深水测试管柱-隔水管耦合涡激疲劳分析

在深水钻完井测试作业过程中,由于海流作用隔水管易发生涡激振动引起疲劳损伤,由隔水管涡激振动引起测试管柱疲劳损伤问题不容忽略。针对深水高压气井测试作业特点,考虑测试管柱和隔水管之间相互作用,建立测试管柱-隔水管耦合涡激振动模型,提出测试管柱-隔水管涡激疲劳分析方法。结合南海某深水高压气井,研究测试管柱-隔水管耦合系统涡激振动机理、疲劳损伤规律及影响因素。研究结果表明:测试管柱-隔水管耦合系统高流速下更易于发生多模态涡激振动,疲劳损伤沿水深方向呈现波动变化,顶部和下挠性接头附近疲劳损伤最为严重,其中测试管柱疲劳损伤约为0.2~0.25倍隔水管疲劳损伤,适当增大隔水管顶张力和测试管柱提升力可有效改善测试管柱-隔水管耦合系统涡激疲劳性能。     

深水测试管柱力学行为研究进展及发展方向

深水测试管柱的力学行为对深水测试的成功有着重要的影响。以陆地管柱力学研究为基础,对深水测试管柱
的结构、工况、载荷以及研究现状进行了分析阐述。分析认为,国外深水测试技术成熟,深水测试管柱力学行为研究完
善;而国内则主要依靠国外技术服务公司进行深水油气田的测试工作。同时,针对中国深水测试的应用现状,对深水
测试管柱的力学行为研究进行了系统分析,指出应该建立考虑平台升沉和漂移、隔水管影响、产层高压流体、射孔冲击
载荷、温度耦合作用等因素的深水测试管柱动力学模型,分析整个管柱的力学行为,实现对深水测试管柱的优化设计,
提高深水测试管柱施工作业的安全可靠性。     

受井眼约束带接头管柱的纵横弯曲分析

针对受井眼约束带接头管柱的纵横弯曲问题,将管柱变形分成3 类情形：无接触、点接触和连续接触。根据 管柱变形基本方程及接头处管柱的边界条件和连续性条件,分别求解3 种情形下的管柱变形曲线。利用无接触到点 接触以及点接触到连续接触的判别条件,分别求解了接触状态转换的临界参数,并分析了临界参数（φ）随管柱视半径 与接头视半径之比（λ）的变化规律。结果表明,当λ 比1 略大时,φ 对λ 的变化很敏感;当λ 大于2 后,φ 对λ 的变化 不敏感,并且趋于某一稳定值。以λ = 2 为例,详细描述了管柱弯曲接触状态转换的整个过程。计算结果可以为实际 作业中接头对管柱弯曲影响分析提供理论基础。     

无隔水管深水钻井作业管柱的力学分析

 无隔水管深水钻井作业是深水钻井的关键环节之一,管柱的力学行为十分复杂。本文阐述了无隔水管深水钻井管柱的纵横弯曲变形力学模型、纵向振动力学模型及无隔水管深水钻井送入管柱设计与强度校核方法等,分析了作业管柱变形及运动的主要影响因素和规律,提出了解决这类复杂工程问题的简化思路。结果表明,作业管柱的轴向拉力过大或过小、海水深度大、平台偏移或升沉振动幅度过大以及海流流速快等因素对管柱的强度安全具有显著影响。在无隔水管深水钻井作业管柱强度设计与校核时,应充分考虑管柱的作业工况及环境载荷的影响。     

深水钻井送入管柱的载荷计算与强度分析

在海底浅部地层导管段和表层套管段的深水钻井过程中,裸露在海水中的送入管柱承受各种复杂载荷,有失效的风险。基于Euler-Bernoulli梁理论,建立无隔水管环境下送入管柱的准静态载荷计算模型,应用加权余量法进行求解,分析海洋环境载荷、钻井船偏移运动及底部套管柱重力等因素对送入管柱受力、变形和强度安全的影响。结果表明:海流载荷对管柱横向变形作用显著,波浪载荷对管柱顶部弯矩有较大影响;底部套管柱重力是影响送入管柱强度设计的关键因素;在不同作业阶段,钻井船适当的负向偏移有助于导管垂直安装,而钻井船适当的正向偏移能有效减小管柱顶部弯矩;由于弯曲正应力造成Mises应力在管柱顶部和底部出现突增,可基于轴向复合应力进行送入管柱的强度设计,并给出了管柱结构优化方案。     

