压缩式封隔器波浪形胶筒力学性能分析

为了提高压缩式封隔器坐封后胶筒与套管壁间的接触应力和胶筒的使用寿命,本文设计出一种外形轮廓为波浪形的新型胶筒。运用有限元仿真软件模拟了封隔器胶筒的工作原理,通过改变波浪形胶筒的波浪数量n和波浪高度h,掌握了波浪形胶筒与套管壁的接触应力分布规律和胶筒的Mises应力变化规律,同时分析了胶筒硬度对封隔器胶筒力学性能的影响。结果表明:新型波浪形胶筒与套管间的最大接触应力比常规封隔器胶筒提高了1.07倍~2.01倍;波浪数量n=5,波浪高度h=3mm的波浪形胶筒Mises应力比常规胶筒Mises应力降低了约62.65%。新型波浪形胶筒增加了封隔器胶筒与套管间的接触应力,降低了胶筒的Mises应力,提高了封隔器的密封性能和封隔器胶筒的使用寿命,研究结果对开发高性能压缩式封隔器具有一定的参考意义。     

高温高压下扩张式封隔器胶筒非线性流动仿真计算

针对井下温度压力环境下扩张式封隔器的工作状态,本文建立了卡距内管柱及封隔器力学模型,采用网格重划分方法来描述胶筒在环空间隙中的非线性流动,并将重划分前后的网格信息进行映射,解决了封隔器有限元方程矩阵奇异问题。对不同压裂泵压、不同井温和不同环空间隙下封隔器胶筒的位移、剪切应力及接触压力进行仿真计算。压裂泵压为30 MPa～80 MPa时,胶筒未发生轴向窜动,橡胶基体的剪切应力及接触压力随着压裂泵压的增加而增大;井温为25℃～175℃时,胶筒基体剪切应力随井温的升高而增大,胶筒与套管间接触压力随井温升高而降低;胶筒与套管环空间隙为2.5 mm～9.5 mm,胶筒剪切应力随间隙增加而增大,胶筒与套管接触压力随间隙增加而降低。通过胶筒网格变形可知,胶筒橡胶在环空间隙中产生非线性流动是引起胶筒剪切应力数值增大、接触压力数值降低的根本原因。综上可得,在压裂作业中,随着压裂泵压的增大、井温的升高和环空间隙的增大,封隔器胶筒更容易发生剪切撕裂破坏,且封隔器的密封效果亦降低。     

非规则井眼形状对封隔器密封性能影响

为了研究非规则井眼形状中封隔器的密封性能,分析了井眼的应力场分布,并根据现场测井数据选择井眼长径比为1、1.05、1.1、1.15和1.2建立封隔器坐封有限元分析模型。根据胶筒单轴拉伸试验结果与Mooney-Rivlin、Yoeh本构模型进行拟合,优选Yoeh本构模型为胶筒橡胶材料的本构模型。对封隔器的坐封过程进行仿真分析,分析结果表明:在椭圆井眼中封隔器坐封后,胶筒与中心管壁间出现间隙,且胶筒与井壁间的接触应力分布不均匀,流体更易从胶筒与井眼长轴部位及中心管接触部位穿透,导致封隔器封隔失效;随着井眼长径比增加,胶筒与中心管壁间的间隙增加,胶筒与井壁间的接触应力减小,封隔器更易失效;当井眼长径比为1.2时,封隔器与井壁间虽有接触,但存在间隙,流体会从间隙中渗出,导致封隔器失效;针对常规封隔器在椭圆井眼中密封较差的问题,可选用分段式胶筒来提高封隔器的密封性能。     

考虑工作温度的封隔器橡胶密封性和可靠性评价

以Y344-142裸眼压裂封隔器为例,在120℃工作温度环境下,通过单轴拉伸试验、平面拉伸试验和等双轴拉伸试验,测定橡胶不同受力状态的应力-应变曲线,确定Mooney-Rivilin橡胶本构模型与材料参数。利用有限元方法,建立了封隔器密封结构分析模型,分析得出了Y344-142裸眼压裂封隔器在坐封力为82k N时,最大剪应力为6.68MPa,最大压应力为19.38MPa,最大接触应力为4.64MPa。提出了用压缩率、密封性系数、线压、面压评价封隔器胶筒密封性和可靠性的方法,该评价方法成功预测了樊154块封隔器的密封性能,在优化封隔器胶筒、判断失效形式上有推广意义。     

