循环下套管装置研制成功

循环下套管装置是一种在下套管过程中随时在井口灌钻井液，无须停止下套管作业，在下套管过程中出现遏阻现象可以立刻建立循环，利用破岩磨铣引鞋清除砂床。科研人员成功研制出两种循环下套管装置：一种是顶驱自动灌浆解卡装置，该装置的顶部钻杆短节与下套管作业的顶部驱动系统钻杆扣连接，依靠顶部驱动系统将解卡装置的皮碗封隔器和导引头一同插入套管，利用皮碗封隔器自动封堵的作用，边下套管边灌钻井液或建立循环，清除井眼的沉砂解卡。     

整体式卡瓦牙型结构优化及试验研究

整体式卡瓦牙型结构若设计不合理会直接影响封隔器的坐封力和锚定效果。以适用于177.8 mm套管的整体式卡瓦为例进行研究,采用ANSYS软件建立模型,利用应力瞬态特性分析方法,对不同参数下的牙齿倾角α、牙齿角度β、牙齿间宽度d和卡瓦锥角γ进行应力分析。在相同的边界条件下,根据不同牙型参数下的应力值,综合分析得出α=70°、β=75°、d=70 mm、γ=13°时,卡瓦载荷分布均匀,无应力集中现象,为最合理的牙型参数。试验结果表明,在150℃的条件下,密封压力64.5 MPa时,整体式卡瓦有效开裂,均匀咬合套管内壁且锚定力满足工作要求。     

新型侧钻坐封器设计及卡瓦有限元分析

在套管开窗侧钻井过程中斜向器松动,使施工失败。设计一种硬质合金镶齿型双作用侧钻坐封器,以提高卡瓦的坐封可靠性。基于ABAQUS建立卡瓦与套管的有限元模型,分析接触应力分布。结果表明:卡瓦在20MPa液压力作用下能够啮入套管内壁,承受300kN轴向力而不松动,实现稳定坐封。     

套管头卡瓦力学分析

卡瓦悬挂系统是热采套管头的核心,卡瓦能否安全可靠地悬挂套管是其关键。对卡瓦悬挂套管进行了力学分析,并采用有限元法进行模拟。分析结果表明,卡瓦牙齿沿轴向承受的载荷从上到下依次降低;卡瓦牙齿沿圆周方向从中心线沿两侧面的Misses应力逐渐升高;卡瓦侧面处应力集中非常严重。提出了卡瓦结构优化建议,为卡瓦悬挂套管奠定了理论基础。     

深井钻井中动力卡瓦对钻杆造成的牙痕深度的有限元分析

卡瓦是在油田钻井中用来把钻杆或套管夹紧在转盘上的井口工具。但是随着井深的增加，作用在卡瓦和卡瓦内悬挂管柱上的载荷也随之加大，成为制约深井油田安全生产的重要因素。文章利用Msc．Marc有限元分析软件对卡瓦夹紧钻杆进行了有限元分析，得出了牙痕随着所承受载荷的变化规律。     

水平井封隔器卡瓦的有限元分析及结构改进

在石油钻采中，封隔器卡瓦承受巨大压力易发生断裂，直接影响到封隔器的密封性能，从而影响油井的开采过程及生产安全。运用有限元分析软件ANSYS Workbench对卡瓦进行有限元数值模拟分析。施加140 kN载荷时，卡瓦最大应力为230.11 MPa，超过其材料的最大抗压强度；对卡瓦封隔器试验模型进行压裂试验，试验施加压力为186.33 kN时卡瓦发生断裂，测得抗压强度为233 MPa；对卡瓦进行结构设计，卡瓦牙间距尺寸分别为15 mm、25 mm和30 mm。根据有限元分析结果，卡瓦牙间距为30 mm时卡瓦应力、应变分布趋于均匀，所承受的最大载荷为240 kN，最大应力为230.66 MPa、最大变形量为0.058 mm，证明此卡瓦结构尺寸较为合理。     

