水平井多封隔器管柱力学分析及安全评价

针对水平井多封隔器管柱在井下多种载荷的共同作用下易引起管柱失效的安全问题,基于力学研究中的多杆件的多次超静定结构,引入力法对多封隔器之间管柱进行受力分析,同时考虑温度效应、活塞效应、鼓胀效应和螺旋屈曲效应的影响,建立考虑多封隔器影响的轴向力数学模型;在此基础上建立多封隔器管柱力学安全强度评价准则和封隔器控制信封失效判断方法,对现场水平井多封隔器管柱进行力学分析和安全评价。研究结果表明,建立的考虑多封隔器影响的轴向力数学模型计算结果大于常规不考虑多封隔器影响时轴向力,若不考虑多封隔器的影响将低估多封隔器管柱的轴向力,而造成管柱受力危险;同时对管柱危险位置和封隔器进行安全评价,得到了酸化作业时油压和套压的综合控制参数,以期为水平井多封隔器管柱安全工作参数的优化设计提供理论依据。     

燃油舱加注管压力晃荡效应数值分析

船舶海上燃油加注过程中,舱内液体受加注作业以及船舶运动共同影响,两者产生的晃荡效应相互耦合,加剧舱内液体晃荡载荷变化,对加注作业效率和安全产生影响。本文以受油船燃油舱为研究对象,分析船舶海上燃油加注过程中加注管压力变化特征,研究舱内油品晃荡效应。研究发现:燃油舱静止状态时,舱内液体动能全部由加注作业产生的扰动能提供,随着载液率增加,加注速率越大,扰动能越大;燃油舱运动状态时,加注速率变化对加注管压力的影响较小,加注管压力变化主要由燃油舱运动造成。在研究加注管压力变化的基础上,分析舱内液相区流速以及速度场,结合应用能量方法分析船舶海上燃油加注过程中液体晃荡机理,探究船舶海上燃油加注过程中舱内液体的晃荡效应。     

无隔水管深水钻井作业管柱的力学分析

 无隔水管深水钻井作业是深水钻井的关键环节之一,管柱的力学行为十分复杂。本文阐述了无隔水管深水钻井管柱的纵横弯曲变形力学模型、纵向振动力学模型及无隔水管深水钻井送入管柱设计与强度校核方法等,分析了作业管柱变形及运动的主要影响因素和规律,提出了解决这类复杂工程问题的简化思路。结果表明,作业管柱的轴向拉力过大或过小、海水深度大、平台偏移或升沉振动幅度过大以及海流流速快等因素对管柱的强度安全具有显著影响。在无隔水管深水钻井作业管柱强度设计与校核时,应充分考虑管柱的作业工况及环境载荷的影响。     

天然气水合物开采立管力学特性研究

深水天然气水合物开采立管是开采水合物的关键通道,管内由于水合物分解形成多相内流会导致其受力变形更为复杂,在内外流综合作用下水合物开采立管易发生失效事故。为分析水合物开采立管的力学特性,考虑管内水合物的分解与流动,并将其引入立管动力学方程,建立了海洋环境与管内多相流共同作用下的水合物开采立管动力学模型,采用有限单元法对模型进行离散求解,以固态流化试采工艺为例,分析了浆体密度、排量与出口回压对水合物开采立管力学响应特性影响规律。结果表明,立管内水合物分解形成多相流使得立管系统质量减小,导致立管沿程截面张力增大,水合物开采立管的形变位移、弯矩与偏转角度均比纯液立管小;无浮力块配置的水合物开采立管最大位移出现立管中下段,最大弯矩与偏转角度出现在立管底端;水合物开采立管的弯曲位移、弯矩与偏转角度随着浆体密度、浆体排量和立管出口回压的增大而增大;适当增加水合物开采立管顶部张力或配置浮力块,减小浆体密度与排量,降低立管出口压力均有利于减小立管的弯曲变形。研究结果可以为水合物开采立管的安全控制提供理论指导。     

深井压裂井下管柱载荷与轴向变形研究

根据深井高温高压条件下的压裂施工过程,综合考虑井身轨迹、管柱和井下工具结构,建立压裂管柱综合力学模型;研究深井压裂管柱在自重、内压、外压、各种效应力、粘滞摩阻力、套管支承反力、弯矩和锚定、坐封压力等多种载荷联合作用下的变形,并进行强度分析和校核。给出了一套实用的压裂管柱力学计算步骤、方法与公式,为准确地掌握压裂过程中管柱的受力及变化规律提供理论依据,从而优化管柱组合与施工参数,提高作业效果和成功率。     

基于有限元分析的玻璃钢夹砂管优化设计

为了使玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力管的设计更加安全、经济,本文探讨了在有限元分析基础上对该复合材料结构进行优化设计的理论和方法,运用ANSYS软件对某市政给排水工程中采用的玻璃钢夹砂顶管进行了结构优化设计分析,研究了影响该结构优化设计的主要因素,计算结果表明,按此优化设计方法进行设计可节省材料25.2%.     