封隔器卡瓦接触应力研究

封隔器上的卡瓦锚定后起到支撑封隔器、锁定胶皮筒的作用,其性能好坏直接影响到油井的产量和生产安全。卡瓦与套管间的咬合力分布决定了封隔器在使用中的成败。咬合力的分布是否合理,将直接关系到套管的损伤程度及卡瓦的寿命。文中同时应用有限元法和三维光弹性技术对封隔器卡瓦进行了接触应力分析,介绍了实验模型的建立和实验步骤以及计算模型的建立和边界条件的考虑,比较了数值计算与三维光弹实验的结果,分析了造成误差的原因。实验应力分析结果为有限元计算模型的建立及边界条件的确定提供了重要的实验保证。研究工作获得了一些重要的结果,为封隔器卡瓦的优化设计提供了相关的参数。     

高温封隔器胶筒与套管接触压力的实验研究

本文利用所研制的高温封隔器测试装置,应用高温电阻应变测试技术与有限元相结合的方法,研究了油井高温封隔器胶筒与石油套管内壁接触压力大小和分布规律,为优化高温封隔器的设计,提供有价值的数据。     

裸眼分段压裂投球滑套的密封性研究

裸眼分段压裂是开采低渗透油气藏的主要方式,投球滑套的密封性直接决定了水平井分段压裂的成败。在一定范围内,投球滑套的密封性和球座与压裂球的接触压力、接触面积成正比。当接触压力过大时,球座与压裂球的接触面易被压溃,造成密封失效。为了避免接触压力过大造成的密封失效,本文分别对球座与压裂球接触面为锥面、弧面的两种情况进行研究,推出了锥面球座和弧面球座最大接触压力的理论公式。并通过ABAQUS有限元软件对不同锥角的锥面球座和不同曲率半径的弧面球座进行静力分析,得到了如下结论:(1)锥面球座在有效坐封和压裂球顺利反排的条件(16.7°(27)?(27)18.3°)下,锥角越小,最大接触压力和Mises应力越小;(2)弧面球座的最大接触压力小于锥面球座,且曲率半径越小,最大接触压力和Mises应力越小,当曲率半径等于压裂球半径时,达到最小值;(3)当压裂液压力超过70MPa时,应采用弧面球座。故在水平井分段压裂液压力过大时,为确保投球滑套的有效密封,应将球座与压裂球的接触面改为弧面。     

多簇压裂干扰应力变化规律及对裂纹扩展的影响

为研究水平井分段多簇压裂缝间的干扰应力及其对裂纹扩展的影响,在现有二维未考虑地应力的单裂缝干扰应力解析解的基础上,利用双平面复变函数保角变换得到了包含地应力项的三维干扰应力解析解。基于扩展有限元法建立三维多裂缝扩展力学模型,利用Python脚本二次开发平台实现了三维多裂缝水力压裂参数化建模,通过解析解与数值计算对比分析,得到如下结论。裂纹两侧裂纹面法向和走向干扰正应力分别为压应力和拉应力,均呈纺锤形,法向干扰应力影响范围大约为走向干扰应力的5倍;裂纹尖端裂纹面法向和走向干扰正应力分别为拉应力和压应力;裂纹尖端两侧存在干扰剪应力;考虑初始地应力对干扰应力解析解进行修正后的干扰应力值均变小;多簇压裂中裂缝间的干扰应力叠加,簇间距越小,叠加效果越强;多簇压裂的干扰应力使裂缝间裂纹面法向压应力增大,走向压应力减小,导致裂纹扩展注水压力升高,裂缝张开的宽度降低,不利于单裂缝的扩展;干扰应力使裂缝间应力差降低,甚至局部最小地应力方向发生改变,有利于形成复杂缝网。     

多簇压裂干扰应力变化规律及对裂纹扩展的影响

为研究水平井分段多簇压裂缝间的干扰应力及其对裂纹扩展的影响,在现有二维未考虑地应力的单裂缝干扰应力解析解的基础上,利用双平面复变函数保角变换得到了包含地应力项的三维干扰应力解析解。基于扩展有限元法建立三维多裂缝扩展力学模型,利用Python脚本二次开发平台实现了三维多裂缝水力压裂参数化建模,通过解析解与数值计算对比分析,得到如下结论。裂纹两侧裂纹面法向和走向干扰正应力分别为压应力和拉应力,均呈纺锤形,法向干扰应力影响范围大约为走向干扰应力的5倍;裂纹尖端裂纹面法向和走向干扰正应力分别为拉应力和压应力;裂纹尖端两侧存在干扰剪应力;考虑初始地应力对干扰应力解析解进行修正后的干扰应力值均变小;多簇压裂中裂缝间的干扰应力叠加,簇间距越小,叠加效果越强;多簇压裂的干扰应力使裂缝间裂纹面法向压应力增大,走向压应力减小,导致裂纹扩展注水压力升高,裂缝张开的宽度降低,不利于单裂缝的扩展;干扰应力使裂缝间应力差降低,甚至局部最小地应力方向发生改变,有利于形成复杂缝网。     

