橡胶套筒对非均匀地应力下固井水泥环受力的影响分析

针对固井水泥环密封失效引起的环空气窜问题,本文提出了在套管外部安装一层橡胶套筒的方案,利用橡胶材料的超弹性能缓解水泥环的受力变形。建立了非均匀地应力和套管内压作用下的套管-橡胶套筒-水泥环-地层力学特性分析的有限元模型,研究了水泥环内壁的受力变形和等效塑性应变,分析了橡胶套筒材料属性对水泥环受力变形的影响。结果表明:当套管内压为90MPa时,无橡胶套筒条件下水泥环内壁的等效塑性应变为5.36×10^-2,套管的最大Von-Mises应力为525.2MPa,有橡胶套筒时(橡胶套筒厚度为6mm)水泥环内壁的等效塑性应变为7.63×10^-5,套管的最大Von-Mises应力为772.8MPa;橡胶套筒大幅缓解了水泥环的塑性变形,但对其受力状态不利;要使橡胶套筒对水泥环的等效塑性应变起到较好的改善作用,其厚度应大于3mm,硬度应大于85。研究结果对环空带压的预防和控制具有参考价值。     

考虑水泥环完整性的油气井最大允许井口压力计算方法

在最大允许井口压力计算方法中考虑水泥环的完整性,以厚壁圆筒的弹塑性分析理论为基础,建立了套管-水泥环-地层组合体力学模型,将(内层)水泥环内壁发生破坏作为环空允许带压的限制条件。基于Drucker-Prager与拉伸破坏准则计算了某实例井各环空的最大允许井口压力,并将其结果与采用API RP 90标准推荐做法的计算结果进行了对比。计算结果表明:如果环空带压值增大,对于套管-水泥环-地层组合体而言,垂深最深与最浅处的水泥环内壁将最有可能率先发生破坏;采用本文方法的计算结果有可能会小于依据API RP 90标准的计算结果,依据API RP 90标准计算得到A、B环空的最大允许井口压力分别为17.04MPa和6.39MPa,而采用本文方法计算得到A、B环空的最大允许井口压力分别为15.1MPa和17.5MPa。     

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。     

钻井-固井过程软泥岩井筒结构完整性分析

在建立套管-水泥环-软泥岩地层井筒结构力学模型的基础上,基于多物理过程数值方法,研究了钻固井过程中近井区地层与固井水泥环的塑性损伤形变与应力演化规律。结果表明:钻井成孔过程和渗流-应力耦合效应为软泥岩地层井筒结构失稳的重要机制,固井水泥硬化过程可进一步促进近井区地层的塑性损伤,但程度有限;固井过程中,水泥环内产生的环向拉应力与径向压应力是导致水泥环开裂失效的主要原因;采用低弹性模量、高泊松比固井水泥浆体系可改善固井水泥环受力形态,有利于维持井筒结构在后期生产作业过程中的完整性。     

套管-水泥环-地层多层组合系统受力特性分析

以弹性力学为基础,对套管-水泥环-地层多层组合系统在理想固井状况下受非均匀地应力和均匀内压时的受载特性进行了分析;并依据接触条件和连续条件建立了相应的线性代数方程组,得到了套管-水泥环-地层多层组合系统应力分布的解析解;研究了水泥环厚度、弹性模量、泊松比、套管层数变化对最内层套管外壁径向应力分布规律的影响,并讨论了上述因素对最内层套管外壁径向应力最大值及应力分布非均匀系数的影响。结果表明:上述因素对最内层套管外壁径向应力的分布均有影响;对于具体问题,应综合考虑组合系统的几何、力学参数确定上述参数的最优值。本文研究可为复杂地层套管柱设计及多层复合材料的抗外挤问题提供参考。     

含热冲击预损伤的陶瓷基复合材料损伤本构模型

陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地经受热冲击(较高的热应力梯度)而产生热机械损伤, 因此, 建立含循环热冲击预损伤材料的损伤本构模型, 以描述材料在热机械载荷作用下的力学行为, 对材料结构损伤容限设计与结构完整性评估非常重要. 本文首先对经历了循环热冲击的材料进行单调拉伸损伤实验, 发现对于含循环热冲击预损伤的材料, 其弹性模量的下降与所施加的应变直接相关. 然后在连续介质损伤力学的框架下, 基于平面应力假设, 建立了含循环热冲击预损伤材料的损伤演化模型, 该模型所涉及的参数可通过一个偏轴(45$^\circ$)以及两个正轴(平行于两个主方向)的单调拉伸试验获得. 最后, 采用经典塑性理论对由基体损伤引起的非弹性应变进行了描述. 本文所提出的应变损伤宏观模型可以描述陶瓷基复合材料在热机械载荷作用下的损伤演化, 同时弥补了含预损伤的陶瓷基复合材料在机械载荷下损伤本构模型在理论及实验研究方面的不足.      

