钻柱涡动分析及防涡稳定器设计

钻井时钻柱在绕自身轴线旋转的同时，还发生绕井眼的涡动，钻柱的涡动对钻柱有很大危害。在分析了钻柱涡动机理以及涡动角速度的基础上，从其结构上指出了现有的稳定器涡动时对钻柱的破坏作用。设计了利用稳定器主体在螺旋套内可自由旋转原理来防止或减少钻柱涡动从而减少对钻柱破坏的新型防涡稳定器。分别介绍了圆柱滚子轴承稳定器和滑动轴承稳定器两种稳定器的结构以及各自的特点，并且与辊子稳定器进行了对比分析，指出防涡稳定器具有防涡或减涡的优点，且工作可靠、结构简单，应用前景广阔。     

立管涡激振动的离散涡数值模拟

通过离散涡方法求解立管所受涡激升力,并与立管动力响应方程相耦合来对涡激振动问题进行时域内的数值模拟。通过在均匀来流和剪切来流下的模拟,所得的结论与其他文献中的结论比较吻合,较好地揭示了立管涡激振动的特征。     

旋风分离器旋进涡核的大涡数值模拟

基于Smagorinsky-Lilly亚格子模型,将多面体网格应用于旋风分离器的大涡模拟,得到其平均流场和速度场脉动,并与实验值对比。对速度脉动进行快速傅里叶变换,以此探索旋进涡核的影响范围;通过涡速度云图,观察涡核中心的瞬态变化。结果表明,基于多面体网格的大涡模拟可以有效求解旋风分离器平均流场和速度脉动;斯特劳哈尔数的计算值为0.51,与实验值0.49非常接近。旋进涡核致使切向、轴向和径向的速度分量存在一致的主频;不考虑湍流边界层,旋进涡核存在于整个分离空间,且大部分位置的主频皆为11.54 Hz;旋进涡核中心在一定范围内围绕几何轴旋转,且旋转方向同主流方向一致。     

钻柱涡动特性分析

钻柱绕自身轴线旋转时,绕井眼轴线的转动叫涡动。介绍了钻柱涡动的概念、成因及状态描述,然后通过计算钻柱在不同涡动角速度时摩擦力所消耗的能量,分析了形成不同涡动形式的可能性和主要影响因素。认为钻柱在形成涡动过程中要消耗较多能量,涡动形成后就变成相对稳定的运动状态。认为,减小环隙不会引起钻柱内应力循环频率无限增大。根据钻柱涡动解释了钻铤偏磨和井底多凸图案的成因,并分析了涡动对并斜的影响。     

Spar平台涡激运动响应分析

针对Spar平台的刚体特性,建立了Spar平台与尾流阵子之间的耦合运动方程,利用该方法首先对一模型平台进行了数值验证,计算得到的锁定区域与实验测得的结果吻合良好。其次对一真实的Spar平台进行了计算,并得到Spar平台和尾流阵子的时间历程曲线。     

底部钻具组合的涡动特征分析

编制了井底钻具组合动力学特性的模拟程序,模拟结果与文献中的结果对比表明,所编模拟程序的模拟结果正确。利用井底钻具组合动力学特性的模拟程序模拟了钻铤形心的径向速度、径向加速度、涡动加速度、涡动速度功率谱以及相图,较全面地反映了井底钻具组合的动力学特性。结果表明:井底钻具组合在特定的情况下可以做规则涡动,更多的是做非规则涡动,没有运动周期;做规则涡动时,钻铤形心的涡动速度较小,其径向速度、径向加速度和涡动加速度均为0。在文中条件下,钻铤形心的涡动速度高达568.73 r/min,远大于规则向后涡动速度(79.41 r/min),该种状态的出现对钻具组合的导向能力及安全性将造成很大的的影响,值得进一步探讨。     

下部钻柱反向涡动机理研究

钻井过程中，下部钻柱通常处于反向涡动状态，易造成钻具和钻头的损坏。因此，分析研究下部钻柱的涡动机理十分必要。考虑下部钻柱与井壁之间的碰摩作用，应用转子动力学理论建立了下部钻柱的反向涡动机理分析模型，探讨了下部钻柱反向涡动的原因和形成备件，以及下部钻枉反向涡动频率与自转频率的关系等，并利用室内模拟试验验证了下部钻柱反向涡动的机理及规律。     

涡压挤扩法处理储罐地基

涡压挤扩机理是利用钢套管在旋转的过程中使涡压腔内的流态混凝土获得动能和静压能(其中静压能占主导),获得静压能的流态混凝土经过涡压腔口被涡压叶片挤压到套管外的周围土体中,使流态混凝土在深度土层位置向水平方向挤扩。通过分析涡压叶片、流态混凝土以及周围土体的受力关系,得出混凝土介质向土体质中挤入的力学条件。综合分析表明,采用涡压挤扩法处理储罐地基在理论上是可行的,在消耗低成本的前提下可大幅提高地基承载力。     

振动水嘴流场的大涡模拟

基于井下采油需要,于注水驱油装置内适当位置设计了亥姆霍兹振动水嘴进行脉动注水,以增强注水效果.本文从数值模拟角度出发,采用大涡模拟(Large Eddy Simulation-LES)方法数值预测了振动水嘴流场,得到了流场速度和压力分布,结果表明不同尺寸亥氏水嘴,自激振动效果差异很大,对固定的来流条件,存在着最佳的尺寸组合.通过水嘴出口平均压力实验测量与文中数值模拟的对比,表明数值预测方法正确、计算格式稳定、结果合理及有关程序应用方便,可与实验研究互相配合,促进自振水嘴机理和实用研究.     

