钻井管柱振动信号系统仿真研究

为了了解管柱内部信号传递的过程与规律以及各种信号的组成,通过建立信号传递过程模型,基于Windows平台,利用Delphi开发工具开发了管柱振动系统仿真软件,对管柱振动信号进行了仿真分析,提出了开展管柱振动信号测试分析的步骤和方法,同时利用室内管柱振动试验对该方法的有效性进行了验证。分析结果表明,管柱振动信号波形大体上分为结构类信号和传递类信号,结构类信号在时域上往往在特定的时刻出现,传递类信号往往随测量系统的变化而相应变化;在管柱物理参数不变的情况下,可以利用结构类信号来确定管柱的几何结构以及撞击信号的源特征;通过分析传递类信号的变化规律可以获得管柱长度、敲(撞)击位置、传播速度、透射系数及反射系数等各种有用信息。研究结果为新的管柱振动信号解释方法的创立创造了一定条件,也为井下管柱的故障诊断、定位,管柱系统特性参数的确定以及信号分析提供了依据。     

超深高温高压气井完井含伸缩管测试管柱的应力与变形特征

塔里木盆地MJ4井测试管柱长6 617 m,测试时井底压力为101.63 MPa,完井作业过程中管柱出现了塑性变形问题,迫切需要准确地确定管柱塑性变形究竟发生在完井作业的哪个阶段。为此,采用三维有限元分析方法,结合MJ4井坐封、压裂和试油3个典型的载荷工况,对管柱的变形和轴向应力分布进行了数值计算,总结了含伸缩管的完井测试管柱力学行为计算流程。研究内容主要包括:①提出了具有伸缩管的油管柱系统中伸缩管的伸长与闭合状态的判断依据,并给出了相应的计算原理和计算公式,计算了MJ4井油管柱伸缩管的伸长—闭合状态;②给出了水力锚咬合不良产生的封隔器环空附加压差载荷的分析计算方法,模拟了其对管柱系统变形行为的影响,指出了附加压差载荷对管柱的塑性屈曲变形有着重要的影响;③计算模型引入了侧向屈曲变形的限制,从而间接考虑了接箍刚度对屈曲变形的影响,计算分析了油管柱在各种载荷共同作用下的变形情况,得到的数值结果显示与观察到的变形现象相同。研究结果表明,MJ4井管柱的塑性变形发生在压裂改造施工阶段,各种形式的液体压力载荷及重力载荷是塑性变形的主要原因。结论认为,含伸缩管测试管柱的力学计算模型可作为优化施工和管柱系统结构设计的重要理论工具和分析手段。     

隔水导管复合管柱载荷转移技术

为降低导管架平台建造成本,采用将导管架平台载荷转移至隔水导管-水泥环-表层套管复合管柱结构的方式以提高导管架平台承载能力的方法。分析导管架平台与复合管柱结构相互作用的机理,并建立复合管柱结构与导管架平台刚性连接时的载荷转移效率计算模型及复合管柱结构极限承载力计算模型。以渤海典型六腿平台为例进行平台载荷转移分析,采用载荷转移方式在保证复合管柱结构强度和稳定性的前提下可将导管架平台12.5%的载荷转移至复合管柱结构且减少导管架平台桩管入泥深度,为导管架平台结构优化设计和简化施工提供理论指导。     

卡瓦内悬挂管柱承载能力分析

分析卡瓦内悬挂管柱的承载能力,对油井特别是深井和超深井的套管柱设计十分重要。以往国内外对此的研究以API为代表,由于模型上的局限,分析中未考虑管柱表面由于卡瓦夹持产生的局部弯曲应力,分析的结果适用于管柱塑性承载能力的计算,而我国油井套管柱的设计实际上是按弹性设计的,因此以往的大部分套管柱设计均存在安全系数过小的问题。针对这一问题分析了以往这些研究中存在的不足,以弹性力学中薄壳理论为基础,根据卡瓦内管柱的变形形态,提出了一种较合理的可计算卡瓦内悬挂管柱弹性承载能力的解析方法,计算结果与有限元数值计算结果和试验实测结果符合良好。     

浅海采油平台振动原因分析及治理措施

针对埕岛油田中心二号生活平台剧烈振动的问题进行研究,通过理论分析、数值计算、模拟实验和现场测试,认为生活平台剧烈振动主要是由于导管架与桩的相对运动引起的。另外,海底冲刷造成导管架泥线处淘空,使导管架在泥线处失去约束,降低了结构的侧向刚度,进而加剧了平台的振动。根据问题产生的原因,采取了灌浆加抛石的治理方案。结果表明,这种方法既消除了导管架与桩的相对运动,又提高了基础的约束作用,最大减振幅度达到89%,实现了预期的减振目标。指出:浅海油田不宜采用直立式非灌浆桩腿导管架平台,平台设计时应考虑淘空的影响,采取相应措施,避免淘空降低平台的侧向刚度。     

