稠油热采井补贴管管柱界面粘脱分析与防治

稠油井注汽热采过程中,热应力易使补贴管与水泥环之间出现微裂缝、微环隙,致使界面出现粘脱现象,进而导致补贴失效。为延长补贴管使用周期,首先基于井下管柱三轴热应力理论与界面破坏准则,运用ABAQUS有限元软件建立热采井补贴管热力耦合三维有限元模型,模拟实际注蒸汽热采过程,得出补贴管-水泥-旧套管-水泥-地层系统的温度场、应力场分布规律及补贴管界面粘脱情况,并研究不同注汽温度、注汽压力、胶结强度等因素对补贴管界面粘结状态的影响;随后将预应力技术应用于补贴管二次固井过程中,并在不同工况下将施加预应力技术前后补贴管界面粘脱状态进行对比,界面粘脱长度显著降低;最后确定了不同温升条件下的预应力施加值,为二次固井与套损治理提供指导意义。     

屈曲分析在游车大钩稳定性评估中的应用

为了准确对游车大钩在钻井作业过程中,在钻机额定载荷作用下的稳定性评估,基于结构稳定性理论,建立了游车大钩有限模型。开展了对游车及大钩稳定性有限元分析,确定了游车大钩在额定载荷作用下,各关键零部件的前五阶失稳形态及稳定安全系数。结合现场试验,验证了计算模型及结果的正确性。试验及分析结果为游车大钩稳定性校核提供了必要的依据,对游车大钩的设计及优化具有指导意义。     

多重阀门关闭降低高压管道水击压力的机理和实验研究

高压管道中阀门的关闭会产生水击压力,水击压力过大会破坏管道系统,造成严重的安全事故。提出一种多重阀门关闭降低水击的新方法。为了得到管道内水击压力,采用CFD软件仿真进行计算。多重阀门关闭方法相较于一般的单个阀门关闭,有效地降低了管道中产生的水击压力;并通过试验验证了多重阀关闭方法的有效性。在此基础上完成了双阀门关闭模型的各参数影响水击压力数值的模拟仿真计算,得到上游阀门开度、阀门关闭速度、两阀门间距对水击压力的影响规律。通过对比三阀门关闭模型的水击压力模拟仿真计算,得到双阀门是最优选择的结论。研究结果提出了一种降低高压管道中的水击压力的新方法,对高压管道的安全输送有重要意义。     

动力猫道推块液压缸杆稳定性的研究

针对动力猫道推块液压缸杆使用过程中容易产生失稳的现象,分析了缸杆的受力特点及其失稳原因。在失稳临界力理论计算公式推导过程中,针对欧拉公式存在的不足,应用了修改后的边界条件,并综合考虑了液压缸杆安装及导向系数的影响,得出了推块液压缸杠临界力的计算公式。同时针对现场使用的某型号推块液压缸杆在简化其试验试件的基础上进行了稳定性试验研究。通过对比试验研究得出的试件临界力与理论计算的临界力,说明了计算公式的正确性。最后,采用有限元软件Workbench对液压缸杆进行了稳定性数值模拟,其结果显示理论计算的临界力与有限元分析的结果基本一致,进一步说明了计算公式的正确性。     

涡轮式水力振荡器结构参数优化及流体仿真

大位移长水平井开发的后期,存在着大摩阻的问题,严重制约钻具向更远目标的快速钻进,在世界范围内引起了广泛关注。水力振荡器是油井开发后期降摩减阻的重要工具。针对该问题提出了一种涡轮式水力振荡器。该水力振荡器通过静阀与转阀流道口之间的相位变化将钻井液的动能转化为周期性脉冲压力,有效的解决了钻井过程中出现的托压和自锁问题。分别对圆形流道口、扇形流道口与正方形流道口进行优化设计,发现正方形流道口的降摩减阻效果最好。运用理论计算与FLUENT流体仿真分析,研究静阀与转阀的运动规律以及流道的尺寸和长度对阀组压降的影响,得到一组最优的阀组尺寸：中间流道口的半径为14.2mm,正方形外流道口的边长为27mm,流道长度为30mm。研究结果表明该结构可以提供0.096~2.96MPa的稳定脉冲压力。     

水力振荡器流道口形状对阀前后脉冲压力幅值影响规律研究

水力振荡器流道口过流面积的周期性改变可以产生周期性压力脉冲周期性压力脉冲传到振荡短节,在蝶形弹簧的作用下,使振荡短节外壳产生周期性的轴向振动,从而使钻柱与井壁的静摩擦变为动摩擦,有效降低了摩阻,提高了钻压传递效率和钻进速度。水力振荡器的振荡效果很大程度上取决于轴向冲击力的大小和变化频率,即取决于流道口过流面积的变化规律。而在相同条件下不同形状的流道口过流面积的变化规律不同。为了获得更高效的水力振荡器,在一种涡轮式水力振荡器的研究基础上,分别采用矩形流道口、菱形流道口和圆形流道口进行流道口形状优化设计。通过对数值仿真得到的数据进行対比分析,发现菱形流道口的降摩减阻的效果优于另外两种流道口。     

高造斜井眼轨迹控制工具悬臂轴承失效分析与优选

高造斜井眼轨迹控制工具提供了高效的多枝导流出砂井钻井手段,该工具在进行井下工况模拟实验时悬臂轴承破坏失效。为分析悬臂轴承的失效机理,基于管柱力学基本理论,建立了主轴力学模型,分析了悬臂轴承在井下工况的力学行为。结合有限元仿真分析,得出了悬臂轴承的失效原因。研究结果表明:主轴弯曲使滚针轴承承受附加弯矩,致其左侧磨损剧烈,轴承径向载荷分布不均,在摩擦扭矩的作用下,保持架发生扭转变形,从而导致悬臂轴承失效。结合分析结果给出了推荐使用的悬臂轴承型号,能有效提高井眼轨迹控制工具轴承使用寿命。     

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。     

脉冲式增压器增压特性研究

由于深井、超深井数量的增加,传统机械式钻头破岩钻井已无法满足钻井效率需求。为此设计了脉冲式增压器用以提高深井、超深井钻井效率,降低钻井成本。基于所设计的增压器的结构和工作原理,考虑螺杆转速、高压喷嘴直径、钻井液密度和冲程等因素对增压效果的影响,建立数学模型。在此基础之上,考虑脉冲式增压器不发生自锁的条件,并分别分析转速、钻井液密度、高压喷嘴直径和冲程对增压频率、喷嘴流速和增压压力的影响。得到增压器各影响因素与增压特性之间的关系。旨在为设计的增压器提供理论支撑与优化依据。结论认为:高压喷嘴流速和增压压力随着螺杆转速、冲程的增大而增大,并且增压特性较好。随着高压喷嘴直径的增大出口流速和增压压力明显降低,增压能力明显变弱。随着钻井液密度增大,出口流速和增压压力稍微增大,其对增压特性影响不明显。喷嘴高压射流频率仅受转速影响,随着转速增大而增大。要想获得较好增压特性,螺杆转速应不低于100 r/min,活塞行程不低于25 mm,高压喷嘴直径不大于1.4 mm。     

井眼轨迹控制工具主轴力学行为分析

采用梁单元模型对井眼轨迹控制工具主轴进行简化,基于动态有限元显示积分算法,分析了主轴转速、偏移量及钻压对主轴力学行为的影响。结果表明:主轴转速及钻压对主轴力学行为影响较小;随着偏移量的增加,偏心环作用力、下支撑轴承作用力、钻头侧向力逐渐增加。并通过室内试验,验证了主轴力学行为仿真分析的正确性。