油层出砂引起采油套管损坏的力学分析

基于普氏自然平衡拱理论，并考虑套管与地层的相互作用，对空洞的形态进行了分析，得出出砂空洞的顶部压力拱形状为抛物线，给出了油层出砂形成空洞后淘空段套管所受轴向力的计算公式。将套管损坏近似看成两端固定压杆的失稳弯曲，建立了套管失稳破坏与出砂量之间的关系，并分析了不同的钢级和壁厚对套管发生失稳破坏时出砂量的影响，指出对于出砂严重的油田，其油层段应尽量使用高强度、大壁厚的套管。该研究不但有助于严重出砂油田的套管设计，而且在实际生产中还可以通过监测出砂量来判断套管是否已发生损坏，从而保证采取及时、有效的防砂方法，达到防止套管损坏的目的。     

松软地层套管损坏机理分析

为了防止和减少松软地层套管损坏,采用分析计算方法,建立了松软出砂地层中套管的三维有限元力学模型,分析了出砂段高度、套管内压、以及垂向地应力对套管受力的影响。分析结果表明,出砂段的存在大大增加了套管损坏的危险性：出砂套管损坏危险程度与出砂段高度为二次曲线关系;最大当量应力与内压的关系基本上为双段线性。应使出砂段高度避免接近临界出砂段高度;并尽量使套管内压力接近临界内压。同时根据普氏砂拱效应建立了出砂量和套管最大应力之间的关系,为有效预测松软地层套管的损坏幅供了可行依椐．     

出砂量对射孔套管力学性能的分析计算

油井生产中地层出砂会严重影响射孔套管的力学性能,造成套管损坏。建立射孔套管在出砂层段的三维力学有限元模型,应用Ansys有限元软件分析该出砂层段射孔套管力学性能。研究认为,在出砂地层射孔套管力学性能变化较大,表现为射孔处套管的抗挤强度减小,套管最大应力在射孔处产生。均匀载荷下,套管应力与地层中出砂高度成抛物线关系,生产中应减小或增加出砂量达到远离出砂高度临界值,以减小套管应力。非均匀载荷下,随着出砂量增加,产生的空洞高度增加,套管的应力逐渐减小。因此,在非均匀载荷下,应提高出砂量以增加空洞高度,达到提高套管的抗挤强度,延长套管使用期限。     

疏松砂岩出砂油藏套管发生破坏校核方法的确定

在疏松砂岩油田开发过程中,油井出砂引起套管变形现象经常发生。本文从临盘采油厂出砂井的套管损坏现状及规律着手,分析油藏出砂后形成空洞的特征,根据岩层出砂形成空洞形状,确认套管在地层承受三向应力状态,根据套管在岩层中力学状态,引用了《滩海管道系统技术规范》中管道屈曲破坏的条件,首次提出了为疏松砂岩油藏出砂井套管发生变形的一种校核计算方法。     

油层出砂预测模型研究

分析了裸眼完成井和射孔完成井的油层出砂机理，以线弹性理论为基础，同时考虑垂直井眼围岩应力场对射孔孔道稳定性的影响，建立了一种新的射孔完井临界出砂模型，并编制了出砂预测系统的设计软件。在辽河油田现场应用的实例表明，该模型的预测结果与现场工程实践中已有的油井出砂经验预测模型相吻合。     

油层结构破坏和出砂导致油层污染的数值模拟

在油田开发过程中,由于胶结疏松的砂岩地层本身的胶结脆弱性,压力不平衡以及流体对砂粒的剪切、拖曳作用,会造成油层结构的破坏和出砂,影响到油田的正常开发。研究了造成油层结构破坏和出砂的机理,建立了相庆的地质模型和数学模型,并采用有凶示对模型进行了求解,对常见油层结构破坏和出砂造成的油层污染过程及该类油层近井地带不同开发阶段的污染程度,对于油层的评价、增产措施的实施等具有重要意义。     

砂岩储层出砂段套管强度分析

砂岩储层开采过程中储层砂岩会与储层流体一起流向井筒,易在井筒附近油层形成出砂空洞,使储层出砂段套管失去地层的保护作用,引起套管失效。分析出砂段套管强度校核采用的圆柱壳屈曲模型理论的局限性,提出依据普氏理论,建立疏松砂岩出砂后套管的受力模型;并采用数值方法确定出砂段套管强度值。研究表明:出砂段空洞高度与套管轴向力呈一定线性比例,出砂段空洞与出砂量是一定指数关系。该理论可用来进行出砂段套管的校核和设计。     