含热冲击预损伤的陶瓷基复合材料损伤本构模型

陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地经受热冲击(较高的热应力梯度)而产生热机械损伤,因此,建立含循环热冲击预损伤材料的损伤本构模型,以描述材料在热机械载荷作用下的力学行为,对材料结构损伤容限设计与结构完整性评估非常重要.本文首先对经历了循环热冲击的材料进行单调拉伸损伤实验,发现对于含循环热冲击预损伤的材料,其弹性模量的下降与所施加的应变直接相关.然后在连续介质损伤力学的框架下,基于平面应力假设,建立了含循环热冲击预损伤材料的损伤演化模型,该模型所涉及的参数可通过一个偏轴(45°)以及两个正轴(平行于两个主方向)的单调拉伸试验获得.最后,采用经典塑性理论对由基体损伤引起的非弹性应变进行了描述.本文所提出的应变损伤宏观模型可以描述陶瓷基复合材料在热机械载荷作用下的损伤演化,同时弥补了含预损伤的陶瓷基复合材料在机械载荷下损伤本构模型在理论及实验研究方面的不足.     

高压水射流冲击煤体的力学特征

以质量守恒与动量守恒定律为基础, 建立了高压水射流冲击煤体的力学模型。运用此模型分析了高压水射流在冲击煤体的过程中, 未破水体、破碎水体、煤体的破碎区与扩孔区的力学特征, 利用严格的力学守恒关系得出高压水射流冲击煤体的简化常微分方程组。将理论计算结果与现场实验和数值模拟结果进行对比, 结果表明:理论计算结果与数值模拟结果和实验结果基本一致。此模型具有明确的力学意义, 且能够反映真实的冲击过程。     

二氧化碳地质埋存中套管-水泥环-地层二维模型分析

在二氧化碳被注入地层过程中,井下温度和流体压力的变化会导致套管-水泥环-地层模型发生渗透性变化,从而导致二氧化碳泄漏。针对此问题,本文通过计算机软件FLAC,建立了套管-水泥环-地层的二维模型,并分析了界面处的温度变化、流体压力、固体变形对二维模型的影响,给出了当界面处发生拉伸破坏时孔底内压与界面破坏单元数目的变化关系,得到安全系数随井筒内部压力变化关系:当压力介于8 MPa和750 MPa之间时,安全系数的绝对值大于1,此时二氧化碳注入将处于安全状态,否则将会发生渗漏的风险。以此结果为实际工程提供理论依据。     

陶瓷材料动态压缩损伤本构模型

运用细观损伤力学理论,从动态压缩载荷下陶瓷材料内翼型裂纹的产生和扩展的损伤机理出发,建立了陶瓷材料的弹脆性动态损伤本构模型,给出相应的损伤演化方程.假设裂纹成核满足Weibull分布,讨论了成核分布参数、原始缺陷尺寸对材料动态断裂应力、断裂应变的影响,并用动态损伤演化模型计算了冲击载荷下AD90陶瓷的动态应力应变曲线,计算结果和实验结果符合很好.     

盐腐蚀后混凝土的动态本构模型

为探究混凝土受盐腐蚀后的动态力学响应,配置了粉煤灰质量分数为15%的普通硅酸盐水泥混凝土,将其置于质量分数均为15%的NaCl和Na₂SO₄溶液中浸泡腐蚀60 d后,利用?100 mm分离式霍普金森压杆实验装置,测试其受腐蚀后的动态力学性能,并结合宏观唯象损伤统计理论和Weibull分布思想,建立了混凝土受盐腐蚀后的动态统计损伤本构模型。结果表明:受盐腐蚀后,混凝土试件的动态抗压强度均有不同程度的下降,且NaCl溶液腐蚀试件的降幅大于Na₂SO₄溶液腐蚀试件;模型曲线与实验曲线的拟合度较高,能够较准确地描述混凝土在冲击荷载作用下的动态力学响应规律。     

