象,且弹性区的范围随着内压的增大逐渐减小。     

焉耆盆地宝浪油田地应力的测定与研究

运用声发射凯塞尔效应法,对宝中、宝北三口井4组岩样的地应力进行了测试,并对宝浪油田地应力大小以及最大主应力方向进行了计算和分析。根据破裂理论和大量岩石力学实验以及实测对比结果表明,钻孔崩落的方向与最小水平主应力方向一致,最大水平主应力方向总的趋势是:宝中区块为NE60±5度左右,宝北区块为NE50±10度左右。     

连续管旋转接头密封性能及其影响因素分析

连续管旋转接头可实现高压动密封功能,该结构的密封元件由多个V型橡胶圈构成。连续管旋转接头密封性能不稳定、V型圈寿命低等问题制约了连续管正常作业,易出现重大安全隐患。采用有限元法,研究了V型橡胶圈材料性能、摩擦因数、工作介质压力等参数对密封性能的影响。研究结果表明:V型圈在介质压力作用下能够形成稳定可靠的密封; V型圈密封副的摩擦因数以及材料硬度对密封性能和摩擦磨损性能有显著影响,聚氨酯和丁腈橡胶材料硬度相同,均为85 HA或90 HA。适当降低密封副的摩擦因数,可提高V型橡胶圈的密封性能和摩擦磨损性能; V型橡胶圈在10 MPa以上介质压力作用下变形达到稳定,轴向压缩量在0.9～1.0 mm。研究成果可为连续管旋转接头方案设计提供一定的指导意义。     

ANSYS曲壳模型计算复杂断块现今地应力场

中原油田属于复杂断块油气田,断层多,地层倾角大。地应力异常导致套管不断发生缩径变形或错断等情况,从而缩短了油气水井的寿命。为了从根本上解决套管损坏问题,就必须对地应力进行定量及定性研究。应用有限元算法中的曲壳模型模拟计算了地层中正在活动着的构造应力场,经过计算分别绘出了地层最大、最小水平主应力图,得出地层水平主应力最大值与最小值相差较大的区域及地应力变化较大的边界区域是套管容易发生损坏的地区。该方法可快速准确地模拟地质真实情况,目前已广泛应用到套管损坏的预防和治理工程当中。     

接箍锚定式井下节流器锚定机构性能分析及优化

目前苏里格气田广泛应用的卡瓦式井下节流器在打捞时存在解卡工艺复杂、卡瓦咬死油管导致打捞成功率低等问题,为此研发了一种接箍锚定式井下节流器,依靠卡爪锚定于油管接箍槽间隙,具有易解卡、不卡死油管、不下滑和钢丝作业一趟完成打捞的特点。为了提高接箍锚定式井下节流器锚定机构的工作性能,利用ANSYS有限元分析软件,建立了锚定机构与油管接箍的有限元模型,模拟了锚定机构在锚定、打捞时的工作过程;利用中心组合设计法建立了节流器最小打捞力以及下击作业时卡爪所受最大应力与卡爪长度、卡爪厚度的数学模型,分析其影响变化规律,得出最佳卡爪长度、卡爪厚度分别为95.6 mm和2.9 mm,最小打捞力为1.9 kN,下击作业时卡爪所受最大应力为732 MPa,与原节流器相比明显提高。研究结果表明,接箍锚定式井下节流器锚定机构设计合理,在保证节流器锚定机构安全工作的同时,优化了节流器锚定机构的卡爪参数组合,为接箍锚定式井下节流器的现场应用提供了技术保障。