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用弹塑性有限元方法 ,建立了套管的有限元力学模型。给出了磨损量、抗内压强度系数的确切定义。对套管内壁不同磨损量的抗内压强度系数进行了分析计算 ,得出了套管的抗内压强度与内壁磨损量成抛物线关系。并分析了不同磨损量时 ,在内压作用下 ,套管管体达到屈服时 ,磨损量与抗内压系数、套管内VonMises应力以及套管内的位移变化关系。并得出了P110× 2 4 4 .4 8mm× 11.99mm套管结构尺寸下 ,磨损套管抗内压系数与其磨损量的经验公式 ,为磨损套管柱设计提供理论数据。     

蠕变地层中套管外载的有限元数值分析法

地应力与井眼稳定、井筒压力系统控制、井眼井斜及方位的控制和井身 结构的确定紧密相关。因此地应力场的研究是钻井工种设计的基础工作之一。目前国内外对地应力作用下的套管外载的研究非常重视，相继开展了室内模拟试验和有关理论的研究。文中主要用有限元数值分析法研究蠕变地层中地应力对套管外载的影响。     

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分析和评述了从30年代以来国内外关于复杂地层套管破坏机理研究的发展过程和动态,提出目前尚未解决的问题就是“复杂空间力学系统地层”与套管破坏的各种耦合的数学、力学问题。因此提出首先要解决复杂地层数学模型、力学模型、以及地层与水泥环及套管之间的力学耦合问题,并且必须研究复杂地层遇水膨胀、地层滑动、地层蠕动、地表地层升降使套管破坏与地应力场状态关系,根据复杂地层套管破坏井段地质构造图、地震资料、测井资料及套管破坏特征,反演出整个研究地层区块现代地应力场。同时提出了用计算机数值模拟技术为主要研究手段及对现代地应力场的研究是今后复杂地层套管坏机理与预防措施研究的发展方向。该研究是一门综合性的、学科间大跨度交叉的边缘学科研究,将对地应力理论和推动地球科学、数理科学的发展具有重大的科学意义。     

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美国Enventure公司已在中国石化胜利油田成功地完成了世界上第200口和第201口膨胀套管作业,也是目前国内仅有的两口膨胀套管井,文章针对这两口井的膨胀套管结构参数和材料特性参数进行了膨胀过程的力学研究。膨胀套管结构为J55钢级107.9 mm套管膨胀至139.7 mm套管内壁,用弹塑性有限元接触问题对膨胀套管膨胀过程的力学问题建立了有限元力学模型,并对其膨胀力学过程进行了详细研究。文中提出了膨胀套管力学研究的主要参数,通过计算机数值模拟分析,对这些主要参数进行了详细分析,针对力学行为最敏感的参数－摩擦系数、膨胀锥角的变化进行了大量的组合分析,将膨胀锥角直线接触改为圆弧接触后,改善和降低了膨胀套管内的残余应力,提高了其强度性能。同时,优化出了研究的膨胀套管结构尺寸下,膨胀芯头的最佳锥角为9.8°。文章研究结果对开发国内自主产权的膨胀套管结构设计、润滑设计等具有重要的指导意义。     

套管膨胀过程数值模拟与试验研究

采用弹塑性有限元接触方法建立了J55钢级φ114.3 mm套管膨胀过程的力学模型,模拟分析膨胀过程,得出了套管膨胀后的应力云图、长度缩小率及壁厚收缩率.数值模拟与试验结果相符,证明有限元模拟结果可以为套管膨胀技术应用提供理论依据.     

盐膏层蠕变粘弹性流体模型及有限元分析

将盐膏层作为线性Maxwell流体，建立了平面应变问题的粘弹性力学模型，通过实例江汉油田王80-3井不同时段内的井径变化，借助模型辩识理论，运用有限元方法，研究了盐膏层蠕变与时间的关系，套管在均匀、非均匀载荷作用下的应力分布，套管制造缺陷（不圆、不均度）对套管应力的影响，水泥环对套管的保护作用等，所得结果为工程实际提供了定量的参考依据，具有很好的推广应用价值。     

荆丘油田套管变形机理及防治方法

从华北荆丘油田套管变形井段的地层岩性、固井水泥和套管钢材的力学性能测定入手,验证了地应力引起的岩石塑性流动是导致套管变形的主要因素,提出了套管变形的计算力学模型,用弹塑性有限元软件进行了仿真计算,并以此为基础,提出了防治套管变形的几种方法。对这类油田新井套管柱设计和老井修复,具有重要的理论指导意义。     

径向井钻杆截面变形模型及实验分析

径向水平井技术在国内外已研究多年。但其钻杆的弯曲状态、应力应变分布始终未见研究报道。现文运用刚塑性理论,对有限弯曲状态下的钻杆弯曲进行了建模,得出其中性层始终位于钻杆拉伸侧的结论。且随着钻杆上所受阻力的增加,中性层偏离越大;采用塑性增量理论,建立了钻杆截面变形模型,应用所建立的模型对实验结果进行了分析。从而确定了钻杆与滑道的间隙是决定钻进成败的关键。对比分析发现钻杆上的阻力,有相当一部分来自造斜器对钻杆的方向性挤压。这为改进造斜器的设计、增加钻进进尺指出了方向。     

射孔对生产套管强度的影响规律研究

为了深入了解射孔对生产套管强度的影响,采用弹塑性有限元分析方法,分别对未射孔套管和不同射孔密度套管的极限承载力进行了分析.计算和试验结果都表明,射孔后套管的极限承载能力均有不同程度的下降,下降幅度与射孔密度有关.因此,在套管柱设计时应该考虑射孔的影响.     