两种导管架海洋平台的系统可靠度分析

针对近海标准导管架平台和滩海单位柱平台这两种钢质导管架平台,将其简化为空间刚架结构,计算构成导管架平台各杆件的可靠度。以传统的微分等价递归算法为基础进行系统可靠性计算,并利用分枝-约界法差别两种平台的主要失效路径。基于上述研究结果,分析了两类导管架平台的失效特征和系统可靠度指标。     

斜井眼中具有初弯曲管柱的稳定性

利用能量法推导出斜井眼中具有初弯曲管柱稳定的轴向临界压力计算公式，讨论了初弯曲对轴向临界压力的影响。研究表明，轴向临界压力随初弯曲最大挠度的增大而减小，初弯曲对临界压力的影响随管柱所受侧向力的增大而增大，随管柱长度的增加而增加。当初弯曲最大挠度比较大时，对于受侧向力作用的较长管柱，初弯曲对管柱轴向临界压力影响很大，必须加以考虑。     

高温对油管屈曲变形的影响

用解析法建立管柱下放时的轴向力表达式,得出轴向力极限值。以此为基础,分析管柱升温时的轴向力和变形,确立计算步骤和边界点的处理方法。根据这些方法编制了数值计算软件,给出了简例计算结果。     

大庆油田高温深井试气井下管柱力学分析及应用

针对大庆油田深井高温、高压裂压力及测试、压裂管柱的特点,在轴向屈曲分析的基础上,综合考虑井况、井身结构、管柱组合、施工顺序,以及考虑库仑摩擦力,考虑井口和封隔器的约束及其对轴向变形、轴向力的影响,给出了试气井下管柱载荷、变形、应力计算方法与公式,编制了井下管柱力学分析软件.据此,可以分析各试气工序下管柱的屈曲状态、载荷、变形、应力及强度安全性,并指导管柱组合和施工参数选择.     

高温对油管屈曲变形的影响

用解析法建立管柱下放时的轴向力表达式，得出轴向力极限值。以此为基础，分析管柱升温时的轴向力和变形，确立计算步骤和边界点的处理方法。根据这些方法编制了数值计算软件，给出了简例计算结果。     

海上平台导管架腿柱结构强度和稳定性分析

根据南海北部大陆西区气田的分布情况,为更经济和绿色地增加气田的产量,需要新增立管连接2个气田平台。以支撑平台导管架的腿柱结构为研究对象,采用7套复合材料背负式管卡安装立管,并考虑腿柱实际受载工况,分析当管卡在不同位置时导管架腿柱结构强度和屈曲稳定性。借助所构建的SACS计算模型,验证在水深88 m下,采用7套复合材料背负式管卡时,海洋平台导管架腿柱结构的安全性和可靠性,为在相同工作环境下平台腿柱结构的设计提供参考。     

带多封隔器水平井作业管柱解封力分析

根据封隔器解封过程中解封力在作业管柱中的传递特点,建立了带多封隔器作业管柱解封过程受力计算模型,给出了解封力在作业管柱中的分布规律和管柱变形量计算公式,利用Visual Basic语言编制了相应的计算软件。根据吉林油田某水平井实际作业参数,对带有多封隔器作业管柱解封过程进行模拟计算,并与现场监测值进行对比。结果表明,上提载荷和管柱变形量的模拟计算结果与监测值的误差分别为2.77%和3.10%,说明计算模型具有较高的计算精度,可以满足实际工程需要;在解封过程中,带封隔器作业管柱危险点出现在封隔器和造斜段位置,因此有必要对相应位置管柱强度进行校核。     

深水钻井作业管柱纵向振动载荷分析

深水钻井作业过程中,管柱在平台升沉振动的作用下产生纵向振动载荷,影响管柱的强度安全。以深水下表层套管作业管柱为例,建立了具有复杂结构的深水作业管柱纵向振动力学模型,并利用振动力学理论分析了管柱的纵向自由振动特性及纵向受迫振动载荷。分析结果表明,在平台升沉振动的作用下,作业管柱的纵向振动以第1阶振型为主;管柱顶端截面上的纵向振动载荷最大,是作业管柱上的危险截面;当钻井平台的升沉振动周期接近作业管柱的固有周期时,将产生极大的纵向振动载荷;当表层套管下入深度较大时,采用壁厚大的钻杆作为送入管柱能有效降低管柱纵向振动所产生的轴向应力。该项研究结果可为深水钻柱和送入管柱的设计提供依据。     

水平井管柱下入摩阻分析及应用

水平井造斜后井迹弯曲,使管柱入井时受到的阻力远比直井大,给钻井作业增加了难度,因此对管柱摩擦阻力的分析计算是保证管柱顺利入井的关键。通过建立管柱受力平衡方程,推导出水平井管柱入井时摩阻计算的力学模型,分析计算了在稳定和旋转方式下管柱入井时的大钩载荷和井口扭矩等重要技术参数的解析公式。实例计算分析表明,摩擦阻力计算结果可为钻井设备选型、优化管柱参数和井身结构以及选择下入方式提供可靠依据。     