水平井压裂水泥环应力分析

为获取准确的井筒应力分布,根据弹性平面应变力学理论,考虑套管-水泥环-地层系统各部分的应力加载过程和水力裂缝产生的诱导应力场,建立了水平井压裂时套管-水泥环-地层系统应力分布的计算模型。利用该模型,分析了水力裂缝形成前后的系统应力分布,以及裂缝诱导应力场、水泥石杨氏模量、套管壁厚对水泥环内壁应力分布的影响。分析结果表明:随着与裂缝的距离增大,水泥环内壁受到的径向压缩应力逐渐降低,环向应力逐渐由压缩应力变为拉伸应力;优化裂缝间距、降低水泥石杨氏模量、增加套管壁厚可以降低水泥环内壁受力,缓解水泥环内壁的应力集中程度。本文所建模型可为水力压裂水平井的固井设计以及裂缝间距设计提供理论指导。     

功能梯度层与弹性层间的单退让接触问题

基于所有接触面间光滑的假设,研究了同时受压的功能梯度层与弹性层间的单退让平面接触问题.假设功能梯度层是各向同性的非均匀材料,其剪切模量按照指数函数形式变化.利用Fourier积分变换把问题转化为求解奇异积分方程.然后利用Gauss-Chebyshev求积公式和迭代法得到下层接触应力和退让接触半径的数值解.最后在数值算例中,分别讨论了两层间的厚度比值,功能梯度层的硬度参数,以及上层接触半径对退让接触半径与下层接触应力的影响.     

髓核固定/滑动型人工颈椎间盘应力特征对比及关节面摩擦学优化设计

对比了髓核固定型和滑动型人工颈椎间盘应力和变形特征,根据应力和λ值(最小膜厚与等效粗糙度之比),采用正交试验法进行关节面摩擦学优化设计. 结果表明:两款球窝假体应力集中均发生在相对运动关节面和组件连接处,且髓核上表面应力最大值呈环形分布特征. 滑动型相对固定型,优势是运动模式更丰富、应力传递更均匀,劣势是复杂运动会加大髓核应力(从1.36 MPa到2.43 MPa). 固定型的髓核变形量仅是滑动型的22.5%,但总变形均集中在前后两端. 关节面参数对应力影响权重是球缺高度>球头半径>球窝间隙,且高度和半径越大、间隙越小越好;对润滑状态影响权重是球窝间隙>球头半径,且间隙越小、半径越大,润滑状态越佳. 半径、间隙和高度的最佳组合为16.00 mm、10.0 μm和1.2 mm,在此组合下滑动型假体最大应力数值最小(2.79 MPa),且润滑状态最佳(λ值0.573).      

静电微电机微转子接触动力学特性分析

提出静电微电机中转子和固定轴承间相互接触的数学模型，对微尺度下的接触应力和应变 特性进行理论推导，分析静电微电机几何参数、静电力、材料特性及加载电压对接触宽度、 应力和应变特性的影响，对比研究不同工况下接触宽度、接触应力和应变的变化，并就相同 的问题进行有限元分析，探讨摩擦系数对接触区von Mises应力、应变和接触压力 的影响，结果表明有限元模拟所得接触应力和应变分布与数学 模型的解析值较为相似.     

双作用叶片泵叶片圆弧顶廓研究

以高压双作用叶片泵为研究对象,探讨了叶片顶部轮廓对接触应力和动压油膜的影响规律,研究了圆弧顶廓的接触问题。用matlab软件计算了不同顶廓半径对接触压力角的影响规律。基于Hertz弹性接触理论推导了吸油区接触应力的计算公式,建立了过渡曲线段速度的分析模型。基于弹流润滑理论分析了叶顶与定子内表面润滑油膜厚度的计算方法,得出圆弧顶廓润滑状况以及摩擦、磨损状况都优于尖顶轮廓的结论。从而为高性能叶片顶部轮廓的优化设计奠定了良好基础。     