一种三自由度海上廊桥试验台的建模与实验

海上廊桥在作业时由于受到风、浪、流等载荷的扰动会产生较大摇摆,极大的降低了海上作业安全。针对该问题,设计出一种具备运动补偿功能的三自由度海上廊桥试验台。文章首先构建海上廊桥试验台三维结构模型,建立包括不规则海浪以及船-海上廊桥试验台的运动学模型。通过欧拉角坐标转换法,运用运动学逆解得到每个电动缸的运动规律,利用拉格朗日法建立了试验台的动力学模型,在运动学和动力学推导结果的基础上,从实用性的角度确定采用运动学为该系统的控制基础。最后利用船舶运动模拟平台对试验台及其逆解算法进行验证。实验结果验证了该试验台具有良好的运动补偿效果,具有广泛的工程应用前景。     

半潜式钻井平台锚系留力分析

半潜式钻井平台是一种常用的平台结构形式,主要依靠锚泊系统将船定位在海面进行钻井作业。本文详细论述了锚的分类、半潜式钻井平台锚系留力的分析方法,并通过实例分析进行了验证,为半潜式钻井平台海上作业的安全稳定提供分析依据,同时对锚系留力的分析方法应用提出了建议。     

深海柔性立管弯曲加强器力学建模及参数敏感性分析

柔性立管系统在深海资源开发中使用越来越广泛。弯曲加强器作为立管系统的重要构件,其设计和研究对立管系统在复杂工况下的正常作业有着十分重要的意义。同时考虑材料的非线性力学行为、几何大变形,以及弯曲加强器与立管之间的接触摩擦,建立典型三段式弯曲加强器-立管系统的三维非线性力学模型,并与工程常用线性简化模型结果进行对比,说明非线性力学建模的必要性。在此基础上,通过非线性计算对典型三段式弯曲加强器的关键结构设计参数进行敏感性分析。结果表明,弯曲加强器的各段长度比例、厚度等结构参数对系统工作性能都有一定影响,在弯曲加强器设计时应给予充分考虑。     

卷管法安装海洋管中管的有限元分析

针对在1,500,m水深以卷管法安装管中管的过程进行了数值模拟.建立了管中管横截面的平面应变有限元模型,研究内外管之间的相互作用,将接触力和变形关系等效为内外管之间的非线性接触属性;建立了整体有限元模型进行管中管的安装分析,研究了内外管的受力和弹塑性变形,并研究了安装过程造成的内外管之间保温层厚度的折减.结果表明,外管承受了主要的拉力,内外管在安装中发生两次弹塑性应力-应变循环,内管和外管产生最大的累积塑性应变分别为4.13%和5.07%;安装完成后保温层最大的厚度折减为26.2%.     

基于尾流振子模型的套管涡激振动响应研究

针对PIP （Pipe In Pipe）系统（套管）的涡激振动问题,开展了对PIP系统在涡激振动作用下的动力学响应研究,分析了在涡激振动作用下不同无因次波数、内外管道直径比、连接层刚度以及张力对海洋立管位移响应的影响规律。研究基于Euler-Bernoulli双梁理论,采用尾流振子模型,建立了动力学模型,利用谐波平衡法求得内、外管道的振动响应表达式。结果表明,在不同无因次波数的作用下,套管的振动存在不稳定现象,在七阶模态时,管道的振动出现单一频率的振动现象;在高频率比区域,随着无因次连接层刚度的增大,内、外部管道的位移均呈现先减小后增大的趋势,并且逐渐趋于稳定;张力对外部管道位移的影响相对复杂,内部管道的位移随张力的增大呈现减小的趋势。     

大泵油管防喷工艺管柱作业安全性

为解决Φ70 mm及以上抽油机井起下杆管过程中的防喷安全性隐患,优化设计了防喷脱接器结构,攻关形成了抽油机井大泵油管防喷技术,并结合理论分析及数值模拟方法建立了此工艺管柱作业过程防喷安全性评价方法。首先,通过数值模拟手段分析了防喷脱接器对接过程的使用强度。然后,开展了起抽油杆过程防喷脱接器密封系统的强度和密封性能研究,结合抽油杆起下过程工艺管柱的屈曲行为分析结果获得了防喷工具的防喷压力界限,其数值约为30.85 MPa。最后,结合起抽油杆过程中工艺管柱的受力特点,建立了该防喷工艺管柱作业过程防喷安全性评价方法,设计了其作业过程防喷安全性评价图版,实现了其作业过程防喷安全性的量化评价。研究成果可为不压井作业安全性提供理论依据。     

