热采水平井复合筛管热应力及变形规律分析

目前对于筛管热稳定性的研究主要是将筛管简化为单层油管或基管进行热稳定性及应力分析,未考虑筛管本身复杂的机械结构。针对目前广泛使用的基管-挡砂层-外保护罩复合防砂筛管,考虑各介质材料强度参数随温度的变化,建立了基管与外保护罩的变形耦合模型,采用机械筛管防砂水平井在不同热采工况下的筛管热应力分布和热变形量计算方法,分析了恶劣工况下的筛管破坏特征。案例分析结果表明,未锚定状态下筛管受热振动的主要影响因素是温度效应造成的轴向伸缩量,井底温度为350℃时,筛管轴向膨胀率达0.66%。锚定条件下当井底温度达到305℃时筛管基管发生屈服,筛管的破坏特征强度值为563.1 MPa。研究成果对热采机械筛管防砂水平井管柱设计有一定的指导意义。     

渤海油田稠油水平井防砂筛管耐温能力的确定

渤海油田热采水平井防砂筛管选型时参考的耐温能力未考虑井况的影响,导致部分热采水平井选用的防砂筛管不能满足注热要求而发生破坏。为此,在分析稠油热采水平井防砂筛管注热时受力的基础上,综合考虑弯曲应力与热应力对防砂筛管破坏的影响,给出了稠油热采水平井防砂筛管耐温能力的数值模拟计算方法。利用该方法计算了渤海油田6口热采水平井防砂筛管的耐温能力,分析了单位狗腿严重度下星孔、金属网布和桥式复合3种防砂筛管的耐温能力降低幅度。研究发现:考虑弯曲应力计算出的耐温能力与现场实际较吻合;单位狗腿严重度下星孔、金属网布和桥式复合3种防砂筛管耐温能力降低6~16℃;单位狗腿严重度下防砂筛管耐温能力的降低幅度随防砂筛管径向尺寸增大而增大;防砂筛管基管钢级越高,耐温能力降低幅度越小,且钢级对耐温能力降低幅度的影响程度大于径向尺寸;TP110H和BG110H钢级的金属网布或桥式复合防砂筛管具有较高的耐温能力,能满足渤海油田热采水平井的注热要求。研究结果表明,稠油热采水平井选择防砂筛管时,应考虑弯曲应力对防砂筛管耐温能力的影响,否则会导致防砂失效,影响稠油热采开发效果。      

防砂筛管受热变形分析

为提高稠油热采井防砂效果,基于线弹性热—固耦合理论,考虑筛管弹性模量及屈服强度随温度变化、钻孔对筛管中心管强度影响,利用FEPG系统开发了防砂筛管热稳定性分析有限元程序,对不同工况下防砂筛管稳定性进行了模拟。其模拟结果表明,筛管弹性模量及屈服强度受温度影响较大,随着温度的升高、口袋沉砂密实程度的增大,防砂管柱等效应力逐渐增加。同时,采用动态位移边界对热力补偿器进行建模,热力补偿器的配备可显著增强防砂管柱稳定性。     

新型热采筛管在海上稠油油田的应用

海上热采井井底温度达300℃,高温热应力加剧了出砂风险,筛管作为最后一道屏障,决定着热采防砂的成败。筛管在高温、腐蚀和强注强采恶劣环境下,易发生损坏导致油井出砂停产。针对海上热采井生产特点,研发了新型热采筛管。该筛管材质选用热稳定性强、耐腐蚀性和强度高的P110H-3Cr钢材;结构优化为7层,内外2层挡砂网精度外大内小,逐层过滤;特殊结构的导流外护套,减少高速流体冲蚀影响。新型热采筛管不仅具备较好的热稳定性能,而且提高了抗腐蚀能力。截至2015年12月,新型热采筛管已成功应用15井次,作业成功率为100%,单井产能提高2～3倍,未发生出砂及筛管损坏情况。该技术满足了海上油田热采防砂要求,为提高热采效果奠定了基础。     

