基于Kriging模型的特殊螺纹油管和套管接头密封可靠性分析

以某型特殊螺纹接头为分析对象,建立该特殊螺纹密封可靠性功能函数,通过有限元方法对螺纹接头进行载荷包络线试验仿真,确定载荷包络线试验中螺纹接头密封失效的最危险载荷点。基于该最危险载荷点,通过随机化影响特殊螺纹密封性能的11个参量,利用Kriging代理模型对螺纹接头进行可靠性分析,确定其在载荷包络线试验中最危险载荷点下的密封可靠度。结果表明:基于Kriging模型的密封可靠性分析是评价特殊螺纹接头密封性能的一种有效方法,能够满足工程应用的需要,可用于特殊螺纹接头的设计、优化和选用。     

高压高产气井油管柱强度安全分析

随着越来越多的深层油气资源进行勘探开发，油气井管柱所处的工作环境也急剧恶化，尤其是高温、高压、高产井等“三高”油气井。为研究高压高产气井油管柱强度安全，本文建立高压高产气井油管柱动力学模型，通过高压高产气井油管柱安全系数法和高压高产气井油管柱三轴应力法对高压高产气井油管柱强度进行校核，对高压高产气井油管柱基本应力和管柱尺寸对管柱应力的影响进行分析。研究结果表明，随着产量的增加，管柱的横向位移不断增大；在0~20 s内管柱(H300 m、H600 m)的横向振动应力幅值比管柱(H1 660 m和H2 540 m)大，管柱横向应力振动幅值较大，随后振动应力趋于稳定；在0~10 s内，管柱纵向应力振动幅值较大，且越靠近管柱下部管柱的纵向振动应力越大；管柱在井口位置处轴向力最大；大尺寸管柱有利于降低高速流体诱发管柱的振动问题。研究成果可为高压高产气井管柱设计提供理论指导。     

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.     

海上高温高压井完井管柱安全性设计

东方1-1气田高温高压储层生产管柱在生产过程中存在变形量大、生产初期井口节流压降与温降大,以及特殊的环空密闭憋压等问题,具有安全生产隐患。因此对该类气井开展完井管柱安全性设计研究具有重要的现实意义。通过油管携液、油管防冲蚀、水合物的预防、油管柱强度校核、密闭环空压力变化分析、射孔管柱振动与减震措施研究,开展了海上高温高压井完井管柱安全性设计。该设计方法成功应用到东方1-1高温高压气田,对其他海上高温高压气田的开发还具有良好的指导作用。     

气井环空带压对水泥环力学完整性的影响

受井下作业、油套管或封隔器泄漏等因素产生的井口环空带压,使高温高压气井水泥环密封完整性面临巨大 挑战。为此,基于弹性力学多层厚壁圆筒理论和摩尔库仑失效准则,建立了水泥环应力和失效计算模型,研究了环空 带压对水泥环胶结面应力和失效的影响。结果表明,环空带压将增大水泥环胶结面的切向拉应力,过大的切向拉应力 将导致水泥环失效。与此同时,井筒温度增加产生的切向拉应力也会增大水泥环失效风险。环空带压越大,水泥环安 全系数越低,且温度效应对安全系数的影响较小。对高温高压气井,可根据井身结构（地层水泥环套管）参数建立 水泥环安全系数图版,从而为确定合理的最大允许环空带压值提供依据,研究结果对提高气井井筒安全性、延长开采 寿命具有重要意义。     

陇东地区煤层气井油管柱腐蚀机理研究

煤层气井油管柱腐蚀导致的管柱穿孔和频繁卡泵是制约陇东地区煤层气资源开发的关键因素，确定煤层气井油管腐蚀形貌特征与产物成分，查明其腐蚀机制对于气井管材选型、防护措施改进意义重大。利用扫描电镜（SEM）及二次电子图像（SE）、背散射图像（BSE）对油管柱腐蚀产物膜形貌进行微观表征，采用能谱分析（EDS）标定腐蚀产物元素类型及含量，并通过X射线衍射分析了腐蚀产物的矿相，在此基础上提出本区煤层气井油管腐蚀机理及防护措施：本区煤层气井N80油管钢在高矿化度Cl^-、HCO₃^-地层水环境发生强烈CO₂腐蚀作用，形成多层结构腐蚀产物（FeCO₃）膜，由于腐蚀产物膜与金属基体结合强度低，在井筒流动介质冲刷下易发生剥离，且腐蚀产物膜疏松多孔致密性差，Cl^-易穿过产物膜接触金属基体，形成自催化腐蚀电偶，加速局部阳极溶解，生成大量点蚀坑，加剧了腐蚀穿孔伤害程度。选择含3% Cr油管材、加缓蚀剂（原油）与射孔完井是实现本区煤层气井油管柱整体腐蚀防护的可行措施。     