油层出砂机理研究

本文从砂粒的受力分析出发,讨论了重力、范氏力和双电层斥力对出砂的影响。提出了油层出砂的门限流速概念,对于合理地确定油井产能、保护油层有着一定的实际意义。     

油层出砂预测模型研究

分析了裸眼完成井和射孔完成井的油层出砂机理 ,以线弹性理论为基础 ,同时考虑垂直井眼围岩应力场对射孔孔道稳定性的影响 ,建立了一种新的射孔完井临界出砂模型 ,并编制了出砂预测系统的设计软件。在辽河油田现场应用的实例表明 ,该模型的预测结果与现场工程实践中已有的油井出砂经验预测模型相吻合。     

油层结构破坏和出砂导致油层污染的数值模拟

在油田开发过程中,由于胶结疏松的砂岩地层本身的胶结脆弱性、压力不平衡以及流体对砂粒的剪切、拖曳作用,会造成油层结构的破坏和出砂,影响到油田的正常开发。研究了造成油层结构破坏和出砂的机理,建立了相应的地质模型和数学模型,并采用有限元法对模型进行了求解。对常见的油层结构破坏的３种情况和实例进行了模拟计算。结果表明,本模型可以很好地模拟和预测由汕层结构破坏和出砂造成的油层污染过程及该类油层近井地带不同开发阶段的污染程度,对于油层的评价、增产措施的实施等具有重要意义。     

套管承插式脚手架节点力学性能分析

为了揭示套管承插式节点的半刚性特性、计算方法及其对节点和脚手架承载力的作用规律,结合相关试验数据、数值仿真和理论分析,研究节点连接棒的伸入长度、连接方式对节点刚度产生的影响,以及节点刚度对脚手架承载力的影响.分析结果表明:连接棒的伸入长度对节点刚度有重要的影响.当连接棒长度小于12 cm时,节点刚度的大小会随着长度的增大而显著增大;长度超过12 cm后,节点刚度的大小基本保持稳定.另外,连接棒的连接方式也会对刚度产生重大影响.通过试验得到固定式节点的转动刚度大小比活动式的节点刚度提高11%;并且通过进一步模拟发现,采用三点焊接方式得到的节点刚度达到最大.最后选取5组节点刚度数据对脚手架进行仿真计算,得出节点刚度对结构极限承载力大小的影响能达到40%,证实竖向节点刚度对脚手架承载力有显著影响.     

顶替速度对粘砂套管水泥环胶结强度影响研究

套管粘砂增加了管壁的粗糙度,造成部分钻井液滞留在砂粒间无法顶替,降低了水泥浆的顶替效率和粘砂套管的胶结强度。通过分析幂律水泥浆在套管-井壁环空中轴向紊流流场,计算粘砂套管水泥浆的顶替效率,并在此基础上建立考虑钻井液滞留的粘砂套管胶结强度计算模型。研究结果表明:随着水泥浆顶替速度增大,粘砂套管顶替效率逐渐增大,顶替速度为2.9m/s时,粘砂套管胶结强度达到最大值;粘砂套管破坏位置主要发生在胶结剂-砂粒界面,砂粒粒径4～6mm和6～8mm粘砂套管的胶结强度分别为1.509MPa和2.480MPa。     

离心泵叶轮汽蚀与泥沙磨损破坏浅析

对引黄工程某泵站抽送含沙水时对叶轮产生的汽蚀与泥沙磨损破坏的原因进行了分析 ,结果表明 :汽蚀伴有泥沙 ,会使破坏程度成倍增加 .在无法减少泥沙的情况下 ,可改进叶轮形状 ,以避免诱发汽蚀 ,也可采用耐汽蚀材料等方法提高叶轮使用寿命 .一实验叶轮在修改了叶片形状后增加寿命 1倍 ;另一用钢板制成的叶轮其寿命提高了 4倍以上 .     