考虑多重运移机制耦合页岩气藏压裂水平井数值模拟

页岩作为典型的微纳尺度多孔介质,游离气与吸附气共存,传统的达西定律已无法准确描述气体在页岩微纳尺度的运移规律.基于双重介质模型和离散裂缝模型构建页岩气藏分段压裂水平井模型,其中基岩中考虑气体的黏性流、Knudsen 扩散以及气体在基岩孔隙表面的吸附解吸,吸附采用Langmuir等温吸附方程;裂缝中考虑黏性流和Knudsen扩散,在此基础上建立基岩-裂缝双重介质压裂水平井数学模型并采用有限元方法对模型进行求解.结果表明,基岩固有渗透率越小,表面扩散和Knudsen扩散的影响越大,反之则越小;人工裂缝的性质包括条数、开度、半长以及间距,主要影响压裂水平井生产早期,随着人工裂缝参数值的增加,压裂水平井产能增加,累产气量也越大.其次,页岩气藏压裂诱导缝和天然裂缝的发育程度对页岩气藏的产能有很大的影响,水平井周围只有人工裂缝,周围天然裂缝不开启或不发育时,页岩气藏的水平井的产能较低.      

强夯作用下成层地基的表面接触 应力分布特征1)

结合夯锤的刚体运动方程和成层弹性地基空间轴对称动力问题的传递矩阵法,导出了强 夯的接触应力沿锤底的应力分布在变换域中的解析式,通过Laplace-Hankel联合反变换求得了接触应力分布及沉降的时域解,确定了接触应力时间,并将数值结果与现场测试规律作了比较,结果表明本文方法较好地解决了夯锤冲击成层地基的接触应力分布特征,为确定强夯的表面接触应力提供了帮助.     

强夯作用下成层地基的表面接触应力分布特征

结合夯锤的刚体运动方程和成层弹性地基空间轴对称动力问题的传递矩阵法,导出了强穷的接触应力沿锤底的应力分布在变换域中的解析式,通过Ｌａｐｌａｃｅ－Ｈａｎｋｅｌ联合反交换求得了接触应力分布及沉降的时域解,确定了接触应力时间,并将数值结果与现场测试规律作了比较,结果表明：本文方法较好地解决了夯锤冲击成层地基的接触应力分布特征,为确定强夯的表面接触应力提供了帮助．     

多层地基上轴对称受荷刚性圆板问题

利用刚性圆板表面各点位移相等,并结合刚性圆板与地基表面的位移相容条件与光滑接触条件,经由Hankel变换,推导出了刚性圆板与分层地基表面接触应力的对偶积分方程;求解该对偶积分方程,再由多层地基应力与位移的传递矩阵解,并经Hankel逆变换,得到了多层地基上轴对称受荷刚性圆板问题的解.编制了计算程序,并进行了数值分析与计算.计算结果表明:对均匀地基而言,实际工程的计算分析可只考虑4倍刚性圆板直径以内深度范围内的应力与位移;而地基的分层性对地基的位移和应力有着较大的影响,简单地将均匀地基的结论推广到分层和非均匀地基是不恰当的.     

弹性层间的单退让接触问题

本文基于所有接触面间光滑的假设,研究同时受压的两弹性层间的单退让平面接触问题. 利用Fourier变换把平面弹性方程转化为奇异积分方程. 然后利用Gauss-Chebyshev求积公式和迭代法求其数值解.最后给出了数值算例,分析了剪切模量与上层接触半径对退让半径和接触应力的影响.     

复合材料层合板单搭胶接力学性能检测技术与分析

胶接工艺缺陷对单搭胶接接头的拉伸剪切性能有着重要的影响。为了研究不同单搭接胶接层厚度对不同材质复合材料层合板胶接性能的影响规律,通过喷水穿透法超声C扫描对试样的剪切区域进行无损检测,并分别采用1mm、2mm、4mm的胶层厚度,以碳纤维/玻璃纤维复合材料层合板为被粘物,进行单搭胶接拉伸剪切性能试验。检测及试验结果表明:当胶层厚度h1mm时,对于相同材料的被粘物,胶层厚度越大,试件胶接接头剪切强度越小;相同的粘接剂厚度,以碳纤维增强复合材料板为被粘物的试件胶接接头剪切强度大于以玻纤增强复合材料板为被粘物的试件胶接接头强度;胶粘剂与碳纤维被粘物表面的润湿效果要优于胶粘剂与玻纤被粘物表面的润湿效果。