冀东油田深层油藏注氮气井管柱及井口装置设计

冀东油田高5区块具有油藏压力高、注气井斜度大、管柱下入深等特点。根据该区块目前的注气井井身结构、地面设施状况和注气增效要求，设计了笼统注气的管柱结构方案。利用冲蚀模型优选油管尺寸，并按照不同工况条件开展高温高压动态腐蚀模拟实验，探究注氮气井的井筒腐蚀机理，确定各因素对腐蚀速率的影响。最后对管柱的剩余强度和服役寿命进行评价。结果表明，选用ϕ73 mm、13Cr油管作为笼统注气管柱能够应对注氮气产生的冲蚀、氧腐蚀等影响，并有着良好的服役寿命。配备地面安全阀等安全装置，可以大大降低高压注气井存在的安全风险。该设计方案能够满足冀东油田深层氮气驱的生产需要，具有广泛的应用前景。     

油管接头台阶密封面的接触压力及密封性能

锥形油管螺纹接头在拧紧过程中如何保证其密封性能,是目前工程实践中的难点问题之一。以具有台阶密封面结构的锥形油套管接头为研究对象,通过对内外螺纹受力与变形分析和相互啮合时所满足的变形协调方程和位移方程,在弹性范围内建立了能够计算锥形油套管接头拧紧时台阶密封面上接触压力的计算模型。利用粗糙密封表面微观接触分析方法,以某一具体的API锥螺纹接头为例,计算模拟了螺纹拧紧圈数和初始间隙对台阶密封面上接触压力及密封性能的影响规律,获得了相应的变化曲线,并对这些曲线进行了分析。此研究有助于实际应用中合理确定油管接头拧紧圈数,为确保实现良好密封提供理论依据。     

用光弹性法探讨石油套管螺纹连接的强度和密封性能

应用光弹性方法，探讨石油套管螺纹连接部分的应力分布及密封性能。采用两种不同锥度模型模拟轴向拉伸、轴向尺寸过盈和径向尺寸过盈等多种载荷，研究了由此组合成不同工况下的应力分布规律、齿的接触压力以及施加不同尺寸过盈对螺纹连接部分的强度和密封性能的影响，结果表明，增大螺纹锥度，有利于提高强度，但对密封性能不利；从密封效果考虑，施加径向尺寸过盈明显优于施加轴向尺寸过盈。     

唇形密封圈润滑性能的数值模拟

在同时考虑密封压力,密封唇口和轴表面微观形貌、密封唇口过盈量、密封唇的弹性变形等因素的基础上提出了一种对唇形密封圈润滑面进行流体动压润滑性能计算的数值模拟方法。该方法可以有效地对不同密封压力下具有不同初始过盈量的唇形密封圈的润滑性能进行模拟计算,与现有的模拟计算方法相比更为合理。将所建立的模拟计算方法应用于江苏容天乐公司生产的WR型汽车水泵轴承密封圈的研究,数值计算了轴承工作时密封区域内两粗糙表面间的最大油膜压力、平均油膜压力、最小油膜厚度、平均油膜厚度,密封唇表面摩擦力等参数,得到了不同密封压力下初始唇口过盈量变化对密封面润滑性能影响的规律曲线,并对其进行了分析。     

油井管特殊螺纹力学损伤与控制研究进展

油井管螺纹失效是目前油气田开采作业中常见且难以治理的事故之一，这一情况不仅制约开采进度，更是威胁井下安全的主要因素之一。普通螺纹存在密封性能差、承载能力低、抗腐蚀能力弱等问题。本文主要从疲劳失效、密封失效、腐蚀失效3个方面不同角度阐述了油井管特殊螺纹接头力学性能的研究进展以及控制方法。在介绍了油井管特殊螺纹接头发展历史进程的基础上进一步阐述目前油井管特殊螺纹接头的发展情况。指出当下我国油井管特殊螺纹研究所存在的不足。最后，在结合过去研究的前提下，提出油井管特殊螺纹力学性能未来研究的新方向。     

Sealing Reliability and Sensitivity Analysis for a Premium Threaded Connection Based on Kriging Model