薄互层稠油油藏二次防砂井工艺及应用

薄互层稠油油藏热采过程中防砂体系易失效,在对失效井扶躺时,需要分析二次防砂后油井产能,同时优化防砂筛管参数以确保油井二次防砂措施的有效性。通过精细描述Cinco-Ley产能模型中机械防砂的表皮系数,使之适用于薄互层油藏二次防砂油井;同时,在应用产能公式的过程中,提出了筛管拟渗透率的概念,以量化描述筛管渗透性。在Moriche油田二次防砂筛管设计中,优选渗透性更好的φ101.6 mm割缝筛管作为防砂筛管;基于杆管强度理论和热应力影响,优化了割缝长度和割缝密度。将二次防砂优化结果运用于Moriche油田的MKT-13井,取得了MTK-13井产能降低幅度小于5%的效果。该研究对薄互层稠油油藏二次防砂井具有重要意义。     

原油黏度对疏松砂岩储层防砂的影响

胜利海上埕岛油田四井区砂岩胶结疏松 ,容易出砂 ;原油密度大 ,原油黏度在 383～ 1 0 0 8mPa·s范围内 ,原油胶质含量高。主要讨论不同原油黏度对不同绕丝筛管、不同砾石组合防砂效果的影响。研究结果表明 :89mm和 1 1 4mm绕丝筛管在相同砾石条件下 ,低黏度对防砂效果影响不大 ,而高黏度对防砂效果有较大影响 ;因此 ,对稠油油藏进行防砂设计时应考虑原油黏度的影响     

热采条件下机械防砂筛管挡砂精度模拟分析

在对稠油热采出砂井进行防砂设计时,没有考虑温度、初始挡砂精度、挡砂介质材料和编制滤网金属丝直径对机械防砂筛管挡砂精度的影响。通过分析常用机械防砂筛管——割缝衬管、绕丝筛管和复合筛管挡砂介质的结构,建立了筛管挡砂精度的物理模型,基于筛管受热变形建立了筛管挡砂精度的数学模型。结果表明:割缝衬管和绕丝筛管挡砂精度变化规律相同,均随着温度的升高而增加,造成实际挡砂精度比设计挡砂精度偏大;普通编制滤网复合筛管挡砂精度随着温度的升高而降低,造成实际挡砂精度比设计挡砂精度偏小;密纹编制滤网复合筛管挡砂精度变化规律比较复杂,在初始挡砂精度确定的情况下,需要具体分析不同直径的金属丝,才能确定挡砂精度的变化规律。该研究成果对热采出砂井防砂设计有一定的指导意义。     

筛管抗拉强度计算及全尺寸试验

随着筛网式滤砂管的应用越来越多，钻井和地质工况条件越来越复杂，对筛管的强度要求较高。国内外对基管强度研究主要集中在抗挤性能和防砂性能评价两个方面，而基管抗拉强度研究相关报道较少。为建立筛管抗拉强度的计算公式，满足油田筛管基管设计与选材需要，笔者采用全尺寸试验方法对筛管抗拉强度进行研究，筛管抗拉强度有限元计算值和全尺寸试验值二者误差小于7%,并建立筛管布孔方式(孔眼直径、轴向孔间距、横截面周向孔数)与筛管抗拉强度计算关系式，筛管抗拉强度计算值与试验值相比误差约8%。筛管基管的布孔方式影响筛管的抗拉强度，孔眼直径对抗拉强度影响最大，轴向孔间距影响次之，横截面周向孔数影响最小。     

稠油井注热对井下筛管的影响因素研究

优质筛管在海上疏松砂岩稠油开采中发挥着防止出砂的重要作用,但是井下恶劣的腐蚀环境与复杂的受力状态会造成筛管损坏,影响油井生产。通过归纳总结,分析了井下筛管破坏的影响因素,重点对井下筛管的热应力受力情况进行研究,提出了筛管热应力损坏的三种作用机理及破坏形式,并就如何延长热采筛管寿命给出了优化措施建议。     

