对称载荷作用下的套管抗挤能力分析

根据油田套管损坏情况,建立了轴对称载荷作用下的套管内力计算模型,利用能量法和曲杆理论,分析研究了3种对称载荷作用下的中厚壁套管抗挤能力,给出了理想套管抗挤强度和套管屈曲临界挤毁压力的计算公式。理论分析结果与有限元计算结果的对比证明了临界挤毁压力的计算公式可靠,载荷的集中程度与抗挤毁能力成正比。     

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。     

带封隔器的注泡沫管柱受力分析及强度校核

采用聚合物强化泡沫驱油时,井口压力的大小会影响管内流体压力分布,进而影响管柱受力情况。分析不同井口压力下管柱三轴受力情况,对管柱进行强度校核,可以避免压力过大而破坏管柱和引发事故。当前还没有一套比较完整的带封隔器注泡沫管柱受力分析和强度校核的数学模型。在质量、能量和动量守恒定律的基础上,考虑泡沫流体压力、温度和密度的相互关系和封隔器上下不同受力规律,建立了管柱受力模型,对管柱进行了三轴应力强度校核。实例井检验结果表明:随井深增加,管柱所受泡沫流体的内压力增大;且井深越大,趋势越明显;随井口压力的增大,管柱内压力、封隔器以下外挤力相应增大,管柱三轴抗外挤强度减小,其他受力和强度值变化较小。此模型还可以对不同泡沫质量、泡沫种类及钢级等情况下的管柱进行受力分析和校核,为油田管柱的优选提供理论指导。     

膨胀管残余应力及其分布

膨胀管残余应力是影响膨胀管抗挤毁能力的一个重要因素.根据膨胀管的膨胀特点,用大变形理论提出了膨胀管内、外圆柱表面具有不同方向的残余应力观点,通过全应力释放试验并借助于电测的试验方法测量了膨胀管内、外表面的残余应力,利用曲杆理论分析了膨胀管轴截面的应力分布形式.结果表明,膨胀管轴截面残余应力呈双曲线分布,膨胀管外表面的压残余应力小于内表面的拉残余应力.     

高抗挤套管磨损后的外压失效行为分析

采用Abaqus软件,通过有限元模拟分析方法,按照月牙形磨损模型,对我国深井、超深井中广泛使用的140 ksi(965 kPa)钢级Φ244.5 mm×11.99 mm、110 ksi(758 kPa)钢级Φ339.7 mm×12.19 mm和Φ244.5 mm×11.99 mm等3种高抗挤套管在0到70%之间不同磨损率下的挤毁失效行为和挤毁强度变化规律进行了分析,得到了不同磨损率下套管的挤毁失效类型和挤毁强度数据。研究发现磨损在改变套管几何形状的同时,也使套管的挤毁失效行为发生了变化,从而使其剩余挤毁强度值的计算变得复杂。原本为塑性挤毁的Φ244.5 mm×11.99 mm110 ksi(758 kPa)套管在磨损后转变为以弹性失稳为主;原本为过渡挤毁的Φ244.5 mm×11.99 mm140 ksi(965 kPa)套管,当磨损率小于50%时,其挤毁失效类型为过渡挤毁,当磨损率大于50%时,其挤毁失效类型转变为弹性失稳;原本为弹性挤毁的Φ339.7 mm×12.19 mm110 ksi(758 kPa)套管在磨损后依然为弹性挤毁,但磨损加剧了其结构的不稳定。3种套管磨损后的剩余挤毁强度都低于原本失效模式下的挤毁强度值。     

某水电站岔管有限元计算及结果分析

利用有限元模拟分析计算是分析压力钢管的受力状况的重要手段之一.借助大型通用有限元计算软件ANSYS对某水电站的压力钢管的岔管部分进行了数值模拟分析,得到该压力钢管的应力分布规律,并指出该管的优化设计的思路.在逐级加载的情况下得到月牙肋部分与周围钢管的一般的应力应变规律.对其他类似工程设计可提供借鉴.     

锅炉管道在内压及温度作用下的应力分析

利用有限元方法和经验公式求出了整体锅炉管道在内压和温度作用下的变形及各截面上的弯矩,重点分析了椭圆形截面管上各点的环向应力。结果表明:在内压作用下,沿椭圆形截面环向应力的最大值发生在椭圆长轴顶端的内侧,是破坏的裂源点;椭圆度的大小是影响弯管破坏的最主要因素;内压是造成椭圆形截面管破坏的主要外界因素。     

套管抗挤强度统计分析研究

针对美国石油协会的套管抗挤强度计算公式与实测套管挤毁压力差距较大的问题,利用统计学方法,详细分析了套管实物挤毁试验检测数据,得到了各因素影响套管抗挤强度的定量指标.研究表明,套管抗挤强度主要由径厚比决定;套管计算屈服外压和失稳外压等其他参数及其交互作用对套管的抗挤强度也有显著影响;套管外径和壁厚数据的变异系数比外径不圆度和壁厚不均度对套管抗挤强度的影响更显著.最后给出了套管抗挤强度统计计算公式,为生产厂和用户提供了预测套管抗挤强度的简单实用的计算方法.     

