双层组合套管优化设计方法

钻井遇到盐岩层及其它蠕变率高的地层时,套管受到内压和高外压的作用,常常引起变形甚至挤毁。对于此类地层,套管设计可行的办法和双层组合套管。经过多次电算,证明本文的设计是实用的,并有明显的经济效益。     

双层组合套管优化设计方法

钻井遇到盐岩层及其它蠕变率高的地层时,套管受到内压和高外压的作用,常常引起变形甚至挤毁．对于此类地层,套管设计可行的办法是采用双层组合套管．认为双层组合套管在这类地层中,破坏是强度问题而不是失稳问题．从此点出发,采用相当应力建立了优化数学模型,利用复形法进行强度优化设计．经过多次电算,证明本文的设计是实用的,并有明显的经济效益．     

基于数值模拟的套管受力单因素分析

套管损坏一直是油田开发过程中的棘手难题,对套管受力及影响因素进行研究对保证套管安全具有重要意 义。考虑开发过程中储层渗流场与应力场的耦合作用,基于流固耦合理论,建立了套管水泥环围岩组合体系 的数学力学模型,根据单因素理论,通过数值模拟,揭示了套管的径向挤压力随注水压力、套管参数、地层参数和地应 力的变化规律：套管的径向挤压力随注水压力、套管壁厚、地层泊松比、弹性模量的增大而减小;随着套管弹性模量、 直径、地层渗透系数、地应力的增大而增大。研究成果将为油田套管保护和预防套损提供理论指导。     

套管抗挤强度分析及计算

为提高套管挤毁压力预测精度,应用统计方法对213根套管全尺寸挤毁试验数据进行了方差分析,研究了外径不圆度、壁厚不均度、残余应力等因素对套管抗挤强度的影响。分析结果表明,径厚比、屈服强度是套管抗挤强度的主要因素,不圆度、壁厚不均度、残余应力等因素对套管抗挤强度的影响呈随机性分布。利用有限元方法对外径不圆度、壁厚不均度和残余应力的不同位置组合进行了模拟分析。结果表明,数值相同的外径不圆度、壁厚不均度及平均残余应力组合不同时,套管的挤毁压力相差很大。最后提出了一个套管抗挤强度计算公式,计算简单,精度可满足工程要求。     

非均匀地应力下套管偏心对抗挤强度的影响

在常规地层条件下,套管的强度具有足够的富余量,因而一般对套管的偏心影响考虑较少.但在深井及盐膏层地层中,套管偏心的影响不可忽略.针对塔里木油田英买力区块钻进过程中出现的技术套管受挤变形问题,建立有限元模型,分析套管偏心对套管抗挤强度的影响规律,绘制套管偏心与套管最大应力的对应关系图,回归套管偏心与套管最大应力关系的计算公式.研究结果表明,非均匀地应力下,在最大地应力方向,套管偏心距越大,套管抵抗非均匀载荷能力越强;在最小地应力方向,套管偏心距越大,套管越容易挤毁.最后,利用研究结果确定了该区块的最低钻井液密度,从而有效地解决了套管变形问题.     

对称载荷作用下的套管抗挤能力分析

根据油田套管损坏情况,建立了轴对称载荷作用下的套管内力计算模型,利用能量法和曲杆理论,分析研究了3种对称载荷作用下的中厚壁套管抗挤能力,给出了理想套管抗挤强度和套管屈曲临界挤毁压力的计算公式。理论分析结果与有限元计算结果的对比证明了临界挤毁压力的计算公式可靠,载荷的集中程度与抗挤毁能力成正比。     

套管-水泥环-地层耦合系统热应力理论解

根据弹性力学和热力学理论,推导了套管-水泥环-地层耦合系统的热应力和热位移理论计算公式,分析了系统热应力和热位移径向分布规律,以及套管温升、弹性模量、热膨胀系数、壁厚、水泥环与地层弹性模量和泊松比等参数对套管热应力和热位移的影响.结果表明:随着离套管中心径向距离的增加,径向热位移和热应力先增大后减小,最大值分别位于地层和套管外壁,而套管上Von Mises应力值迅速下降,最大值位于套管内壁;随着套管温升和套管、水泥环、地层弹性模量与热膨胀系数的增加,套管内壁Von Mises应力和外壁径向压力增大,其中套管参数变化对计算结果影响更明显.在进行稠油热采井套管抗挤毁强度计算时,应考虑热膨胀在套管外壁产生的径向压应力的影响.     