水平井防砂筛管评价实验

大港油田出砂油藏水平井主体采用防砂筛管完井,在实际生产过程中,虽然整体效果不错,但是部分井仍然存在筛管破漏、堵塞,砂堵、砂埋油层等影响正常生产的问题,为此开展了水平井防砂筛管评价实验研究。证实了各类型筛管在不同分选性储层的适应性,提出在设计挡砂精度时应避免和粒度中值过于接近,采用分级控砂筛管完井时应控制产液强度等注意事项,便于指导今后防砂筛管在出砂油藏水平井的合理应用。     

热采井割缝筛管的热应力分析

筛管内过热的蒸汽使地层及筛管温度升高,对筛管产生相当大的热应力,此应力可能使筛管产生弯曲变形或断裂,导致油井停产或油井报废。因此,通过ANSYS有限元分析软件的数值模拟,计算得到筛管-地层的温度场分布,然后将筛管温度场导入到三维模型的应力场中,得到温度变化对割缝筛管的热应力和热变形。实例计算结果认为,蒸汽温度为350℃时,在正常注汽和突然停注2种状况下的筛管热应力分别为682.147、703.229MPa,其中突然停注时的热应力超过了筛管材料的屈服极限690MPa,这是导致筛管损坏的最危险状态,最大热应力发生在筛管缝中央。     

波节换热管热补偿性能的研究

通过轴向刚度与应力的测试 ,对波节换热管的轴向热补偿性能进行了试验研究。研究结果表明 ,波节换热管单管的刚度为相应光管的 2 3 4% ;在最大应力相同的条件下 ,波节换热管的轴向热补偿量为相应光管的 2 2 7倍 ;在光管管束与壳体等刚度条件下 ,用波节管管束代替光管管束 ,轴向热补偿量可提高 40 4% ,相应的拉脱力为光管管束的 53 2 %。这一结论为波纹管换热器的应用提供了有效的设计依据     

稠油热采井套损防治措施及计算理论

研究了稠油热采井套损机理,给出了管柱提拉预应力和下入套管热力补偿器两种套损防治措施计算理论。模拟计算表明:设置提拉预应力时,管柱需提拉的最小预应力和最小拉伸长度随管柱温度的升高而先升高后降低;下入套管热应力补偿器时,管柱需要的最小补偿伸长量随管柱温度和长度的增加而增加,但增加趋势变缓。该计算理论可用于指导热采井套损防治的方案设计和施工作业。     

316L不锈钢膨胀筛管基管井下膨胀有限元分析

针对膨胀筛管膨胀变形涉及到材料、几何和结构的非线性接触大变形难以运用现有理论精确求解的问题,利用ANSYS有限元分析技术,分析了316L不锈钢膨胀筛管井下工作的力学性能。选取适当的约束条件,模拟计算了φ114.3 mm(4 12英寸)316L不锈钢膨胀筛管基管在不同井下温度时的不同膨胀率膨胀和膨胀后的抗挤毁过程。分析结果表明,膨胀率和膨胀温度对膨胀前后基管的最大等效应力分布的影响不大,残余应力的峰值随膨胀温度的升高而下降;井下温度一定时,Bauschinger效应是降低抗挤毁性能的主要因素。     

外连接预应力隔热管改进及受力分析

针对外连接预应力隔热管的接箍处热损失较大的问题,提出了3种改进措施,即,安装接箍密封器、改进内外管焊接位置及使用隔热接箍。在考虑内外管变形协调和温差影响的基础上,推导了隔热管受力分析数学模型。模拟分析表明:装配应力和内管拉伸回缩量随内管装配拉伸量增加而增加,热伸长量随内外管温度的升高而增加; 在内管温度不变的条件下,内管随外管温度的升高逐步由压应力转变为拉应力,外管逐步由拉应力转变为压应力; 在内管温度不变的条件下,外管Mises应力随外管温度和内管装配拉伸量的增加而降低,内管Mises应力随外管温度升高而降低、随内管装配拉伸量的增加先降低后增加。分析结果与现场实际符合。建立的受力分析模型可用于现场隔热管柱受力分析,并确定内管的合理装配拉伸量,以提高隔热管的使用安全性和寿命。     