钻柱涡动情况下疲劳损伤浅析

钻柱在井下工作环境恶劣,疲劳破坏是钻柱失效的主要形式。随着对钻柱工作环境的不断认识,理论和实践都证实疲劳破坏是一个累积的过程,疲劳寿命与钻柱在弯曲和扭转组合作用下的交变应力有关。建立了在涡动情况下钻柱的交变力学模型,分析了交变弯曲应力,应用形状改变对构件屈服区进行了渐进分析,扩展了线弹性断裂力学的应用范围,并用Forman模型预测了钻柱的疲劳寿命,使计算结果更加准确,引入疲劳损伤观点为钻柱使用安全性的判断增添了一种新方法,具有较好的应用前景。     

涡激振动抑制装置海上试验研究

采用涡激振动抑制装置是降低深水立管涡激振动响应,保证立管安全运行的有效措施之一。根据涡激振动抑制装置特点和深水海洋环境条件,提出了深水立管涡激振动抑制装置海上试验方案、样管尺寸、试验船舶机具及布置,并通过数值分析确定了拖曳速度、悬挂重物重量、拖曳钢缆等试验参数,对立管长度、外径及壁厚进行了校核。深水立管涡激振动抑制装置海上试验在我国东海海域已顺利实施,取得了满意的试验结果,抑制装置的抑制效率最高达到了89.1%。     

涡动条件下钻柱的屈曲分析

建立了涡动条件下钻柱屈曲的平衡方程。在弯曲挠度为小变形和钻柱中轴向力为0的条件下,采用理论方法分析了钻柱的弯曲挠度、屈曲应力随转盘转速变化的情况。当涡动速度增加导致钻柱的弯曲挠度增加和钻柱中存在轴向力时,钻柱的弯曲挠度以及交变应力的大小就需要通过非线性有限元来进行分析。使用非线性有限元方法求解了不同轴向拉力条件下钻柱的弯曲挠度、最大应力、最小应力和应力幅度。计算结果表明,不考虑轴向力时,理论分析结果与非线性有限元分析结果精度较高且具有一致性;当钻柱中轴向拉力大于200 kN时,由涡动引起的交变应力对钻柱的影响可以忽略;适当增大钻铤长度可以减轻钻柱的疲劳失效。     

旋转钻柱涡动规律的理论分析

本文对钻柱在井中的运动规律进行了较详细地分析，不仅再次说明了钻柱展到反向进动。文中给出钻柱从自转开始直到与井壁发生碰摩或涡动的具体变化过程和条件，并对其力学机理给予合理的解释。     

水下管线的涡激振动强度估算

穿越悬空管线多采用打桩加固,从而形成多跨连续梁。这种结构在涡流作用下的动强度,目前尚未见准确实用的计算方法。本文提出了一种可用于估算这种结构动强度的近似方法,经实例验证,该方法满足实际要求。     

纵向涡发生器强化换热特性的研究

采用热质比拟萘升华技术对2种翼形涡流发生器的对流换热特性进行实验研究。在实验雷诺数范围内,分别测量了三角形翼和矩形翼2种涡发生器在30、60和90°不同迎流角下的对流换热特性,得到了平均和局部对流换热实验曲线,并用场协同理论进行了换热机理分析。研究结果表明,在矩形通道内安装翼形涡发生器有利于强化传热,局部强化幅度可达50%,旋涡附近的强化效果最为明显;在实验雷诺数范围内,迎流角对翼形涡发生器对流换热特性有显著影响,最佳迎流角在60°左右。     

Spar平台涡激运动关键特性研究进展

介绍了目前国际上Spar平台涡激运动研究的概况,并从涡激运动的形成机理、涡激运动响应特征、涡激运动抑制方法、涡激运动研究及预报方法等几个方面对其关键特性进行了详细阐述,提出了这一课题未来研究方向的有关建议.     

旋转钻柱涡动规律的理论分析

本文对钻柱在井中的运动规律进行了较详细地分析,不仅再次说明了钻柱在本身自转的同时还进行着公转,而且指出了钻柱先是在做正向涡动,然后才可能发展到反向进动。文中给出了钻柱从自转开始直到与井壁发生碰摩或涡动的具体变化过程和条件,并对其力学机理给予了合理地解释。     

下部钻柱涡动机理及规律研究

根据转子动力学理论,转子的涡动机理及规律与碰摩作用密切相关,考虑下部钻柱与井壁之间是否发生碰摩作用,应用转子动力学理论建立了2个下部钻柱涡动分析模型,探讨了下部钻柱涡动机理及规律。下部钻柱与井壁之间可能存在2种碰摩作用:一是"部分碰摩"作用;二是"全周碰摩"作用。理论分析表明:(1)下部钻柱的同步正向涡动源于下部钻柱的质量偏心,而反向涡动源于下部钻柱与井壁之间的碰摩作用;(2)下部钻柱的反向涡动状态相当于钻柱沿井壁做无滑动的反向滚动,反向涡动频率与自转频率之比等于钻柱半径与井眼间隙之比。     

涡凹气浮在炼油污水处理中的应用

阐述了涡凹气浮的原理及特点，并结合扬子石化炼油厂污水处理场改造的工程实例，采用涡凹气浮法处理污水，可以使污水的含油去除率达到88.2％，出水含油量为17．7mg／L，满足出水水质指标。与溶气气浮法相比，该法具有节省投资和占地，节能降耗，减轻操作强度的优势。