高抗挤套管磨损后的外压失效行为分析

采用Abaqus软件,通过有限元模拟分析方法,按照月牙形磨损模型,对我国深井、超深井中广泛使用的140 ksi(965 kPa)钢级Φ244.5 mm×11.99 mm、110 ksi(758 kPa)钢级Φ339.7 mm×12.19 mm和Φ244.5 mm×11.99 mm等3种高抗挤套管在0到70%之间不同磨损率下的挤毁失效行为和挤毁强度变化规律进行了分析,得到了不同磨损率下套管的挤毁失效类型和挤毁强度数据。研究发现磨损在改变套管几何形状的同时,也使套管的挤毁失效行为发生了变化,从而使其剩余挤毁强度值的计算变得复杂。原本为塑性挤毁的Φ244.5 mm×11.99 mm110 ksi(758 kPa)套管在磨损后转变为以弹性失稳为主;原本为过渡挤毁的Φ244.5 mm×11.99 mm140 ksi(965 kPa)套管,当磨损率小于50%时,其挤毁失效类型为过渡挤毁,当磨损率大于50%时,其挤毁失效类型转变为弹性失稳;原本为弹性挤毁的Φ339.7 mm×12.19 mm110 ksi(758 kPa)套管在磨损后依然为弹性挤毁,但磨损加剧了其结构的不稳定。3种套管磨损后的剩余挤毁强度都低于原本失效模式下的挤毁强度值。     

宝钢抗挤毁套管产品的技术特征

基于套管挤毁的传统理论,从合金设计、织构设计、强韧化机制和管柱设计等方面介绍了宝钢超高抗挤、抗挤抗硫和抗挤耐热等抗挤系列套管的技术特点.以晶粒细化、析出相强化和织构优化等角度研究了套管的抗挤毁机制,提出了抗挤抗硫套管在硫化氢腐蚀介质中的三个阶段的腐蚀行为以及抗挤耐热套管的抗挤强度的预测模型.     

斜直井段套管-水泥环组合系统受力特性分析

为分析斜直井条件下套管-水泥环-地层组合系统的受力特性,将地层主应力通过坐标变换转换到井眼轴线与垂直于井眼轴线平面所确定的坐标系上,将变换后的应力张量进行分解,得到3个新的应力张量,以3个新应力张量为边界条件建立相应的线性方程组,并计算地层主应力3种条件下斜直井中系统各接触表面的应力分布,对比不同井斜角条件下的应力分布规律。结果表明:地层3个主应力大小关系不同时得到的斜直井下套管-水泥环界面的径向接触应力随井斜角的变化规律不同,在某些地层下水平井的套管抗外挤能力大于同等条件下直井的套管抗外挤能力,而在另一些地层下直井的套管抗外挤能力大于同等条件下水平井的套管抗外挤能力。     

深部倾斜巷道变形机理的数值模拟

文章综合考虑影响深部巷道围岩变形的各种因素,并以淮北临涣矿为工程背景,通过现场观测、调研、取样和煤岩力学参数的实验室测定,建立了临涣煤矿的深部巷道计算模型;采用大型有限元软件ANSYS,分析软岩影响下的巷道变形特点;论述了适合软岩巷道围岩变形控制的耦合支护理论,并结合该理论和软岩巷道应力破坏特点,对临涣煤矿软岩处进行了支护优化设计,并对支护设计的结果进行了数值模拟仿真分析,得出对后续现场支护工业实验具有指导意义的结论。     

强风化岩石地基上梁式基础的应用与计算

强风化岩石地基相对一般地基土承载力高,压缩变形小,当强风化岩层较地下水位很高,可采用柱下梁式基础。根据梁的架越作用,要使梁底压力较均匀分必须加大梁高,提高梁的相对刚度。因强风化岩石地基有一定的压缩性,考虑沿及沿梁长方向风化程度的不均匀性采用有限压缩层地基模型,并根据梁高不同分按一般弹性地基浅梁、深梁理论,采用有限元法求得基底压力、梁的变形及内力。     

基于一次二阶矩理论中心点法的深部软岩巷道稳定性分析

针对深部煤矿软岩巷道稳定性控制问题,利用数理统计和概率论的方法,以支护抗力和围岩荷载为变量,建立了可靠性极限状态方程,并采用一次二阶矩理论中心点法计算出支护失效概率指标,对支护后的软岩巷道围岩稳定性进行了可靠性预测,分析了巷道支护稳定性,并借助数值模拟,进一步验证了该方法的可行性.从现场施工至今,巷道围岩没有出现较大变形,生产情况良好,说明该法计算出的较小失效概率在工程允许范围内,完全符合预测要求.     

深部开采灾害及防治研究进展

随着浅部矿物资源日益减少,越来越多的矿井开采向深部推进。开采深度不断增加所引起的软岩大变形、岩爆、高矿压、热害、瓦斯突出和强扰动等工程灾害为深部采矿工程带来了极大的挑战,严重威胁着矿井的生产安全。国内外学者针对深部资源开采面临的工程问题进行了大量的理论与试验研究并取得了一定的成果。本文阐述了引起深部工程灾害的主控因素,总结了深部复杂地质环境灾害现象物理力学机制的研究进展,介绍了深部开采工程实践中防治各类灾害事故的技术装备和理论构想的发展现状,最后提出了未来深部岩体力学理论研究与灾害控制措施研究面临的挑战。     