声波在钻柱中的传播特性

首先分析声波在管柱中的传播机制和特性,接箍等效为声透层,依据突变截面管和波导管声波传播相关理论,利用传递矩阵法分析声波在钻柱中的透射和反射.对理想钻杆中沿管轴方向的纵波传播模型进行分析,推导出纵波频率方程.利用色散曲线对钻杆中纵波传输的频域特性进行分析,并通过有限长管试件进行声传输试验.结果表明:钻杆和接箍的长度和截而积决定了钻柱的频带结构,并且这种频带结构的变化旱周期性和对称性;在钻柱信道中,通带和阻带交替出现,钻柱表现为一种梳状滤波器,且在一个频带周期内随着频率的增加,通带先变窄冉变宽,阻带则先变宽再变窄;钻杆长度增加使通带变窄,接箍截面积减小使通带变宽,钻杆各节钻管的长度不一致会使通带变窄.     

岩石坍塌作用下埋地集输管道应力变化规律

基于弹塑性力学理论,采用有限元分析方法,建立了岩土坍塌作用下埋地集输管道分析模型,研究了岩石坍塌作用下不同因素对埋地集输管道应力影响规律.结果表明:冲击载荷随石块边长的增加呈指数形式上升,正方体边长改变1.4 m时,冲击载荷可改变22.4 MPa.运行压力、温度、管道铺设坡度对管道壁面应力影响较小,而冲击载荷、腐蚀是埋地集输管道安全的主要影响因素.当冲击载荷大于10.5 MPa时,管道进入塑性变形区.岩石坍塌冲击载荷较大时,管道壁面最大等效应力随着管道径厚比的增加而减少.当径厚比改变了3.8,管道壁面最大等效应力可减小44 MPa;当岩石坍塌冲击载荷较小时,管道壁面最大等效应力出现极小值点.     

超高压地层组合套管的优化设计

国内许多油田深部地层的径向超高压,导致套管大量被挤毁变形,严重影响了油气的正常生产,针对这个问题,本文根据弹性力学中的厚壁简理论和机械优化设计理论,提出了组合套管的优化设计方法。用该方法设计的组合套管,可有效地防止深部软岩地层的径向超高压所引起的套管变形或挤毁。     

包壳管三维力学建模及其变形分析软件开发

燃料棒包壳通常为锆合金制成的圆筒状结构,在堆内复杂的“高温-高压-辐照”作用下因结构蠕变导致坍塌,从而失去其结构功能危害反应堆运行安全。基于连续介质力学理论,建立三维包壳结构的控制方程,并开发有限元数值计算软件BINE3D。结果表明：该软件计算结果与商业有限元软件ABAQUS结果一致。随着辐照时间的增加,包壳管蠕变变形逐渐增加、蠕变变形速率逐渐降低,最终可能导致包壳坍塌。包壳管的初始椭圆度越大,辐照变形的总椭圆度越大。该软件可为包壳的结构设计、安全分析和寿命评估提供指导。     

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“三高”油气井。为研究高压高产气井油管柱强度安全,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。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,其中H为深度)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,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。     

开口模型下内腐蚀缺陷管柱剩余抗内压强度

目前较少按开口模型研究缺陷管柱剩余抗内压强度,各因素对抗压强度的影响程度缺乏定量分析,较少考虑缺陷宽度、管柱径厚比等因素对强度的影响.根据非线性有限元方法,结合正交试验设计,按开口模型分析了内压载荷下缺陷管柱应力分布情况,研究了内腐蚀缺陷长度、宽度、深度、管柱外径、径厚比等参数对管柱剩余抗内压强度的影响规律.结果 表明:开口模型下含缺陷管柱抗内压强度低于端部约束模型与闭口模型.缺陷管柱无因次抗内压强度随缺陷深度增加呈线性关系降低,随缺陷长度的增加呈指数关系逐渐降低,抗内压强度随缺陷宽度增加先增大后降低;轴向沟槽形缺陷显著降低管柱的抗内压强度.缺陷深度与长度对无因次抗内压强度影响较大;管柱径厚与缺陷对无因次强度影响较小.以有限元计算结果为依据,建立了抗内压强度多因素预测模型,可为工程上含缺陷管柱抗内压强度评价提供参考.     

油井套管水力挤压破坏性质

分析了套管挤压理论的发展概况,认为已有计算理论不太完善。国内外生产中实用的抗挤计算方法不符合实际情况。从工程力学角度分析了强度与稳定两种不同的性质,给出了不同的解题原则,并将其应用于分析套管受挤破坏性质。结果表明,理想圆管的受挤破坏可能是弹性结构失稳,也可能是弹塑性结构失稳;而椭圆管的受挤玻坏则常常是弹塑性结构失稳。