套管、水泥环及井壁围岩组合体的弹塑性分析

基于多层组合厚壁圆筒理论,建立了套管、水泥环及井壁围岩组合体的力学模型,对均匀地应力作用下的组合体进行了弹塑性分析。推导了弹塑性条件下套管、水泥环及井壁围岩组合体的应力分布表达式,分析了线弹性、完全塑性等不同状态下组合体的受力特点,分别讨论了水泥环弹性模量对不同性质地层内套管外挤载荷的影响规律以及组合体的塑性极限问题。研究结果表明,水泥环的理想性能应为高强度、低刚度。其机理是利用高强度抵御地层载荷,利用低刚度降低载荷传递系数,从而达到保护套管的目的。由此,应加强新型高强低刚塑性水泥的开发。     

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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。     

疏松砂岩层套管受力的有限元分析

疏松砂岩层段油气井开采过程中,生产层段由于出砂将在套管外部附近形成空洞,破坏了套管的受力环境,套管外部失去支撑。由于上覆地层压力的作用和地层扰动力的作用,使套管在轴向压力作用下产生屈曲变形,甚至错断。文章用弹塑性有限元法建立了出砂层段套管屈曲变形的空间有限元力学模型。根据此模型,分析了套管内的Von-Mises应力随出砂范围变化的变化过程,定量分析了套管内的应力变化以及套管的侧向位移变化,这些结果为预防套管损坏和屈曲变形提供了理论依据。     

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。     

套管车丝机控制系统分析

介绍了美国ＰＭＣ公司制造的４７１型管车丝机的控制系统,该系统以ＧＥＦＡＮＵＣ公司Ｏ－ＴＣ系列的ＣＮＣ为核心 ,通过进给伺服驱动系统和可编程机器控制器分别实现系统中的数字控制和顺序控制,通过安装的三种用户应用程序,加工程序,屏幕程序,ＰＭＣ梯形图程序,可在ＣＲＴ屏幕上观察到实时在线运行的情况,得到系统的诊断和报警信息,进而调整一系列的加工参数,从而大大加强了人机交流,更加有利于车丝机的正常运行。     

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将盐膏层作为线性Maxwell固体，建立了平面应变问题的粘弹性力学模型，通过实测江汉油田王78—1井不同时段内的井径变化，借助模型辨识理论，运用有限元方法，研究了盐膏层蠕变与时间的关系，套营在均匀、非均匀载荷作用下的应力分布，套管制造缺陷(不圆、不匀度)对套营应力的影响。所得结果为工程实际提供了定量的参考依据。     

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。     

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近年来,我国许多油气田的套管损坏均呈快速增长势头,套管损坏的频繁出现带来了巨大的经济损失,也严重防碍了正常生产。然而,按照以往的方法对井下套管变形情况进行识别,进而预测其损坏程度是非常困难的。这种困难来自于许多方面,诸如井眼周围地下情况的不明确、套管受力难以确定、复杂的失效机理、因素的模糊性、套管损坏原因与结果之间的模糊关系等等。为此文中首先系统地分析了这些困难,对套管损坏的原因进行归纳及分类,然后在此基础上利用模糊数学建立了对套管损坏的数学描述,提出了用模糊综合评判方法识别套管的变形情况,进而用序列评判结果来预测套管损坏程度和使用寿命。该方法考虑并利用了影响套管损坏的许多模糊因素,在一定程度上解决了以往方法中遇到的困难,为套管寿命预测研究提供了一种新的途径,并得到了生产单位的肯定。     

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文章系统讲座了套管有限元计算中容易被忽视的一些问题,如加载步长、单元划分和载荷的非均匀性等因素对计算结果的影响。分析结果表明①加载步长对计算结果有重要影响,尤其是进入塑性阶段后,不够精细的长步会导致错误的结果。②由于套管的形状比较简单,使人们容易忽视单元划分对计算结果的影响,事上实上,即使是最简单的平面问题的应力计算,单元数量也不能太少,尤其是计算套管的变形,沿壁厚方向只划分一层单元是不够的。③载荷的非均匀性对套管损坏影响极大,体现在两个方面,一是载荷的非均匀性增大时,套管能承受的最大载荷急剧减小,二是在非均匀载荷作用下,套管出现一定程度的局部屈服后,即使载荷不再增大,套管的变形量仍会不断增加。这些分析和结论不但澄清了套管有限元计算中长期存在的一些问题,还使我们对套管变形损坏的机理有了新的认识。     

水平井套管受力变形分析的有限元方法

以整体套管柱为研究对象，设计了特殊的有限元模型来描述套管与井壁的接触状态和套管的受力。此模型综合考虑了井壁的间隙、井眼的曲率、摩擦力等因素的影响，能较为准确地反映套管的受力变形。据此编制了相应的计算程序，能计算出套管的变形及受力大小，为模拟套管整个下入过程的受力变形提供了一套有效的方法。     

振打装置螺柱和法兰连接接触模型的有限元分析

利用三维接触单元和预应力单元,通过建立螺柱、螺母的实体接触模型,对振打装置的螺柱和法兰连接结构进行有限元分析,得出该结构的强度和密封性结论。文中涉及的建模及分析方法,对类似的结构分析具有一定的借鉴作用。