套管螺纹牙齿面接触应力分布研究

以P-110S圆锥管螺纹联接为计算实例,利用ABAQUS大型有限元分析软件,建立了圆锥管套管接头的弹塑性轴对称接触有限元模型.通过有限元分析得到了套管接头在不同的使用工况（包括过盈、施加轴向拉伸载荷等）下螺纹牙整体的应力分布规律;同时以圆锥管螺纹接触齿面为研究对象,得到了螺纹牙导向面和承载面上从齿顶到齿根的应力分布趋势.     

深水钻井隔水管法兰接头压溃安全分析研究

针对深水钻井隔水管法兰接头在深水钻井过程中承受着复杂恶劣的环境载荷,以及工作过程中产生的内外压差,有必要对深水钻井过程中法兰接头的工作受力情况进行深入研究。根据有限元原理,建立了法兰接头模型,利用有限元分析方法研究了不同外压载荷下的隔水管法兰接头无磨损以及磨损情况下的应力分布情况及临界压溃压力。分析结果表明,在螺栓预紧力载荷以及工作载荷情况下,法兰接头符合安全强度要求;对无磨损的法兰接头施加外压载荷,法兰接头受到的最大应力随着外压载荷的增加而增加,外压载荷增加到一定值时,上法兰接头辅助管道通道处的T型台处会产生应力集中;对磨损的法兰接头施加外压载荷,法兰接头的临界压溃压力随着磨损深度的增加而减小。     

水平井钻磨组合管柱载荷计算方法与应用

随着水平井水平段长度的增加,水垂比变大,管柱下入困难。油田现场钻磨作业采用两种线重油管的组合管柱方式提高下入能力,但是针对组合管柱载荷计算问题尚无基础研究。根据水平井的井眼轨迹、管柱自重以及管柱在各井段受力特点等因素,考虑流体对管柱相互作用力,建立了钻磨组合管柱载荷计算模型;通过C#语言环境采用迭代法、插值法及分段判别计算法编程求解模型,开发了组合管柱载荷计算软件,通过导入井眼轨迹参数、输入作业参数、设计管柱结构,实现载荷计算。应用编制的软件可实现对井眼轨迹的绘制和水平井钻磨作业组合管柱的多种载荷计算,为水平井钻磨安全作业提供了一定的指导作用。     

垂直井筒内悬挂管柱屈曲演变有限元分析

摒弃常规方法中管柱屈曲挠曲线的假设,建立垂直井筒内悬挂管柱的几何和接触双重非线性力学模型,虚拟较大的阻尼比,进行有限元计算。采用正向加载法得到管柱稳定的连续接触的螺旋屈曲构型;采用逆向加载法,根据螺旋屈曲构型,逐渐增加悬挂拉力,进行屈曲演变分析;并分析摩擦力和管柱长度对临界载荷的影响。结果表明:螺旋屈曲向正弦屈曲转变是突变的过程,屈曲模态构型包括螺旋屈曲构型、刚螺旋屈曲和正弦屈曲。摩擦力对临界载荷的影响甚微。随着管柱长度增加,各阶屈曲模态的临界载荷均逐渐减小并趋于常值。此方法适用于斜井、曲率井和水平井管柱的屈曲过程分析。     

深水超长沉管隧道接头及止水带地震响应研究

依托港珠澳沉管隧道工程,建立了3维实体连续有限元模型,对这条深水超长沉管隧道在地震作用时接头处的内力和位移情况以及止水带的压缩与变形进行了详细的模拟与研究,重点分析了地震作用时沉管隧道接头处的相对位移(包括管节接头和节段接头)、管节接头处GINA止水带的变形,为施工和运营期的安全与维护提供必要的指导和依据.     

