应用XFEM模拟研究钻杆裂纹扩展过程

钻杆裂纹扩展是一个典型的不连续问题,采用常规有限元方法难以实现裂纹扩展过程的仿真模拟,而扩展有限元法(XFEM)是近年来发展起来的分析断裂问题的一种有效方法。在介绍了扩展有限元法的基本原理的基础上,建立了基于XFEM的含不同深度初始裂纹的5in钻杆在拉力和扭矩共同作用下的裂纹扩展模型。通过钻杆裂纹扩展过程的分析后发现,钻杆的初始裂纹深度小于1mm时,裂纹不易扩展,但初始裂纹深度超过2mm时裂纹会在相对较低的外载荷下扩展,且扩展面较大并与初始裂纹面存在一定夹角,最终造成钻杆断裂失效。通过对钻杆裂纹的扩展过程仿真模拟,展示了XFEM在钻具断裂失效分析方面的独特优势,并为这方面的研究提供了一种新方法。     

定向井钻柱稳定性分析

在定向深斜井钻探中,一般采用钻铤和加重钻杆的浮重大于钻压的原理,来保持钻柱的稳定.但钻杆会因此承受过大的扭矩和拉力,加速早期疲劳失效.为此,基于斜井中井眼对钻杆具有弹性支承和约束的理论,通过定向井井眼尺寸及井斜角对钻柱稳定性影响分析,讨论保持钻杆稳定的边界条件和确定其底部钻铤柱的设计原则.结果表明,当井斜角大于45°时,有意让钻杆处于受压且不失稳状态下运行,既可使底部钻铤柱得以优化设计,又可大幅度地减少底部钻铤重量从而减小作用在钻杆上的扭矩和拉力,延长其使用寿命.     

气体钻水平井钻杆偏心对环空岩屑运移规律的影响

气体钻水平井段,由于自身重力,钻杆倾向于下井壁,形成偏心环空,使得下环空岩屑运移困难,通过研究偏心环空正常携岩和岩屑床岩屑的运移规律对气体钻水平井井眼净化具有重要意义。针对钻杆偏心对气体钻水平井环空岩屑运移规律的影响问题,基于气固两相流理论,利用可视化实验并结合计算流体动力学(CFD)数值模拟方法对其进行了研究。从环空气体速度分布、岩屑速度分布和岩屑相对体积分数分布等方面分析了正常循环和下井壁沉积20 mm岩屑床两种工况,钻杆偏心对环空岩屑运移规律的影响。实验现象和数值模拟结果表明:正常循环时,随着偏心度不断增大,下环空气体和岩屑速度逐渐减小,气体携带岩屑的能力降低;当下井壁沉积20 mm岩屑床时,随着偏心度的增大,气流对岩屑床的扰动能力降低,使得下环空岩屑相对体积分数明显增大,岩屑床的最高剩余厚度逐渐增大。     

275型钻井气动卡瓦卡紧力有限元分析与优化

从275型钻井气动卡瓦的结构和工作原理入手,运用ANSYS软件添加约束和载荷,分别从钻杆和卡瓦体的角度对卡紧力进行了有限元分析,得出了变形图和应力云图,确定了卡紧时的应力分布情况,并对不合理之处进行了优化改进。     

轴力及重力作用下钻杆最大弯曲应力计算

在考虑了钻杆接头、轴向力、钻杆重量以及钻杆本体与井壁接触等因素的前提下,应用平面弹性梁理论建立了钻杆在轴向拉力、轴向压力和轴向力为零时钻杆的最大弯曲应力计算模型。运用该模型计算出的钻杆最大弯曲应力远大于按井眼曲率计算的弯曲庆力,这说明钻杆接头对钻杆弯曲应力的分布有较大的影响。在计算钻柱强度时,应考虑接头对钻杆弯曲应力的影响,以实现安全钻井。     

潜孔钻机全液压接卸钻杆装置的研制

通过综合分析潜孔钻机接卸钻杆装置,提出了全液压接卸钻杆装置的结构方案及液压控制系统,研究了夹杆缸的结构及夹杆爪与夹杆缸的联接方式,研制了夹杆缸双行程及夹杆缸活套联接结构的夹杆器,分析了夹杆缸结构参数与工作参数的相互关系.针对现有接卸钻杆装置钻杆的夹持力过大,降低钻杆使用寿命问题,根据材料的接触强度理论与变形理论,对钻杆合理夹持力进行了研究,并提出了夹杆爪的设计方法.实践结果表明,所研制的全液压接卸钻杆装置操作快捷方便,具有良好的接卸钻杆、接卸钻头和钻机开孔导向控制功能.     

水平井段超临界CO_2携岩数值模拟

超临界CO2是一种极具潜力的钻完井介质,研究其携岩机制是超临界CO2钻井技术的重要发展方向。以实测数据设置环空入口岩屑粒径分布,考虑流场中CO2密度和黏度与温度、压力条件的耦合关系及钻杆转动的影响,对温度、压力、排量、转速、岩屑直径、岩屑体积分数及偏心度对携岩效率的影响进行数值模拟分析。结果表明:岩屑床中小颗粒的体积分数下降,大颗粒体积分数的增幅随直径增大而减小;CO2携岩能力随温度的降低和压力的升高而增强,影响规律与室内试验结果相符;增大排量、降低机械钻速可提高CO2携岩效率,而钻杆转速对携岩效率影响甚微;偏心度为0.8时携岩最为困难;水平井钻进时应添加增黏剂以改善CO2携岩效果。     

钻柱疲劳累积损伤的计算方法

基于修正的Miner线性累积损伤理论,结合钻柱的S-N曲线,定义了钻柱应力循环一次造成的钻柱疲劳损伤量和钻柱疲劳累积损伤强度,建立了钻柱疲劳累积损伤的计算方法.算例分析表明:钻杆在井口处的单次疲劳损伤最大;当转速一定时,随着钻杆深度的增加,钻杆应力循环一次造成的疲劳损伤减小;在钻压一定的条件下,随着转速的增大,钻杆的单次疲劳损伤增大.该研究结果对于现场提高钻柱的平均使用寿命具有重要的工程理论指导意义.     

S135钢在含CO2聚合物钻井液中腐蚀研究

利用高温高压反应釜研究油田常用的四种S135钢在含CO2聚合物钻井液中腐蚀行为。结果表明,平均腐蚀速率随温度或CO2分压增大而先增大然后降低;随流速增大而升高。S135钢在动态液相中的平均腐蚀速率远大于动态气相,无论在液相还是气相S135钢平均腐蚀严重情况依次为S135（A）＞S135（B）＞S135（C）＞S135（D）。该实验条件下（温度为100℃,CO2分压为3MPa,流速为2m/s,腐蚀时间为96h）,S135钢气相局部腐蚀比较轻微,其点蚀系数介于1.12~1.49,液相局部腐蚀比较严重,其点蚀系数介于1.40~5.22。用聚合物钻井液钻遇高含CO2气层时,建议采用S135（D）钻杆,最好不用S135（A）或S135（B）钻杆。