巷道压曲性底臌的机理与控制

巷道围岩控制是深部资源开采中的关键问题,而要攻克深井软岩巷道支护的难关,就必须首先研究底鼓的机理及其防治措施。巷道底臌有挤压、压曲、膨胀和剪胀等形式,压曲底臌是最常见的一种形式。根据巷道围岩本构关系,建立了压曲底臌力学模型及分析计算简图,根据弹性力学薄板理论,导出了压曲临界载荷计算式。研究表明,临界载荷与厚跨比关系密切。这对于控制底板层状岩体压曲型底臌有一定的参考作用。分析了防治压曲底鼓的有关研究成果,最后介绍了2个防治巷道底鼓的实例。     

流变岩体中三向压力传感器的应力恢复规律模拟研究

流变应力恢复法是一种专门针对深部软弱围岩提出的地应力测量新方法;该方法在围岩钻孔中埋置三向压应力传感器,并注浆充填密实,进而根据传感器的实测恢复应力来分析围岩的初始应力状态和巷道围岩应力分布及演化。压力传感器实测应力的恢复规律是流变应力恢复法需要解决的关键问题之一。采用数值方法模拟流变应力恢复法的测试过程,研究不同围岩黏弹性模型、不同围岩参数、不同地应力状态以及不同注浆材料模量参数对三向压应力传感器实测应力的影响规律;同时,基于大量文献中的流变试验数据,得到了不同围岩等级下传感器实测应力的恢复规律。该研究为流变应力恢复法的成功实施提供了理论依据。     

深部近距离厚煤层开采覆岩结构空间的演化规律与应力分布特征

针对深井近距离煤层回采过程中,煤层工作面及其巷道频繁出现的形变过大、矿压突增问题,以海石湾煤矿近距离煤层开采为参考,采用相似模拟实验与理论计算方法,分别对距离相近的煤层因回采造成的覆岩结构演化、运动及围岩应力变化进行了模拟与分析.研究表明:覆岩中主关键层是否失稳破断对矿压分布的影响重大.在主关键层破断前,近场结构是矿压增量的主要来源,并使矿压具有波动性;当主关键层破断后,远场结构对于近距离各煤层矿压增量均起到主要作用,并使其变化特征具有典型的跳跃性.自下而上逐级传播的覆岩结构演化造成了主关键层的阶段性沉降,对于矿压的跳跃式变化起到了主要作用.研究发现了近距离煤层开采过程中的覆岩演化规律和矿压产生机理,对于采场矿压控制和巷道支护优化具有指导意义.     

基于松动圈理论深埋黄土隧道围岩压力计算方法

围岩压力的确定一直是隧道工程结构设计中的重点,而黄土隧道的工程特性与其他岩质隧道有着明显的区别,尤其是深埋黄土隧道的围岩压力计算。通过对深埋黄土隧道开挖后的围岩应力状态进行分析,明确了松动圈的定义,推导了松动圈的表达式,提出了基于松动圈理论的深埋黄土隧道围岩压力计算方法,并基于现场试验实测数据与既有计算方法进行了对比分析,以验证该方法的适用性。研究结果表明：松动圈为塑性区的内圈,是塑性区内切向应力小于初始地应力的部分;黄土隧道的松动圈较普通巷道和岩石隧道的松动范围大得多,更易受隧道开挖影响;基于松动圈理论的围岩压力计算方法与其他计算方法相比较,计算结果与实测值接近且存在一定的安全储备,使用该方法对深埋黄土隧道围岩压力进行计算是可行的,基于松动圈理论的围岩压力计算方法更适用于深埋黄土隧道这种有一定自稳能力的软弱土质围岩隧道。     

隧道围岩稳定性及其支护作用分析

针对隧道设计中的围岩力学特性及其荷载效应、"支护-围岩"动态作用特点及支护结构体系的协同作用原理3个基本问题进行研究.首先基于对大量山岭隧道围岩变形监测结果的统计分析,指出围岩变形规律和基本特点,以隧道掌子面围岩变形加剧点、初期支护施作和围岩变形稳定作为3个关键节点对"支护-围岩"力学演化过程的作用特点进行分析.提出了"浅层围岩"与"深层围岩"组成复合围岩结构的新理念,对围岩失稳的动态特征进行阐述,并通过计算分析指出了隧道围岩失稳模式、失稳机理和失稳范围的确定方法.基于围岩失稳模式推导作用于支护结构的围岩荷载计算公式,它包括由浅层围岩确定的"给定荷载"和深层围岩传递的"形变荷载"两部分.建立支护结构体系的协同作用力学分析模型,分析了弹塑性条件下影响塑性区变化的关键因素,揭示了初步加固圈层与后续支护圈层的协同作用原理.研究结论对实现隧道工程的动态化、定量化设计和施工具有重要的指导意义.     

岩盐溶腔渗透率研究的一些进展

岩盐溶腔由于其安全、经济的优势，在国外能源储备中得到了广泛的应用，岩盐的渗透率对溶腔的稳定性有着重要的影响，但由于岩盐是一种特殊的软岩，其渗透率的影响因素比较复杂，由于压力是影响岩盐渗透率的重要因素，目前，国内外对这方面进行了深入的研究，并取得了一些进展。