基于注浆压力控制的混凝土顶管施工微扰动机理

为了研究顶管施工过程中注浆压力对控制土体变形的作用,建立有限元模型对注浆压力作用进行理论分析.通过对比实测数据与有限元结果,讨论了不同工况对孔隙水压力与土体变形的影响.分析了在不同注浆压力作用下,顶管周围土体的扰动情况,在此基础上提出了衡量土体受扰动程度的孔隙水压力变化率概念.结合土体变形状况与扰动分析结果,建议在实际工程中将注浆压力控制在管顶上覆土压力值的1.1倍,按此原则设定的注浆压力对周围环境影响较小,该研究结果可供今后类似顶管施工参考. 关键词：
     

非均匀载荷作用下套管弹塑性变形分析

油气套管变形是油气开采生产过程中常见的一种损坏方式。在油气开采过程中,套管一般承受着较大的外界压力,当外界压力超过油气管本身的抗外挤强度时,套管就会被挤毁破坏,严重时造成油气井报废。研究认为套管在非均匀压力的抗外挤强度时大大低于均匀压力下的外挤强度。假定套管为弹塑性材料,对套管施加连续性的加载。在实验中测得套管在非均匀压力环境下不同压力下的应变数据,根据数学公式得出套管所测点所受的实际等效压力。用测点的等效压力和时间拟合曲线,得出C110套管在非均匀外力作用下的实际弹塑性材料性能。     

缺陷对连续油管极限承载能力影响分析

针对含有缺陷连续油管作业过程中极易发生卡断或拉断等事故,根据现场使用后的连续油管缺陷情况,把缺陷形状归为方形、球形和椭球形三种缺陷,并开展拉伸内压复合载荷工况下连续油管承载能力的研究。对比分析不同尺寸不同形状下含缺陷连续油管应力分布规律,在此基础上绘制轴向载荷(n=N/N_0)与内压载荷(p=P/P_0)包络线,通过现场数据直接判断连续油管是否在安全工作范围。通过有限元计算结果与API5C5标准计算结果验证有限元法的有效性和精确性。在此基础上开发含缺陷连续油管安全评估软件,获得不同型号不同缺陷形状情况下轴向载荷与内压载荷的包络线,为油田现场连续油管安全施工提供保障。     

基于摩擦阻力系数的卡瓦闸板对连续油管夹持特性影响分析

针对连续油管作业过程中卡瓦闸板防喷器对其夹持时造成的划伤、缩颈并降低其使用寿命的问题,提出连续油管与卡瓦闸板之间摩擦阻力系数对其相互作用的影响。建立了卡瓦闸板夹持连续油管三维物理模型,基于弹塑性力学理论建立起其计算模型,以Ramberg-Osgood弹塑性模型为基础,采用数值模拟的手段分析了多种工况下不同摩擦阻力系数对连续油管最大Mises应力、轴向位移以及接触应力的影响。研究表明:适当增加摩擦阻力系数有利于减小连续油管上的应力集中,也有助于限制轴向位移避免划伤连续油管和造成卡瓦闸板崩齿,同时提高卡瓦闸板对连续油管的夹持效果。最终以屈服强度为指标,结合连续油管轴向位移量趋势变化给出摩擦阻力系数安全区间为0.4～0.6,旨在为连续油管安全作业提供参考。     

连续油管作业过程中的张力与控制

连续油管作业过程中,经历了多次拉直和弯曲,产生弹性或塑性变形。应用力学分析方法求解连续油管在滚筒上缠绕或释放时,其截面弯矩、轴力、张力和滚筒扭矩,并应用实例计算,求证了滚筒恒扭矩驱动模式,连续油管在同一缠绕层半径时恒定张力模式。研究结论对连续管滚筒控制设计和工程应用有较好的指导意义。     

连续管注入头与滚筒液压系统的耦合动力学

连续管作业时,连续管上的张力与滚筒和注入头的运动状态有关。利用有限元研究了在滚筒和导向器之间连续管的张力与松弛度之间的关系,并拟合成函数关系式。然后建立了连续管注入头与滚筒液压系统的耦合动力学模型。研究发现：在匀速运动时,滚筒液压系统的溢流压力能控制连续管上张力的大小;但运动状态快速变化时,张力会产生波动。波动的幅度和波动的频率与滚筒及滚筒上卷绕的连续管的转动惯量有关：当滚筒上卷绕大部分连续管时,快速操纵连续管注入和起升速度手柄将造成较大张力波动,引起张力过小或过载;当滚筒上卷绕很少连续管时,快速操纵连续管注入和起升速度手柄将产生某个频率的张力振动,极有可能引起连续管的共振。     