复杂力学环境中完井管柱屈曲行为及其防控措施

复杂力学环境中完井管柱由于处于超高温、高压的环境下,容易发生管柱屈曲,大大影响了管柱的服役寿命.基于弹塑性力学理论建立了实际井况下油管柱屈曲行为分析的有限元力学模型,并在此基础上分析了复杂力学工况下管柱的屈曲形态、横向位移等,再针对加扶正器、优化产量以及伸缩管的设计等缓解管柱屈曲措施对管柱屈曲行为的影响程度开展了研究.结果 发现:在苛刻工况下,油管柱底部易发生较为复杂的屈曲,从井深5 500 ～7 300 m井段的油管柱产生了螺旋屈曲的构型,整段屈曲段长达2 400 m;本文工况下,伸缩短节数达到6个后,全井段油管柱的屈曲段长度和管柱弯曲应力的减小速率大幅降低,伸缩短节的个数对管柱屈曲及弯曲应力影响大幅减弱.对于复杂环境下气井工况而言,控制产量对管柱屈曲行为改善最为明显,其次为扶正器设计,为提高油管柱寿命及气井完整性提供了技术支撑.     

深水高温高压气井环空圈闭压力下油管柱安全评价方法

深水高温高压气井普遍存在环空带压现象,而深水井通常采用水下井口,使得B、C环空无法进行泄压操作,从而导致井下油管柱承受高环空圈闭压力载荷,同时附加高温、腐蚀多因素耦合影响,使得油管柱存在失效风险。针对深水高温高压气井环空圈闭压力下油管柱安全问题,基于深水井特性,综合考虑热膨胀和鼓胀效应引起的环空温度、环空体积、流体体积以及环空压力变化的动态耦合作用,建立了深水高温高压气井圈闭压力预测模型,同时,考虑高环空圈闭压力载荷,附加高温及腐蚀多因素耦合影响,建立了深水高温高压气井油管柱安全评价方法,开展了环空圈闭压力多因素影响下油管柱安全评价,并对模型进行了验证。结果表明：考虑环空圈闭压力影响后,环空圈闭压力随服役时间逐渐降低幅度远小于地层压力降低幅度,管柱抗外挤安全系数随服役时间降低幅度增大。同时,管柱内外流体压差随井深增加而逐渐增大,在井底管柱更易发生失效风险;在井筒高温及腐蚀耦合影响下,管柱抗内压、抗外挤及抗拉安全系数均呈现处不同程度的降低,特别井底段管柱受苛刻高温及腐蚀环境,附加高环空圈闭压力,使其更易发生失效风险,在设计及实际生产过程中,应重点管柱井底管柱安全风险。     

南海北部超深水气田探井测试作业实践与认识

随着油气勘探逐步走向深海,如何安全高效的实现油气井测试已成为深水油气勘探的关键。南海北部陵水LSE-1井为我国第一口超深水气井,测试作业面临着多个难题:低温高产流体在测试管柱内水合物生成风险极大,超深水条件下多种动载荷联合作用更为复杂,安全风险高;气层埋深仅在泥面以下1 200 m,孔隙度高,出砂风险极高;常规取样方式不能满足安全要求和样品品质要求。基于面临的困难,结合已有深水测试作业技术与经验,通过调整水合物防治措施、制订严格的应急解脱决策系统及节点管控预案、改进模块化地面测试流程、采用新型一开一关测试程序以及压控式井下PVT取样技术等关键工艺措施,安全高效地取得了测试作业的成功,准确评价了我国首个超深水气田。新工艺的成功应用将为我国深水油气勘探提供有力的技术支撑。     

考虑上部管柱变形影响的减震器动力学分析

针对在冲击载荷下长测试管柱的减震问题,利用行波法建立了减震系统动力学模型,与以往研究模型进行了比较,分析了减震器在冲击载荷下的动力学特性.结果表明:上部测试管柱的变形将增大减震器系统的阻尼系数,同时减小减震器系统的固有频率,从而增强减震效果;测试管柱材料系数和减震器参数比值影响减震效果,比值愈大,减震效果愈好.     