5-1/2 FH钻杆接头极限承载能力研究

随着超深井、定向井、水平井、大位移井及大斜度井在石油钻井工程中的广泛应用,由井下复杂工况引起的钻杆接头过早失效问题日益突出,导致钻井周期增长,成本增加,成为制约钻井工程效益的主要因素之一. 近年来,不少学者对钻杆接头进行了大量研究,多数采用二维轴对称模型,少数采用三维力学模型,但并未同时考虑螺纹升角和井眼弯曲作用等因素的影响,而钻杆接头的极限承载能力研究更是鲜见报道. 针对上述问题,基于虚功原理、von Mises 屈服原则及接触非线性理论,同时考虑螺纹升角和井眼弯曲作用,建立了钻杆接头的三维数值仿真模型与井眼曲率到加载弯矩的转换模型,研究了钻杆接头的上扣特性、井眼曲率对连接强度和密封性能的影响,考虑预紧力、弯曲载荷及动载安全系数,计算了钻杆接头的极限工作拉力和极限工作扭矩. 研究结果表明：上扣扭矩使钻杆接头产生一定的初始接触压力,保证钻杆接头井下作业过程中的连接强度与密封性能;井眼曲率对钻杆接头井下作业过程中的连接强度与密封性能影响极大,常见的某些工况会导致钻杆接头的连接强度和密封性能丧失,考虑服役时的随机振动与冲击,常规的超深井、水平井、定向井、大位移井及大斜度井弯曲段钻杆接头的设计和选型应着重考虑井眼曲率的影响;针对设计的每种钻杆接头,都应考虑常见的井眼曲率和轴向拉伸载荷进行极限工作拉力和极限工作扭矩的精细化数值计算,以确保其安全工作.     

A GENERALIZED MODELING FOR CEMENT-BASED MATERIALS UNDER LARGE RANGE OF COMPRESSION STATE

The aim of this study is to describe the main behavior of cement-based materials under large compression state based on the recent experimental research. In this paper, the strainstress relations are firstly analyzed and confining pressure state is regarded as low/medium/high state. A generalized cup modeling is introduced by a coupled deviatoric shearing, pore collapse and damage mechanism within thermodynamic framework. A series of numerical simulations are performed for the considered cement paste and concrete. Comparisons between numerical predictions and experimental results show that the proposed model is able to describe the main features of mechanical behavior under large range of compression state.     

波动钻压下阶梯钻柱系统稳定性研究

处于狭长井筒中的钻柱,其动力响应受到钻具组合、内外钻井液流动以及钻井参数等因素的影响,钻柱动力失稳导致的剧烈振动是井壁坍塌和钻具失效的重要原因.考虑到钻杆和钻铤在刚度和线密度上存在很大的差别,论文将钻柱简化为单阶梯输液管柱,钻井液沿着钻柱内部向下泵入并从环空返回地面.耦合考虑钻柱自重、随时间简谐变化的波动钻压、稳定器以及钻井液的水动力和阻尼力,建立了直井中钻柱横向振动的解析模型.利用有限单元法离散为四阶常微分方程后,采用Bolotin法得到临界频率方程确定系统的不稳定区范围,研究了钻压、钻杆长度、稳定器安装位置、钻井液的流速和密度等参数对系统稳定性影响的机理.研究表明:钻压的平均值和波动幅值都是钻柱失稳的驱动因素,而系统的稳定性对处于受拉状态的钻杆的长度变化不敏感.在论文所研究的参数范围内,降低钻井液流速和密度、下移稳定器的安装位置均有助于增强系统的稳定性.     