径向水平井造斜器内钻杆的弯曲状态分析

分析了连续管钻杆弯曲状态的各种影响因素及影响程度。结果表明 ,由于连续管材料变形强化度低 ,钻杆塑性变形有限 ,在分析钻杆反复弯曲应力状态时 ,可不考虑强化和塑性变形的面积效应。采用弹性刚塑性材料模型及平面应力假设 ,建立了内压作用下钻杆弹性层与曲率的关系以及钻杆的极限弯矩、应变中性层与轴向力、内压的关系。分析结果表明 ,钻杆弯曲主体的中性层随弯曲曲率的变化很小 ,但内压和轴向力对中性层的位置有明显影响 ;在内压和沿程阻力作用下 ,钻杆的弯曲表现为横截面变形的压弯特征和轴向弯曲的拉弯特征。这为控制钻杆的截面变形和设计造斜器滑道提供了理论基础。     

高温高产井油管屈曲对特殊螺纹性能的影响

为研究高温高产井中油管发生屈曲对特殊螺纹性能的影响,借助ABAQUS有限元软件建立了某特殊螺纹的三维有限元模型,结合实际屈曲工况,并综合考虑了温度、内压、轴向力等因素,得到了屈曲后油管特殊螺纹的应力分布以及密封结构上的接触压力分布。结果表明：屈曲后特殊螺纹环向上应力分布不均,表现为受压缩一侧Von Mises应力及接触压力明显大于受拉伸一侧,且正弦屈曲段相比于螺旋屈曲段接头环向上的应力集中更突出;屈曲后,受压一侧的台肩以及管体大端外螺纹第一扣处的Von Mises应力值超过了材料的屈服强度,结构发生塑性变形;受拉一侧的密封面以及台肩面上的接触压力为零,密封结构失去密封能力。     

GM准则解析无缺陷弯管的塑性极限载荷

用GM(几何中线)屈服准则,对受内压作用无缺陷弯管进行塑性极限分析,求得极限载荷的解析解.该解为弯管壁厚t、平均半径r、曲率半径R0以及屈服强度的函数;极限载荷随着R0值的增大而增大,当R0→∞时,计算出的塑性极限载荷与直管的爆破压力相同.与Tresca,Mises和TSS屈服准则预测的极限载荷比较表明,Tresca屈服准则预测极限载荷的下限,TSS屈服准则预测极限载荷的上限,GM准则预测的极限载荷恰居二者中间,最明显的特点是该解具有与Mises准则几乎相同精度的求解结果.     

钢制压力容器非线性稳定分析

为确定短圆筒钢制压力容器的稳定性能和临界荷载,对5米长的钢制压力容器开展了有限元特征值屈曲分析,获得屈曲临界荷载。在此基础上,采用弧长法对压力容器进行了非线性失稳分析,考虑了几何和材料双重非线性的影响,得到了压力容器结构整体稳定的全过程荷载-位移曲线以及单元的应力分布图。应用两倍弹性斜率法和双切线交点法求得临界荷载,与理论计算结果相比稍高,可以看出理论公式计算结果是偏于安全的。最后提出了短圆筒压力容器抗失稳的四点措施。     

高温高压井测试油管轴向力的计算方法及其应用

针对高温高压井测试过程中油管受力及变形特点 ,在考虑油管螺旋屈曲段与套管之间摩擦力的情况下 ,提出了基于操作过程的计算测试油管轴向力的新方法。计算结果表明 ,摩擦力会改变油管轴向力的分布方式 ,使得轴向力分布与加载顺序有关。摩擦力大小和方向的改变 ,将使因高温高压产生的较大载荷无法向远处扩散 ,从而引起油管局部严重变形。该计算方法得到了室内模拟实验和常温常压井现场测试的验证 ,并成功地用于高温高压井的测试设计     

射孔套管剩余抗挤能力分析

套管射孔后其抗挤能力将有所降低。建立了射孔段套管弹性抗挤性能分析控制的一般方程 ,并利用摄动理论给出了射孔套管弹性抗挤能力系数的一般计算公式。利用弹塑性有限元方法确定了孔口附近塑性区随射孔套管的外压增加的变化规律 ,并给出了确定射孔套管抗挤能力的计算方法。研究结果表明 ,孔眼附近的应力集中所引起的塑性区的存在 ,明显影响了射孔套管的抗挤强度。与弹性分析结果比较 ,弹塑性分析结果更接近实验值。孔眼的形状对射孔套管抗挤能力有直接影响。长轴在环向的椭圆形孔眼的套管抗挤能力降低得最少 ,方形孔眼的降低得最多。在孔眼形状相同的情况下 ,孔眼面积增大 ,射孔套管的抗挤能力降低。当射孔密度小于 2 0孔 /m时 ,无论采用何种布孔方式 ,除方形孔眼外 ,套管抗挤能力的降低均不会超过 4 % ;大于 2 0孔 /m时 ,射孔参数对套管抗挤能力的影响明显增加