对双向应力椭圆理论的质疑

目前在套管柱强度设计中广泛应用的双向应力椭圆 (塑性椭圆 )理论 ,在其推导过程中忽略了与周向应力σt 具有同等地位、同等重要性的径向应力σr,这在理论上是不正确的 ,并由此导致了椭圆的 4个象限出现违背第四强度理论的自相矛盾现象。双向应力椭圆理论曲线与实验数据符合程度不高。所以 ,应当重新评价双向应力椭圆的正确性 ,研究套管柱组合强度设计的新理论。     

关于“套管柱三轴抗拉强度公式”的讨论

从公式的理论推导和与双向应力椭圆理论对比两个方面都可以证明,SY/T 5322-2000套管柱强度设计方法和SY/T 5724-2008套管柱结构与强度设计中给出的三轴抗拉强度计算公式是错误的,错在把根号内的"-"号写成了"+"号,其另一个与三轴应力抗拉强度公式有关的错误是轴向力计算方法不正确。在套管柱组合强度设计中正确区别和应用真实轴向力和有效轴向力极其重要,当采用三轴应力强度理论时,只能使用压力面积法计算的真实轴向力,而两个标准中使用浮力系数法计算的有效轴向力,从而导致了混乱,出现错误。     

关于套管柱三轴抗挤强度设计问题的讨论

重点讨论了我国套管柱强度设计方法新标准中存在的一个主要问题，即三轴抗挤强度设计中轴向应力计算问题。证明了正确做法应该是用压力面积法计算真实轴向力。文章还给出了真实轴向应力、有效轴向应力和虚应力三者之间内在联系的关系式，以及应用三轴应力强度理论进行抗挤设计的正确公式，对进一步解决套管柱强度设计问题提出了建议。     

应用双向应力设计套管柱的合理方法及其计算机程序

本文对双向应力设计套管柱的一些方法进行了分析与对比,指出了这些方法的特点及存在的问题。文中论证了套管柱在井下实际受力情况与双向应力间的精确关系,并用实例说明,这一关系对设计套管住是合理的。为简化设计,本文应用Tl一59计算机编制了一套合理设计套管柱的计算机程序,可供现场使用。     

关于套管柱三轴抗挤强度设计问题的讨论

重点讨论了我国套管柱强度设计方法新标准中存在的一个主要问题,即三轴抗挤强度设计中轴向应力计算问题。证明了正确做法应该是用压力面积法计算真实轴向力。文章还给出了真实轴向应力、有效轴向应力和虚应力三者之间内在联系的关系式,以及应用三轴应力强度理论进行抗挤设计的正确公式,对进一步解决套管柱强度设计问题提出了建议。     

稠油热采井套管柱应变设计方法

为解决稠油热采井不断出现的套管损坏现象,改变传统的管柱强度设计方法。基于弹塑性力学理论,在满足套管柱强度设计的基础上建立套管柱应变计算模型;通过对比套管材料应变与结构应变,借助Rambery-Osgood模型得到应变安全系数最小值,提出套管柱应变设计的理论判据,形成套管柱应变设计方法。结果表明,该设计方法在西部油田8口稠油热采井Φ177.8 mm×8.05 mm TG80H特殊螺纹套管柱设计中得到应用,生产4轮次后套管柱未出现变形和泄漏现象,经过14轮次后,套管服役性能依然良好,新热采井套管柱应变设计方法允许套管在可控范围内变形,可有效延长套管使用寿命,降低套损率。     

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。     

椭圆准则的岩石三轴试验运用分析

岩石强度破坏理论是岩石力学与工程问题的理论基础。本文推广了适用于金属玻璃材料拉伸破坏下的椭圆准则强度理论运用于岩石材料,开展如下主要工作:导出椭圆准则在o-σ_1σ_2σ_3坐标系下的描述形式,再选取三组不同类型的岩石式样,观察每组岩石式样的常三轴实验数据与椭圆准则强度曲线的偏离程度。结果表明,每组式样的实验数据点总体上在椭圆准则强度曲线附近,偏差较小。该准则对于岩石材料是适用的。     

钢管压扁矫正过程的计算机模拟

套管生产中，矫直工序决定了套管的形状精度和残余应力，对套管抗挤强度有很大影响．应用有限元分析软件Marc，建立了斜辊钢管矫直机的压扁矫正模型，并对矫直过程进行深入分析．基于试验测量的应力一塑性应变数据，推导了σ-εp关系式，编写了子程序以描述钢管材料的塑性变形特性．对不同压扁量进行数值模拟，比较了现有的压扁量计算理论．建立了钢管压扁矫正的三维模型，计算得到了与二维模型近似的结果．     

易坍塌地层椭圆形井眼内套管应力的有限元分析

根据多孔弹性理论，对易坍塌地层井壁围岩的应力分布进行了分析，得出了易坍塌地层的井眼为椭圆形的结论。针对易坍塌地层的特点，用有限元方法分析了套管在椭圆形水泥环条件下的应力分布。数值计算结果表明，在保证固井质量的前提下，椭圆形水泥环有利于改善易坍塌地层套管的应力状态，应该在设计中予以考虑。但是，扩大井眼尺寸会影响到固井质量，必须将井眼椭圆度控制在一定范围内。     

