气体钻与泥浆钻全井段钻柱动力学对比研究

全井段钻柱在井内运动过程是一个非常复杂的非线性动力学问题,不可能得到比较完美的解析解,如果采用室内试验或者现场试验研究,其成本又会很高且很难实现。因此,在弹塑性力学、岩石力学和钻柱力学的基础上,以四川某井基本钻井参数和钻具组合为依据,采用有限元法建立了塔式钻具钻至1486m井深时的全井段三维钻柱模型和相应的井筒模型,并且建立了钻头与岩石以及钻柱与井筒之间的随时间变化且有摩擦系数的接触关系和相对应的泥浆钻井模型,对比分析了钻柱在动态钻进过程中的井口参数、钻头上压力和转动速度以及全井段钻柱的弯矩扭矩变化等结果,得出气体钻井与泥浆钻井全井段钻柱的运动规律以及钻铤失效机理的差异。为认识气体钻井全井段钻柱的运动规律提供了新的研究方法,对气体钻井中钻柱力学、井斜控制和设备等方面的研究都有较好的现实意义。     

三维复杂井眼上提冲放套管屈曲摩阻模拟研究

针对复杂井身结构、复杂井眼轨迹和井径变化导致的套管下放困难甚至不能到达预期井深的问题,开展了三维复杂井眼上提冲放套管屈曲摩阻研究。在螺旋屈曲套管附加摩阻理论的基础上,利用有限元分析,以H井实际工况参数建立三维复杂井眼套管“上提冲放”作业过程的有限元模型。利用该模型对全井段套管受力及屈曲变形情况进行了分析,结果表明,H井直井段套管在冲放瞬间及自由稳定后所受的轴向力大于其螺旋屈曲临界载荷,从2 000 m井深至造斜点之间井段发生了严重的螺旋屈曲变形,套管螺旋屈曲附加摩阻太大而自锁,下部套管无法传递动力出现下放困难。该类三维复杂井眼套管下放困难机理对复杂井眼套管柱屈曲形态损伤及其失效研究具有重要意义。     

气体携岩对钻杆接头冲蚀规律研究

针对气体钻井钻杆接头冲蚀严重易导致钻杆快速失效的问题,基于两相流计算流体动力学有限元法建立了气
体携岩冲蚀18° 斜坡钻杆的CFD 仿真模型。根据此模型,系统地研究了钻杆居中、钻杆不同偏心程度、不同注气量以
及不同钻速对岩屑颗粒冲蚀钻杆接头、岩屑颗粒运动轨迹和浓度分布以及环空气流速的影响。结果表明：（1）钻杆居
中时,冲蚀速度对称分布,接头冲蚀比钻杆本体冲蚀严重,迎风坡面顶部附近出现最大冲蚀速度。同时,得到了接头最
大冲蚀速度随岩屑质量流量及携岩速度的定量关系;（2）钻杆偏心时的最大冲蚀速度和接头宽流道环空一侧的冲蚀速
度比钻杆居中时大,且偏心程度越高,接头环空窄流道一侧冲蚀区域越密集。钻杆偏心程度在30%～70% 时,最大冲
蚀速度由钻杆接头转移至钻杆本体。接头最大冲蚀速度分别在钻杆偏心0～30%、50%～70% 和80%～90% 时随携岩速
度增加而增加,但在钻杆偏心30%～50% 和70%～80% 时最大冲蚀速度随接头环空宽流道岩屑浓度减小而减小。研究
结果为预防钻杆接头冲蚀失效提供了理论依据,并在现场得到了应用。     

冲砂洗井泡沫携砂规律数值模拟研究*

利用计算流体动力学（CFD）软件对水平井冲砂洗井过程中泡沫流体携砂能力进行了数值模拟。结果表明在油管居中情况下泡沫流体在环空中心部位体积分量最大,砂粒颗粒体积分量最小。砂粒在泡沫携带下,中心区域的砂粒速度随着运移路程不断变化,砂粒平均速度比入口速度略有增加。随着砂粒直径增加,发生冲蚀区域增加,其对泡沫携砂能力将产生更大影响,但总体而言,砂粒对管壁的冲蚀速率非常小。泡沫流速为0.30 m/s时,直径在0.1～2.0 mm的砂粒基本上可以悬浮在泡沫流体中随泡沫一起运动,没有沉降现象;泡沫流速为0.90 m/s和1.50 m/s时,0.1～2.0 mm直径砂粒可以顺利通过水平井段环空流道,砂粒直径越大,泡沫携砂能力越低。     