多功能钻杆气动卡瓦的优化设计及应用

针对气动卡瓦的产品系列化和标准化程度不够,并且在承载力方面没有明确的行业标准等问题,对钻杆卡瓦进行了系列化和标准化优化设计。优化设计方案主要从以下2点考虑:(1)在结构允许的情况下,力求加大卡瓦与钻杆的接触长度和面积,以提高卡瓦的承载能力,又不咬伤钻杆。(2)改善卡瓦体与卡瓦牙的装配结构,保证卡瓦有足够的强度,利用有限元软件开展卡瓦受力模型优化设计。在压力试验的基础上,还对优化方案进行了进一步的改进。优化结果表明,多功能钻杆卡瓦的厂内最大试验压力达到并超过了6122kN,卡瓦卡紧管柱可靠、卡瓦及钻杆本体无损伤,承载能力达到了设计指标。     

整体式卡瓦断裂过程的有限元分析

耐高温高压封隔器大都采用整体式双向卡瓦,而国内缺乏对整体式卡瓦受力及断裂过程的相关研究。为此,运用现代设计理论及ANSYS软件,对整体式卡瓦断裂过程进行了有限元分析,得到了卡瓦的初次断裂、二次断裂及最终断裂临界点,绘制出卡瓦外载荷-轴向位移关系曲线图。有限元分析结果为以后根据封隔器实际工作情况设定合理的坐封载荷及对整体式卡瓦的结构尺寸进行优化设计提供了参考依据。     

变螺距套管螺纹在轴向拉力作用下扣牙力分布及计算

理想等螺距管螺纹接头在轴向拉力作用下，扣牙力分布呈抛物线状，制约了管螺纹接头的承载能力。采用适当的变螺距工艺可使扣牙力分布得以改善，从而提高套管柱承载能力。本文用解析法求出了变螺距管螺纹接头加牙力分布曲线，探讨了变距方式，变距量和变距点等问题。     

页岩气压裂过程套管失效机理有限元分析

在页岩气压裂作业过程中,套管容易出现变形、破裂、错断等破坏性形式。为此,运用ABAQUS有限元分析软件建立套管的二维平面应变模型,模拟计算压裂后套管Mises应力及变形分布,找到套管损坏的主要影响因素。然后利用ABAQUS中关键字*Field实现地层岩石的性能随压裂进行不断降低,从而对四川某井套管失效问题进行了三维模型的实例分析。通过对有限元结果分析和对比压裂后MIT多臂测井曲线,认为套管失效是压裂过程中地层岩石性能降低、改造区域不对称、施工压力大以及地应力场重新分布共同作用的综合结果。最后提出压裂过程中套管失效的应对措施。该项研究结果可为页岩气压裂引起套管失效的防治提供理论依据。     

套管载荷弹塑性有限元分析

应用弹塑性有限元方法分析了套管-水泥环-地层系统套管载荷的分布规律。在非均匀地应力条件下,当地层进入塑性时,塑性区为椭圆形,椭圆长轴在最小主应力方向,套管载荷径向分量比弹性解大,但载荷的非均匀性降低。当水泥环进入塑性时,套管载荷大于弹性解,通过提高水泥环的内聚力和摩擦系数以及降低水泥环的弹性模量,可以降低套管载荷。     

套管膨胀后抗挤毁性能的有限元模拟分析

采用弹塑性有限元建立了可膨胀套管膨胀和挤毁过程的力学模型,对N80钢级材料的φ114.3 mm膨胀套管在不同膨胀率条件下膨胀后的挤毁强度进行了计算,给出了采用API 5C3标准和有限元法计算的膨胀后套管挤毁强度以及膨胀后挤毁强度与残余应力之间的关系曲线,发现用API 5C3标准计算膨胀后套管的挤毁强度存在较大缺陷,以及随着套管膨胀后残余应力增加,膨胀后套管的挤毁强度降低.     

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随着石油工业的不断发展，深井、超深井、水平井和大位移井越来越多，而这类井由于其自身的特殊性，在钻井过程中钻具在井中旋转及起下钻对套管内壁造成磨损，导致其抗挤强度、抗内压强度等使用性能降低，对油气井的安全构成威胁，因此，套管设计时应当考虑磨损对抗挤强度的降低问题。API Bul 5C3挤毁压力公式没有考虑磨损对套管抗挤强度的影响。章主要通过有限元法并辅以理论分析，深入研究套管内壁磨损对其抗挤毁性能的影响规律，分别详细比较“月牙形”磨损模型与偏心筒近似磨损模型、最小壁厚均匀磨损模型之间的差异，并从挤毁强度降低的机理上阐述导致这些差异的原因所在。     

