残余应力对石油套管承载能力的影响分析

在套管的生产过程中产生的残余应力将降低套管的屈服极限，进而降低了套管的承载能力．长期以来，这个问题一直没有引起人们的充分重视而加以克服．为此，根据弹性力学理论，建立了套管的力学模型，通过有限元分析和计算，得到了存在残余应力的情况下套管的承载能力．计算分析表明，残余应力在很大程度上影响着套管的承载能力，因此，为了提高套管的承载能力，应尽量降低管体的残余应力。     

边界约束对中厚板焊接残余应力的影响

基于已有试验数据及有限元模型计算结果,对约束、自由边界下中厚板焊接残余应力进行了数值模拟,通过改变热、力学边界,得到了焊前预热、焊后热处理,力学约束程度、约束距离改变对不同外边界焊接残余应力的影响。结果表明：预热将显著降低热影响区残余应力,约束条件下母板残余应力的降低与预热温度成正相关,自由边界残余应力基本不受预热影响;焊后热处理使得高温非线性区(焊缝及热影响区)纵、横向残余应力降低,约束条件下横向应力在整个母板表面改变明显,而自由状态下纵向应力仅在板边缘发生波动;约束增强仅增大应力值,不改变应力分布趋势;板端约束对残余应力的影响存在单向性,横向约束的改变对纵向残余应力的影响可以忽略;约束大小保持不变,约束距焊缝的远近程度的改变对近缝区残余应力的影响较小,有限元计算在保证一定精度的前提下可以适当的减小建模尺寸以提高求解速率。     

套管抗挤强度分析及计算

为提高套管挤毁压力预测精度,应用统计方法对213根套管全尺寸挤毁试验数据进行了方差分析,研究了外径不圆度、壁厚不均度、残余应力等因素对套管抗挤强度的影响。分析结果表明,径厚比、屈服强度是套管抗挤强度的主要因素,不圆度、壁厚不均度、残余应力等因素对套管抗挤强度的影响呈随机性分布。利用有限元方法对外径不圆度、壁厚不均度和残余应力的不同位置组合进行了模拟分析。结果表明,数值相同的外径不圆度、壁厚不均度及平均残余应力组合不同时,套管的挤毁压力相差很大。最后提出了一个套管抗挤强度计算公式,计算简单,精度可满足工程要求。     

稳态温度场下自增强残余应力松弛模型研究

针对高压聚乙烯反应管自增强残余应力在温度影响下的松弛现象,运用金属材料的蠕变理论和弹性力学理论,建立了稳态温度场作用下剩余自增强残余应力的理论预测模型.该模型的计算结果和实验结果吻合.     

蠕变地层套管外载计算的位移反分析法

套管外载计算是蠕变地层套管受力分析的难题,由于套管周围应力场比较复杂和地下环境多样,难以直接求解.根据弹性力学理论,建立了套管在地层蠕变引起的椭圆形非均匀外载下的力学模型,并应用逆解法对该力学模型进行求解,得到了在非均匀外载下套管的应力和位移计算式.基于套管内壁变形的实测资料,利用阻尼最小二乘法建立了套管外载反分析模型,提出了确定套管外载的反分析方法,讨论了反分析法的应用.实例分析表明,载荷反求值与真实值吻合较好,拟合精度较高,说明这种方法具有较好的实用价值.     

套管-水泥环-地层耦合系统热应力理论解

根据弹性力学和热力学理论,推导了套管-水泥环-地层耦合系统的热应力和热位移理论计算公式,分析了系统热应力和热位移径向分布规律,以及套管温升、弹性模量、热膨胀系数、壁厚、水泥环与地层弹性模量和泊松比等参数对套管热应力和热位移的影响.结果表明:随着离套管中心径向距离的增加,径向热位移和热应力先增大后减小,最大值分别位于地层和套管外壁,而套管上Von Mises应力值迅速下降,最大值位于套管内壁;随着套管温升和套管、水泥环、地层弹性模量与热膨胀系数的增加,套管内壁Von Mises应力和外壁径向压力增大,其中套管参数变化对计算结果影响更明显.在进行稠油热采井套管抗挤毁强度计算时,应考虑热膨胀在套管外壁产生的径向压应力的影响.     