封隔器管柱屈曲变形及约束载荷分析

目前的封隔器管柱屈曲分析没有考虑靠近封隔器段非螺旋屈曲段管柱,没有给出非螺旋屈曲段管柱的变形表达式和封隔器对管柱的约束载荷。鉴于此,取管柱微元体进行受力分析,根据平衡条件和小挠度梁屈曲理论,得到了紧靠封隔器段平面屈曲管柱及螺旋屈曲管柱的屈曲变形微分方程;根据屈曲变形微分方程,利用边界条件得到了紧靠封隔器的平面屈曲管柱的挠度,推导出了封隔器对管柱的约束力和约束弯矩,可供管柱强度校核及封隔器胶筒设计参考。     

注水井管柱轴侧向力耦合模型及安全评价研究

为了准确地评价高温深井中分层注水管柱力学强度的安全性,根据分注管柱多封隔器多点锚定的特点,建立了注水井多封隔器管柱轴侧向力耦合模型,分析了多封隔器管柱的蠕动机制,计算了管柱关键力学参数和蠕动量。进一步选取管柱变形、封隔器失效、胀爆、挤毁、本体拉断和永久螺旋屈曲6个指标,建立注水井管柱安全评价指标体系;通过软件编程方法,以安全指标雷达图和封隔器信封曲线的形式,可视化地评价管柱的安全性。通过对青海油田X-24井管柱注水和洗井工况的分析,此高温深井在注水工况下,安全注入的压力较低,需在顶部封隔器处加装油管锚和伸缩补偿器;在洗井工况下,洗井液温度比洗井排量对管柱安全的影响更大。建立的管柱力学模型和安全评价方法可以有效指导高温深井注水管柱的安全设计及作业工艺参数优化。     

守护船撞击海洋平台及FPSO碰撞场景研究

海洋平台及FPSO存在遭受守护船撞击的可能性,由此产生的结构损伤会影响到平台及FPSO的安全,因此在结构设计时需要考虑其抗撞性能。守护船与平台及FPSO的碰撞决定着平台及FPSO结构的合理性和经济性,目前我国尚没有相关的碰撞场景规范,设计时多采用国外有关规范。碰撞场景取决于海况条件和操作规定,而我国的海况与国外并不相同,所采用的操作规定也有差别,因此完全套用国外规范不尽合理。以一艘5000吨级守护船为研究对象,利用水动力学计算方法,研究守护船与导管架平台及FPSO的最大碰撞速度。选取我国近海油气田所在的典型海洋环境条件,探讨了不同水深、波浪条件以及碰撞方向对最大碰撞速度的影响。研究结果表明,守护船侧向撞击FPSO的最大碰撞速度最大,在实际工程作业中须注意此情景。     

力学分析在压裂酸化管柱优化设计中的应用

主要就压力、温度变化显著的压裂、酸化管柱进行管柱力学分析和计算。在方案设计阶段或压裂酸化施工阶段详细分析管柱的受力、变形及强度，管柱载荷变化规律，给出管柱变形及强度计算．从而确定出各工况下的极限操作参数。控制管柱的施工作业参数、管柱内外流体工况、工具深度以及井口油压、套压等，确保各施工作业工况下管柱的强度及安全。     

高温高压气井多封隔器管柱完整性分析方法及应用实例

为了分析计算多封隔器管柱的力学行为并评价封隔器的完整性,以压裂施工载荷工况下的双封隔器管柱系统的完整性为研究对象,提出了管柱力学全长分析与封隔器芯轴三维有限元分析结合的综合分析方法,并给出了相关的分析计算流程。以塔里木盆地迪西1井的弹塑性力学分析为例,首先对整体管柱全长进行了三维有限元分析,求取在管柱各处的应力分布;然后采用三维实体单元分析封隔器芯轴的局部结构中的应力分布与塑性应变分布,判别双封隔器管柱作业的安全性。研究结果表明:①在重力、液体压力和温度应力的作用下,管柱各处的轴向应力状态为拉应力,处于弹性应力范围;②在管柱轴向应力和液体压力共同作用下的芯轴发生了明显的塑性变形;③为了缓解压裂施工导致的温度下降引起的轴向拉应力过大的现象,应在两个封隔器之间加装伸缩节。结论认为,该方法用于分析多封隔器管柱得到的变形及应力分布数值结果与实际情况能很好的匹配,证明了该方法的有效性和实用性。     

管柱轴向变形对井下作业的影响

综合分析了管柱轴向变形对井下不同作业工况的影响,阐述了计算井下作业管柱轴向变形的重要性,为建立井下作业管柱轴向变形理论计算模型做了很好的铺垫。