绳索取心满眼管柱的力学模型优化与应用

为了解决常规绳索取心钻具结构防斜能力低、钻孔轨迹控制差的问题,本文基于经典管柱力学的纵横弯曲连续梁理论,优化了孔底钻具的力学模型：将取心钻头与下扩孔器间视为钻头整体,而不作为第一跨;将稳定器间距小于切点跨距的管柱视为刚体。在此基础上提出了提高钻具防斜和钻孔轨迹控制的管柱结构模型,并通过钻探施工验证得出,管柱结构模型的理论防斜效果和实际钻孔轨迹变化情况相吻合,这为提高绳索取心钻孔质量提供了有效的理论指导。

     

Nonlinear motions of a flexible rotor with a drill bit: stick-slip and delay effects

In this article, a discrete model of a drill-string system is developed taking into account stick-slip and time-delay aspects, and this model is used to study the nonlinear motions of this system. The model has eight degrees-of-freedom and allows for axial, torsional, and lateral dynamics of both the drill pipes and the bottom-hole assembly. Nonlinearities that arise due to dry friction, loss of contact, and collisions are considered in the development. State variable dependent time delays associated with axial and lateral cutting actions of the drill bit are introduced in the model. Based on this original model, numerical studies are carried out for different drilling operations. The results show that the motions can be self-exited through stick-slip friction and time-delay effects. Parametric studies are carried out for different ranges of friction and simulations reveal that when the drill pipe undergoes relative sticking motion phases, the drill-bit motion is suppressed by absolute sticking. Furthermore, the sticking phases observed in this work are longer than those reported in previous studies and the whirling state of the drill pipe periodically alternates between the sticking and slipping phases. When the drive speed is used as a control parameter, it is observed that the system exhibits aperiodic dynamics. The system response stability is seen to be largely dependent upon the driving speed. The discretized model presented here along with the related studies on nonlinear motions of the system can serve as a basis for choosing operational parameters in practical drilling operations.     

半潜式钻井平台管道钢构支架极限强度研究

钢构支架是半潜式钻井平台管道支吊架的主要类型之一,钢构支架的极限强度是管道系统正常工作的重要保障。研究结构极限强度的方法有理论分析、有限元数值仿真和实验分析。在分析极限理论的基础上由静力法计算四种钢构支架试件的极限载荷;利用MSC软件对试件极限载荷进行数值仿真分析,并对有限元模型化技术进行讨论;对试件进行实验极限载荷测试,对比分析了三种方法测得的极限载荷。结果表明,三种分析方法计算得到结构的极限载荷基本一致,对于结构形式较为简单的结构通过理论分析可以得到简化解析解析解;数值仿真分析中采用合理的有限元模型化技术(结构有限元模型、边界、约束等)可得到精度较高的计算结果。     

基于变形和累积耗能的型钢再生混凝土柱地震损伤模型研究

为研究型钢再生混凝土柱地震损伤性能,本文依据17个试件低周反复荷载试验研究结果,将型钢再生混凝土柱划分为正常使用、暂时使用、修复后使用、生命安全和防止倒塌五个状态水平;以层间位移角作为该柱抗震性能控制指标,对试验数据进行数理统计分析,确定型钢再生混凝土柱不同性能水平下量化指标取值;结合型钢再生混凝土柱受力特征,对修正的ParkAng损伤模型进行改进,确定构件单调荷载下极限变形计算方法;采用多变量回归方法得到耗能因子的计算式,并分析设计参数对型钢再生混凝土柱耗能能力的影响规律,最终建立型钢再生混凝土柱基于变形和累积耗能的地震损伤模型,结果表明:型钢再生混凝土柱在破坏状态时的损伤指标计算平均值为0.986,接近1.0,离散性较小;故该损伤模型用于评价型钢再生混凝土柱的地震损伤性能是可行的;在此基础上,建立了型钢再生混凝土柱不同状态水平与损伤指数的对应关系,并确定了相应的损伤指数取值。上述结论可为型钢再生混凝土柱的抗震性能设计和地震损伤评估提供参考。     

钻柱振动信息测量技术研究进展

随着深井、超深井数量的快速增加, 钻柱振动导致的钻具失效问题更加突出. 针对钻柱振动的研究可分为理论与数值模拟、测量分析两种方法. 由于钻柱振动具有复杂的非线性特征, 使得理论与数值模拟研究受到了很大限制, 因此井下振动测量技术的研究显得尤为重要. 本文比较全面和系统地介绍了国内外钻柱振动测量技术研究现状和进展情况, 并对几个应用较为成熟的国外测量系统的工作原理、分析方法及应用技术进行了详细的综述. 所得结论可为我国井下振动测量技术的发展提供重要参考.     

修正金属本构模型在超高速撞击模拟中的应用

为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题,构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化,采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为;引入曹祥提出的断裂演化模型,描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果,验证了本构模型的适用性,并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明：基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致;GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况;封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏;综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后,数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致;获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果...