射孔参数对套管强度影响有限元分析

在不同的孔密、孔径和相位角情况下,应用板壳弹性体线性理论模型,对射孔套管进行了有限元分析,并对射孔套管强度的影响程度进行了计算。结果表明:孔密小于32孔/米时,套管强度的影响程度不大;孔径小于16mm时,套管强度的影响程度可以忽略;90°相位角套管强度影响程度最低。     

Cameron结构的防喷器壳体有限元分析

参考美国Cameron公司的闸板防喷器,所设计的壳体采用长圆形的闸板腔结构。利用Cos-mosworks 2008有限元分析软件计算单闸板防喷器壳体模型在额定工作压力35 MPa和静水压力52.5 MPa工况条件下的应力分布及危险点,并按照ASME规范分析其应力组合,表明该设计是安全的。     

热采井套管螺纹连接有限元分析

针对注蒸汽热采井套管螺纹连接的性能进行了ANSYS计算分析，建立了套管螺纹连接的有限元计算模型，选择了接触分析模块，计算了热采井套管连接螺纹牙的受力分布，得出套管螺纹连接在热采井中的力学性能变化规律。     

水泥环性质对套管强度影响的有限元分析

在油层和泥岩部位易出现套管损害严重的问题,主要原因在于注入水窜入泥岩层后,引起泥岩力学性质改变,地应力重新分布造成套管损坏。石油行业常采用提高水泥环的质量以保证套管的安全。以"地层-水泥环-套管"为研究对象,采用有限元分析方法,将"地层-水泥环-套管"简化为平面系统,分别在均匀地应力和非均匀地应力情况下研究了水泥环弹性模量对套管应力载荷的影响;考虑到两个水平地应力不等的实际情况,选择在非均匀地应力情况分析各因素对套管应力的影响,主要包括水泥环不居中和水泥环发生缺陷时其缺陷角度与套管内压等因素,得出套管应力在不同水泥环性质时的变化规律,为解决套管损坏问题提供了参考依据。优选水泥环性质参数是提高套管抗挤强度的保证。     

冲击载荷作用下套管螺纹连接的有限元分析

套管振荡器在振动固井过程中,会对套管产生周期性冲击,可能会引起套管损坏,而螺纹连接是套管柱中最薄弱的环节,有必要进一步对冲击载荷作用下的套管螺纹连接应力场进行研究。以API?139.7 mm×7.72 mm N80钢级的圆螺纹套管的螺纹连接部分为研究对象,分析了套管螺纹连接部分的应力强度和在冲击载荷作用下螺纹连接部分的应力分布规律。研究结果表明:在上扣扭矩、轴向拉伸和内压等复合载荷作用下套管内、外螺纹接触应力均出现两头高中间低的分布状态;随着上扣扭矩的增加、轴向拉应力的加大和内压的增高,套管螺纹连接部分整体Von Mises应力均呈现升高的趋势;螺纹牙承载侧的接触压应力要普遍高于导向侧;套管振荡器对套管的周期性冲击不会造成破坏。所得结论可为有冲击载荷作用的振动固井技术提供理论支持。     

旋扣套管吊卡设计及有限元分析

为了提高车载煤层气钻机下套管的作业效率,通过借鉴国外先进技术理念,结合国内现场应用情况,提出了新的旋扣套管吊卡设计理念。在介绍旋扣套管吊卡结构和工作原理的基础上,利用有限元软件对旋扣套管吊卡的上连接短节、连接板和吊卡总成进行了力学分析。针对旋扣套管吊卡的承载能力开展了地面试验。试验结果表明,经过反复600 kN载荷的施加,装置未见明显的变形和磨损,说明旋扣套管吊卡能满足1 000 m井深车载煤层气钻机的下套管要求。     

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文中建立了套管、水泥环和地层互作用的弹塑性的有限元力学模型，用MSC.Marc软件的高度非线性功能对本文的复杂力学系统进行了一系列的计算机仿真模拟研究，为复杂地层套管破坏机理研究提供了简便，可行的方法。本方法可以反推地层载荷，为复杂地层套管破坏的预防措施提供了理论依据。