多级多段细分注水管柱动态力学分析及蠕动规律

为准确分析多级多段注水管柱在不同工况下的动态力学性能及蠕动现象,在考虑井筒三维轨迹及多级多段注水管柱空间受力的基础上建立注水管柱三维力学模型,分析封隔器处受力连续性条件和注水管柱动态力学性能,研究封隔器的蠕动机制,提出多级多段注水管柱力学蠕动计算方法。针对河43-12井注水管柱,开展不同作业工况下的蠕动分析。结果表明:所提出蠕动算法的计算结果误差范围为8%～15%,具有较高的准确性;不同工况转换过程中,由于温度、压力变化剧烈,管柱蠕动明显,各级封隔器蠕动变化规律随时间变化基本一致;注水管柱施加刚性锚定后,各级封隔器蠕动量均大幅减小。     

高弹性合金钢的微细磨削仿真

挠性接头刚性差,在微细磨削加工中易变形,其精度难以控制.为了提高挠性接头的工作性能,重点研究了挠性接头细颈的磨削工艺参数及其表面质量.基于磨削加工、弹塑性力学和有限元法等理论,利用ABAQUS模拟单颗磨粒微细磨削高弹性合金钢,分析磨削工艺参数对磨削力、热的影响规律,并用专业金属切削软件Advantedge对残余应力进行仿真,研究工艺参数对残余应力的影响规律,为进一步提高细颈的磨削质量及挠性接头角刚度的稳定性奠定基础.研究结果表明,提高砂轮线速度,可以大大减小磨削过程对工件表面的热作用宽度和深度,有利于减小热损伤和提高表面质量.     

基于能量法的定向井中造斜段下凹管柱屈曲临界载荷分析

运用最小势能原理导出定向井造斜段下凹管柱屈曲载荷计算公式。以常见管柱参数为例,编制了相应的MATLAB程序,计算了不同条件下管柱屈曲临界载荷,分析了井眼曲率半径、平均井斜角、油套径向间隙对管柱临界屈曲载荷的影响。分析结果表明:定向井造斜段下凹管柱屈曲临界载荷随井眼曲率半径的增大呈指数递减趋势,随平均井斜角的增大而指数递增;管柱壁厚的增加会提高管柱抵抗屈曲变形的能力,但这种影响会随井眼曲率半径、油套管径向间隙的增大而减小。本文研究结果可为定向井射孔、试油、改造及完井投产管柱组合及下入提供参考。     

大斜度井作业管柱屈曲后摩阻模型的修正

作业管柱发生屈曲后,改变了与井壁的接触状态,同时改变了接触载荷的大小。一般情况下,由于屈曲作用,增大了作业管柱与套管之间的接触力,从而增大了摩阻。当管柱发生屈曲后,若还采用原有的摩阻模型进行计算,必将导致较大的误差。     

基于梁-梁接触理论的管柱屈曲分析

为探究长直管柱在井下复杂工况下的屈曲形式,进行基于梁-梁接触理论的管柱屈曲分析研究。利用梁-梁接触理论对考虑剪切弯曲变形的梁进行离散化,使用管-管接触单元建立管柱变截面摩擦接触有限元模型,并用此方法针对分层采油井实际井况建立管柱有限元分析模型。结果表明,分层采油管柱在井下复杂的受力环境下会发生不等距复合屈曲,在考虑摩擦的情况下管柱的屈曲构型不再是标准的正弦线或是螺旋线构型,并利用磁定位数据验证了计算结果的可靠性。     

喷射安装导管作业中喷射管串力学分析

深水钻井喷射安装导管作业中喷射管串的结构特殊,受力复杂。作业过程中喷射管串系统的内、外层管柱处在不同的受力系统中,正确分析喷射管串系统在作业过程中的轴向力是分析管柱整体变形和应力的基础。分析发现：底部钻具组合的轴向力主要受马达、钻头压降产生的水力推力、射流反作用力及钻头钻压的影响,导管上的轴向力受地层和入泥导管之间的摩擦力影响,二者通过导管送入工具相互传递。计算了作业过程中喷射管串各部分的轴向力分布,并讨论了导管柱上的中性点随导管安装深度的变化规律,对喷射安装导管设计和作业具有实际意义。