In order to analyze the sealing performance of a new designed premium threaded connection,this paper studies the sealing reliability and sensitivity of the premium threaded connection at its most dangerous load condition based on Kriging model.The load condition of premium threaded connection in deep well is so complex that the most dangerous load point of premium threaded connection under the typical series loads is studied by finite element analysis(FEA) method firstly.Since the FEA of the premium threaded connection is too time-consuming,Kriging model which is accurate and efficient for multidimensional and highly nonlinear problems is built to calculate the sealing reliability of the premium threaded connection at the most dangerous load point.Finally,the sealing sensitivity analysis of the premium threaded connection is performed by the method of variance-based global sensitivity analysis.The work in this paper could contribute for the analysis and further improvement of the premium threaded connection.     

蜂窝密封技术在空分增压机级间密封上的应用

针对内蒙古某煤化工厂空分增压机组在生产过程中存在的推力轴承瓦温度偏高等问题,提出了对增压机级间密封进行整体蜂窝技术改造的方案。通过对级间密封结构优化前后叶轮端面轴向受力变化的理论分析及利用计算流体动力学（CFD）软件进行仿真验证,得出级间密封的失效是引起转子轴向力变大的主要原因,并对增压机级间密封进行了蜂窝技术改造。改进后的级间密封结构使得增压机级间串气量减小,叶轮两侧高压气体压力差有所降低,各级压缩效率得到提高,解决了推力轴承瓦温度偏高和气体出口压力不足等问题。蜂窝密封技术在空分增压机级间密封上的成功应用,为解决高速离心压缩机轴向力过大这一问题提供了新的有效方案和改进措施,值得进一步应用推广。     

封严腔几何结构对涡轮性能影响的数值研究

为了研究轮毂封严腔几何结构对涡轮性能的影响,对转/静叶片之间带有封严腔的某高负荷单级涡轮进行了三维定常数值模拟。结果表明,轴向封严的气动效率较高;而径向封严的封严效果更好。篦齿和发卡弯中的旋涡是导致这两种封严结构性能差异的主要原因。内侧封严腔中的小尺度旋涡对入侵的燃气产生了堵塞作用,是其封严效率提高的主要原因。外侧封严腔中的旋涡对入侵的燃气并无阻碍作用,反而使封严效率有所下降。     

叶轮转子-轴承-干气密封系统模态分析及谐响应分析

以“叶轮转子-轴承-干气密封”系统的动态特性为研究对象,利用软件ANSYS建立有限元模型,对系统进行满载条件下模态分析, 得到该系统各阶固有频率和振型,对该系统进行空载条件下模态分析.对比上述两种固有频率发现:工况下干气密封系统及叶轮转子所受的力降低了系统固有频率.以系统不平衡量为体载荷,通过谐响应分析方法得到系统的稳态不平衡响应曲线.     

高产气井油管柱双重非线性流致振动模型研究

针对高产气井流体流动诱发油管柱振动引起的破坏问题,采用微元法、能量法结合哈密顿变分原理建立油管柱纵横向耦合非线性流致振动模型,基于弹塑性体接触碰撞理论,建立油套管非线性接触碰撞模型,并将其引入流致振动模型中,得到高产气井油管柱双重非线性流致振动模型.采用有限元法和Newmark-β法求解油管柱的双重非线性流致振动模型,...     

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。     

储气库注采井井筒温度场预测与影响因素分析

随着冬季对天然气需求的持续增加,对储气库的调峰能力提出了严峻的考验,注采井作为连接地面与地下的通道,井筒温度受注采周期的影响发生变化,如何准确的预测井筒内温度变化,对于预测环空压力、保证油管和套管安全、水泥环密封性和储气库运行安全至关重要。本文根据流体力学中质量守恒定律、能量守恒定律和动量定理,将气体的压强、温度、密度和流速进行耦合分析,利用显式四阶Runge-Kutta数值求解方法,输出油管内气体不同深度的流动参数,并对影响油管内气体温度的敏感性因素进行分析,得到了储气库注气过程、采气过程、关井阶段温度分布规律。结果表明注气过程井底处温度受注气量影响较大,注气时间和注气压力对井底温度影响较小;在采气过程,井口处气体温度随采气量的增加而增大,油管内气体压力由井底到井口逐渐减小,并且随着采气量的增加,减小趋势越明显;在关井初期,油管内气体温度变化速率较大,随着关井时间的持续增加,油管内气体温度逐渐趋于地层温度,并且越接近于井口气体温度变化速率越明显。