深井套管抗挤强度分析及计算

根据弯曲梁理论,建立了套管柱受非均布外挤压力作用的力学模型;并应用解超静定问题的正则方程和力法准则对该力学模型进行求解,得到了在非均布外挤压力作用下套管圆周上的弯矩、剪力、轴力、应力和位移的分布规律。计算表明,在非均布外挤压力作用下,套管抗挤毁强度大大降低。该力学模型不仅可以解释深井套管挤毁机理,而且可以改进深井套管抗挤强度设计。     

分支定界法优化设计石油套管柱

在套管柱设计领域中引进了分支定界法优化理论。阐述了分支定界优化设计石油套管的基本思想，并简单介绍了利用该方法开发出的一套套管柱优化设计软件。与常规设计法相比，用该优化软件设计出的套管柱，用最低费用套管优化组合设计能节约费用２３．６４％，重量降低０．２４％，用最轻重量套管优化组合设计可节约费用用１８．５５％，重量降低１９．１１％。     

卡瓦内悬挂管柱弹性承载能力与计算

在油井特别是深井和超深井的套管柱设计中，对卡瓦内悬挂管柱承载能力进行分析是十分重要的。提出了一种解析计算方法，将管柱视为薄壳，分别按照第三强度理论和第四强度理论计算了卡瓦内管柱的弹性承载力能力，并用有限元方法和原尺寸套管的实际试验分别对该方法进行了验证。     

套管柱三轴应力校核软件的设计与实现

为了顺利、安全地进行石油开采,针对套管三轴应力受力特征,开发了一种套管柱三轴应力校核软件.提出了软件开发的思路、技术要求以及结构框架.使用该软件可对套管柱进行三维应力校核,达到合理设计之目的.最后给出符合要求的三轴抗外挤安全系数、三轴抗内压安全系数、三轴抗拉安全系数.现场测试结果表明,该软件能够实现检验石油套管三维应力强度的目的.     

双向加载下混凝土的力学特性研究

为了研究双向加载下混凝土的强度,采用河南理工大学的双向等刚度加载设备,对C50混凝土立方体试块进行了单向和双向σ_1∶σ_2=1∶1和σ_1∶σ_2=2∶1的加载试验,并将单轴下混凝土的强度与双轴下混凝土的强度进行了比较;得出了不同加载条件下的混凝土应力应变曲线,给出了实验过程中观察到的现象,探讨了双轴下混凝土的破坏机理.通过研究表明:单向加载下,混凝土的破坏属于剪切破坏,双向加载下,混凝土的破坏属于拉—剪破坏;双向加载条件下,混凝土的破坏强度比单轴破坏强度要高,主要是中间主应力的影响.     

分支定界法优化设计石油套管柱

在套管柱设计领域中引进了分支定界法优化理论．阐述了分支定界优化设计石油套管的基本思想．并简单介绍了利用该方法开发出的一套套管柱优化设计软件．与常规设计法相比，用该优化软件设计出的套管柱，用最低费用套管优化组合设计能节约费用２３．６４％，重量降低０．２４％．用最轻重量套管优化组合设计可节约费用１８．５５％，重量降低１９．１１％．     

压应力对特殊螺纹套管材料腐蚀的影响

设计模拟材料承受压应力的夹具,运用高温高压釜,试验研究不同压应力下两种套管钢材料在硫化氢、二氧化碳与氯离子共同作用下的腐蚀速率,测试压应力作用下套管钢材料的腐蚀电化学行为。结果表明:在试验介质中石油套管材料腐蚀形态为点蚀,压应力的增加对试样的腐蚀有促进作用;当压应力小于材料屈服强度的一半时,材料腐蚀不明显,当压应力大于材料拉伸屈服强度的一半以后,材料腐蚀速率快速增加;石油套管与油管特殊螺纹接头密封面及扭矩台肩压应力设计值不应超过材料屈服强度的一半。     

压应力对特殊螺纹套管材料腐蚀的影响

设计模拟材料承受压应力的夹具,运用高温高压釜,试验研究不同压应力下两种套管钢材料在硫化氢、二氧化碳与氯离子共同作用下的腐蚀速率,测试压应力作用下套管钢材料的腐蚀电化学行为。结果表明:在试验介质中石油套管材料腐蚀形态为点蚀,压应力的增加对试样的腐蚀有促进作用;当压应力小于材料屈服强度的一半时,材料腐蚀不明显,当压应力大于材料拉伸屈服强度的一半以后,材料腐蚀速率快速增加;石油套管与油管特殊螺纹接头密封面及扭矩台肩压应力设计值不应超过材料屈服强度的一半。     

套管头结构有限元分析及评价

针对固井过程中套管头损坏现象,采用有限元软件建立套管头整体有限元模型,对套管头在不同工况条件下进行应力计算,得到套管头整体及各部件的应力分布状态,并依据给出的复杂应力评定标准对其进行强度评价,并计算出不同类型套管头的极限悬挂载荷,给出了不同套管柱套管头悬挂重量的最优载荷,为套管头在完井作业中能够安全可靠地工作提供了保证。     

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.