应用细观力学与扩展有限元法数值模拟钻柱损伤

钻井过程中,钻柱承受着拉扭等多种交变载荷的作用,其损伤机理一直是力学界深入研究的课题.笔者首先根据细观力学分析的基本原理,采用Abaqus软件的脚本语言Python建立细观尺度下晶粒分布模型,然后采用断裂力学算法——扩展有限元法对含有微裂纹的细观尺度下晶粒模型进行计算,分析裂纹的动态扩展过程以及相应的应力应变分布特征,最后根据细观力学中“均匀化”方法对不同时刻的应力应变进行处理,得到微裂纹扩展对钻杆材料宏观性能的影响.在宏观尺度下处于弹性阶段的钻杆材料,在细观尺度下仍会出现塑性区,且在微裂纹不扩展的情况下,弹性模量是恒定的.文章提出的思路为深入探索钻柱材料断裂机理提供了新的方法.     

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。     

大斜度井中套管磨损机理研究

针对套管在大斜度井中的磨损失效,首先开展了套管的磨损实验研究,根据Dawson 和White 提出的基于能 量损失的线性磨损模型以及本文的实验数据,获得了钻杆接头与套管的磨损系数。建立了钻杆接头与套管磨损机理 研究的有限元模型,通过任意拉格朗日欧拉自适应网格划分,在数值模拟过程中可以对套管磨损的节点进行“实时 调整”,并对网格单元做光滑处理,不断更新钻柱接头与套管的接触关系,对钻进过程中套管磨损机理进行了研究。在 磨损后套管结构形状研究的基础上,开展了套管剩余抗挤强度的数值模拟研究,得到了套管的最大磨损深度随时间的 变化关系,建立了套管剩余抗挤强度与最大磨损深度的关系,进而可以预测套管在某一累积磨损时间内套管的最大磨 损深度和套管的剩余强度,为磨损套管的安全性评价提供了理论依据。     

CVD法制备的ZnO纳米线喇曼散射谱的特征

要对纳米ZnO晶体进行了喇曼背散射几何配置下的喇曼测试与分析,其样品采用化学气相沉积法(CVD),分别在三种不同的温度下生长而成.在438 cm-1和1152 cm-1位置分别可以观测到纤锌矿结构的ZnO一级散射峰和二级散射峰,同时也可以看到一级散射强度与二级散射强度比的变化.结果显示:用CVD法制备纳米ZnO时,温度(即Zn蒸汽的浓度)只影响ZnO纳米线的形貌特征,而并不影响它的微观结构.     

排砂管线弯接头的冲蚀机理研究

排砂管线是气体钻井中不可缺少的地面设备之一,在高压高产气井的钻井中存在安全隐患,常规情况下通常
被人们忽略。排砂管线失效主要由高速气流中的固体颗粒冲蚀破坏,通常发生在弯接头部分。针对排砂管线弯接头
的冲蚀失效情况,开展冲蚀破坏机理的理论研究和数学模型研究,对弯接头的冲蚀攻角、冲蚀函数、冲蚀颗粒形状系数
以及固体颗粒的受力状况进行探讨。建立排砂管线弯接头的CFD 有限元模型,可以任意改变弯接头的角度,定量地
模拟不同工况下含有固相颗粒的多相流对弯接头的冲蚀速率和冲蚀机理,对排砂管线在气体极限流量100×104 m3/d
和50×104 m3/d 的工况下,对不同含砂量进行一系列的CFD 仿真模拟,得出冲蚀速率随弯接头角度变化定量的关系曲
线,为弯接头的结构优化设计提供理论依据。     

桥塞坐封过程仿真模拟研究

桥塞作为井下封层技术的关键设备,由于它施工工序少、周期短、卡封位置准确而得到了广泛应用。针对设计的可钻式非金属桥塞坐封过程开展模拟研究,涉及弹塑性材料接触、超弹性材料接触和非金属材料动态断裂的非线性动力学问题,利用有限元法建立该桥塞全尺寸模型和所有部件之间的广义接触关系,通过有限元模拟动态坐封过程获得桥塞各部件运动变形特性、桥塞与套管之间的密封特性和动态坐封力等数据,该桥塞坐封完成时,坐封机构部件轴向位移110 mm,坐封力约45 kN。模拟坐封也为进一步优化该型桥塞的结构和评估坐封性能提供了理论依据,对该型桥塞的推广应用奠定了基础。