L形高真空多层绝热低温管道热-结构耦合分析

用于输送LNG等低温介质的高真空多层绝热(HV-MLI)低温管道常处于深冷环境且要承受流体内压,在热-结构耦合作用下的受力较为复杂。为了研究HV-MLI低温管道各部件在复杂载荷作用下的响应状况,以某水平—竖直走向的L形HV-MLI低温管道为例,建立了热-结构耦合分析有限元模型,计算得出了不同工况下的管道温度场分布情况,以及管道中内管、外管、热桥、波纹管和绝热支撑上的应力及应力随各载荷的变化关系。分析结果表明:(1)绝热支撑和热桥是影响管道漏热量的主要部件,以输送LN_2为例,通过上述两个部件的漏热量分别占管道总漏热量的49.07%和49.32%;(2)内管、外管、弯头及热桥等部件应力较小且低于材料屈服极限,实际使用过程中不易发生危险;(3)波纹管应力随输送介质温度的降低和补偿内管长度的增加而增大,水平管段波纹管的应力较高,是管道中的危险部件;(4)内管所受内压是影响绝热支撑应力的主要因素,随内管内压的增大,水平管段与竖直管段中离弯头最近的绝热支撑应力大幅增加,而远离弯头的其他位置处的绝热支撑应力变化不大,因而可适当增加离弯头最近的绝热支撑厚度,同时减少远离弯头处支撑的厚度,以便在保证强度的同时减少漏热量。     

双圆弧齿轮传动的温度场和热变形分析

重载高速运转的双圆弧齿轮传动,由于摩擦生成热量很大,不仅影响到传动系统(齿轮箱)的整体温度场,而且其本身因齿面或滚动体接触处的高温导致过大热变形,引起附加热应力,严重影响双圆弧齿轮传动的性能、工作可靠性及其使用寿命。为此,结合齿轮传动的传热学、摩擦学及啮合原理,建立了齿轮箱三维热分析有限元模型,计算了不同对流换热系数条件下处于热平衡状态的齿轮箱本体温度和摩擦副零件热变形,分析了稳态温度场和热变形的变化规律。计算结果表明,对于三维几何体的计算对象,采用有限元法求解温度分布、热应力、热变形等问题,比较精确、方便,更接近实际工况。     

热采井中复合缝腔割缝筛管的抗压强度研究

根据热力学原理,结合特定现场地层特点,计算了在热采过程中筛管表面温度分布,并利用有限元软件分析了在此温度分布条件下筛管的抗压强度。结果表明,在外部围压作用下,筛管的应力分布不均衡,仅有局部极小的区域应力较大,该区域主要集中于筛管的缝腔处。在热采情况下计算的筛管整体Von Mises应力大于在常温下计算得到的应力。在较大的外压载荷下热采温度对筛管抗压强度的影响很小甚至可以忽略。筛管的抗压强度随缝长的减小和割缝数的减少而增大。这种分析方法对研究井下热采过程中割缝筛管复杂的温度应力情况有一定的指导意义。     

盘式刹车制动盘热应力弹性计算及分析

建立了石油钻采设备用盘式刹车制动盘热应力计算数学模型，并应用有限元方法计算了连续下放管柱时制动盘的热应力场。计算与分析表明，制动盘热应力有如下特征：制动盘周向热应力最大，热应力梯度主要在轴向，摩擦表面层1~2mm处是高热应力区；下放一根管柱时制动盘摩擦表面层的等效效应力具有微观脉动性，连续下放管柱对具有宏观波动性；制动盘摩擦表面层热应力值远大于其机械应力值，在某些工况下热应力峰值已超过常用工程材料的屈服极限。