残余应力测试方法综述

该文介绍了残余应力对结构件在实际使用中的有害影响及实验对于测量残余应力的必要性阐述了当前测量残余应力的两种主要方法,并对机械式残余应力测试方法分别从平面和三维条件下进行了详细的说明。大部分残余应力的测试方法都没有达到实用阶段。除了测试技术还存在问题,在力学原理上,主要是弹性力学与塑性力学还得不出钻孔这个力学模型的三维问题应力解。     

应力-强度干涉理论在对接焊缝中的应用

针对钢桥承载能力是否满足实际需求的问题,提出了一种将应力-强度干涉理论应用于钢桥对接焊缝数值分析的方法.对钢桥整体结构进行静力学分析,得到了钢桥主梁不同位置的应力状态;通过应力-强度干涉理论分析静载条件下对接焊缝的可靠性;以Q345钢对接焊缝为例,验证了提出方法的可行性,分析了含有残余应力的对接焊缝的可靠性.分析结果表明,在钢桥焊缝没有消除残余应力时,焊缝可靠性显著降低.     

椭圆水泥环厚度和弹性模量对套管受力的影响分析

根据岩石力学和弹塑性力学理论,建立套管-水泥环-地层力学模型,采用有限元方法研究分析不同地应力条件下椭圆水泥环厚度和弹性模量对套管应力的影响,研究结果表明:在均匀地应力条件下,一定厚度的圆形水泥环对减小套管受力有益,在非均匀地应力条件下,采用椭圆水泥环能有效的减小套管应力.     

焊缝层数对特厚度管板焊接残余应力与变形影响的有限元分析

基于ABAQUS软件,建立了顺序耦合的焊接残余应力与变形有限元计算程序,对大型环氧乙烷（EO）反应器国产化中采用的390 mm厚20MnMoNb特厚板拼焊反应器管板的焊接过程进行了残余应力与变形计算,并讨论采用不同焊缝层数对管板焊后残余应力与变形的影响.焊接采用双U形坡口,通过翻转管板进行两面坡口的交替焊接,为防止管板发生过度变形,焊接时始终在管板两端压有重量为4.5 MN配重.计算结果表明：焊后管板发生了一端翘起的角变形,在靠近表层的焊缝及热影响区存在较大残余拉应力,在焊缝内部为较大的残余压应力;由于配重对变形的限制导致先焊面的应力大于后焊面;增加焊缝层数,使变形增加,残余应力降低,但并不显著.对如此大型特厚板约束焊,增加焊缝层数不是降低其焊接残余应力的有效手段.     

逆解法求封隔器胶筒与石油套管内壁挤压应力

由于胶筒位于套管内部，周围有油和水，工作环境极复杂，无法用直接测量或数值法得到挤压应力。作者利用电测法测出套管外壁应变，再结合有限元法，由测得的应变反算出封隔器胶筒与套管之间的挤压应力。结果表明，成功地为研究胶筒封隔器的工作状态提供了有效方法，并可为优化设计提供有价值的数据。     

不扩孔径向水平井钻管转向仿真研究

针对177.8 mm套管内部空间尺寸的约束条件,建立转向器弯曲导向滑道及钻管模型,利用ANSYS软件,对钻管通过转向器滑道的转向过程进行有限元仿真研究。仿真结果表明:在钻管弯曲转向时钻管弯曲内侧更易发生失稳;转向器滑道曲率变化率是个非常重要的参数,钻管应力、截面变形、钻管阻力都与其有关,为了使钻管以低应力、较为安全的状态通过转向器,减小滑道轨迹的曲率变化率是必要的方式;材料为X的钻管可以安全穿过滑道,钻管转向后可以沿滑道水平钻进,钻管变形保持在许可范围内,能够满足径向水平井的钻进要求。     

基于数值模拟的套管受力单因素分析

套管损坏一直是油田开发过程中的棘手难题,对套管受力及影响因素进行研究对保证套管安全具有重要意 义。考虑开发过程中储层渗流场与应力场的耦合作用,基于流固耦合理论,建立了套管水泥环围岩组合体系 的数学力学模型,根据单因素理论,通过数值模拟,揭示了套管的径向挤压力随注水压力、套管参数、地层参数和地应 力的变化规律：套管的径向挤压力随注水压力、套管壁厚、地层泊松比、弹性模量的增大而减小;随着套管弹性模量、 直径、地层渗透系数、地应力的增大而增大。研究成果将为油田套管保护和预防套损提供理论指导。     