储层出砂、生产压差及改造压力对射孔套管强度的影响

分析了射孔出砂形态及出砂段套管所受轴向压力;考虑不同出砂程度,建立了射孔出砂段套管三维有限元力学模型;分析了出砂分布及出砂程度对射孔段套管应力强度安全性的影响;分析了不同生产压差及改造压力作用下射孔套管等效应力的变化趋势。结果表明,射孔出砂掏空空洞的构形曲线为一个与上覆岩层压力、套管外径有关的二次曲线;空洞构形的曲率半径越大,套管所受轴向压力越大;即使轻微出砂,只要形成空洞,射孔段套管的强度会大大降低;集中出砂时套管的应力比分散出砂时的高;出砂量越大,最大等效应力越大,套管的强度安全性越低。     

热采水平井套管应力分析的摄动有限元方法

开采稠油更多地用水平井注蒸汽方式进行热采 ,而热采水平井套管的应力分析是一个复杂的三维力学问题 ,采用通用有限元程序进行分析的计算量大、机时长。为了有效地解决这个问题 ,针对水平井的几何和结构特点 ,先从普适的弹性力学方程出发 ,导出水平井套管在自然坐标系下的弹性力学方程。然后 ,利用摄动方法把三维问题转化为类轴对称问题 ,并采用环向有限单元的剖分方式 ,建立起相应的有限元方程 ,简化了问题的求解。同时 ,还揭示了热采水平井条件下剪切应力和轴向位移的变化规律 ,给出了水平井井口隆起等现象的合理解释     

碳纤维微生物固化砂力学性能及颗粒形状分析

微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbial Induced Carbonate Precipitation,简称MICP）技术已被广泛应用于土体加固。纤维的加入可以降低微生物固化砂土的脆性,但从颗粒形状方面探究掺碳纤维微生物加固砂土的力学特性还未成体系。因此,本文采用不同含量的碳纤维掺入硅砂和钙质砂中,利用无侧限抗压强度试验、SEM电镜扫描和光学显微镜试验,研究了碳纤维掺量及颗粒形状对MICP固化砂土的影响。试验结果表明：碳纤维的加入可以有效提高微生物固化砂土的无侧限抗压强度,随着纤维掺量的增加先增大后减小,纤维在硅砂和钙质砂中的最优掺量分别在0.1%~0.3%和0~0.2%之间取得。纤维的加入增加了细菌的滞留从而增加了颗粒间碳酸钙的生成,从而表现为添加纤维后的试样无侧限抗压强度普遍高于未添加纤维的试样。且因硅砂的圆度低于钙质砂,粗糙度高于钙质砂,说明硅砂整体咬合力与内摩擦力高于钙质砂,总体上表现为硅砂的无侧限抗压强度普遍比钙质砂高。     

饱和岩石循环冻融蠕变力学特性及损伤分析

为研究饱和岩石循环冻融条件下的蠕变力学特性,开展不同饱和冻融次数三轴蠕变力学试验。根据试样变形特征建立了弹粘塑性蠕变模型,计算了蠕变模型相关参数,研究了饱和循环冻融相关参数变化特征。分析了随冻融次数增加裂隙扩展发育规律,提出了循环冻融蠕变损伤模型,基于试验数据对损伤模型进行了验证。研究表明:饱和循环冻融蠕变过程分为过渡蠕变阶段,稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段三个阶段,冻融次数增加蠕变各个阶段均呈缩短趋势。建立弹粘塑性蠕变模型基础上,总结相关蠕变参数随加载应力增加均呈现增大趋势,随冻融次数增加,相同应力条件下蠕变参数逐渐减小。冻融过程中裂隙发育主要分为两种:沿原有裂隙扩展和独立发育的裂隙。原有裂隙扩展速度大于独立发育裂隙产生速度。试样循环冻融过程中裂隙发育速度逐渐增大。考虑冻融次数对蠕变参数的影响,同时引入损伤系数对其影响结果修正,建立蠕变损伤模型解释了循环冻融蠕变损伤过程,模型理论曲线与试验数据对比显示具有较好的相关性,验证了蠕变损伤模型的正确性。     

热损伤后材料力学性能的小冲孔试验分析

基于小冲孔试验技术建立栽荷-位移曲线中弹塑性转变温度、最大载荷、断裂位移与材料屈服强度、抗拉强度、断后延伸率之间的关联,从而分析不同热损伤条件下304不锈钢以及Q345R钢的力学性能变化。结果表明:相比于新材料,不同损伤参数下材料力学性能发生明显变化并可以使用小冲孔试验进行合理分析。随着损伤时间的延长,2种材料的屈服强度和抗拉强度均会出现一定程度下降,而在热损伤12 h后304不锈钢的抗拉强度基本不变。损伤时间达到48 h时,损伤温度的提高将会导致材料屈服强度和抗拉强度的明显下降。304不锈钢的断后延伸率随着损伤温度的升高逐步增加,而Q345R钢的断后延伸率则存在一定的分散性。