庆深气田水平钻井水基泥浆中套管磨损机理实验研究

水平井钻井过程中,钻杆与技术套管的接触力较大,套管磨损比较严重,套管强度降低较多,给后续试油及完井投产作业留下隐患。为了深入了解水平井水基泥浆中钻杆-套管的磨损机理,为准确评价庆深气田套管磨损程度及剩余强度提供依据,在西安石油大学创新研制的环块式钻杆-套管磨损实验机上,模拟实际钻进参数,进行了该气田常用的水基泥浆中钻杆-套管磨损实验,考察了接触压力、转盘转速、磨损时间等因素对套管磨损效率的影响。利用试件磨损表面扫描电镜(SEM)图片进行了形貌分析,确定了水基泥浆中套管的磨损机理。实验结果表明:水基泥浆中,套管的磨损类型兼有粘着磨损、疲劳磨损和犁沟磨损等。黏着磨损是最主要的类型,采用基于黏着磨损机理的White磨损效率模型预测井下套管的磨损是可信的。水基泥浆中P110套管的磨损效率在(2~8)×10-131/Pa之间,稍大于钻井手册中的套管磨损效率(2×10-131/Pa);磨损效率随接触压力和转速的增加而增加,前期增长速率小,后期增长速率大;磨损效率随磨损时间的增加先增加,后逐渐减少,最后趋于稳定。     

非均匀地应力下套管偏心对抗挤强度的影响

在常规地层条件下,套管的强度具有足够的富余量,因而一般对套管的偏心影响考虑较少.但在深井及盐膏层地层中,套管偏心的影响不可忽略.针对塔里木油田英买力区块钻进过程中出现的技术套管受挤变形问题,建立有限元模型,分析套管偏心对套管抗挤强度的影响规律,绘制套管偏心与套管最大应力的对应关系图,回归套管偏心与套管最大应力关系的计算公式.研究结果表明,非均匀地应力下,在最大地应力方向,套管偏心距越大,套管抵抗非均匀载荷能力越强;在最小地应力方向,套管偏心距越大,套管越容易挤毁.最后,利用研究结果确定了该区块的最低钻井液密度,从而有效地解决了套管变形问题.     

锌冶炼冷凝器W管的失效分析与对策

针对某冶炼厂冷凝器W管寿命短且频繁发生爆裂的问题,探讨其失效原因,寻找提高寿命的方法.基于“导致裂缝损坏的最主要原因是液体金属脆化现象(LMF),而应力集中对LMF的存在和发展的影响极大”的观点,对W管进行了残余应力测量、热应力有限元以及材质和制造工艺的分析.研究结果表明:造成W管失效的根本原因是W管的材料耐腐蚀性较弱,高温腐蚀使W管厚度减小;而W管的弯曲外侧存在显著的残余应力,工作中又受显著的热应力作用,极易产生裂纹并迅速扩展,导致裂缝损坏而失效;此外,据此制定了提高W管寿命的措施.     

打孔管道焊接修复结构的残余应力测试

输油管道上的打孔盗油案件时有发生。对被打孔的管道，只能采用焊接方法抢修，而焊接产生的残余应力影响管道承压能力和剩余寿命。为了解管道修复中焊接残余应力对管道完整性的影响，用钻孔法分别测试了打孔管道的不同焊接修复结构的残余应力，并和管道螺旋焊缝处的残余应力进行了对比。测试结果表明，焊缝近处存在残余应力，且距焊缝越近，残余应力越大。管道修复结构中的残余应力的第一主应力多为拉应力，其最大值为管材屈服极限的70．94％；管道螺旋焊缝处的残余应力的第二主应力为压应力，其最大值约为管材屈服极限的74.66％。同时在焊接接管的根部存在较大的残余应力。     

注蒸汽吞吐井井筒应力的数值计算方法

将注蒸汽吞吐井井筒温度场的计算结果引入井筒应力分析模型中,利用有限元分析软件ANSYS计算了不同约束条件下的井筒应力。计算结果表明,最大热应力都发生在套管内壁,且超过了N80套管的热弹性屈服极限;最大热膨胀都发生在温度变化过渡区,当套管周围掏空时,其热应变达到了2%,远远超过材料弹性极限应变值(0 3%),这是导致热采井套管变形损坏的主要原因。     

焊接工艺参数对锚拉管焊接残余应力的影响

为了实现不同焊接工艺参数下残余应力的预测,进一步优化相应的焊接工艺,采用数值模拟与试验对比方法研究锚拉管焊接残余应力.利用有限元软件ANSYS模拟T形焊接试件残余应力并与实测应力值作对比,验证了数值方法的准确性.在此基础上,对不同的焊接电压、电流和速度等焊接工艺参数下的锚拉管残余应力进行数值模拟和对比分析.结果表明,锚拉管焊接残余应力与焊接电压、电流呈正相关关系,焊接电流对焊根处纵向残余应力峰值影响较大;与焊接速度呈负相关关系,速度越大,沿焊缝方向上的纵向残余应力明显减小,分布更加均匀,当达到5mm/s时,会出现锚拉管未完全焊,应力峰值位置发生偏移的情况;焊接速度可作为主要的控制参数.基于分析结果,提出锚拉管断面纵向残余应力分布简化模型,以便给锚拉管焊接残余应力研究提供参考.