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7、非常规油气井等完井管柱及其相关技术领域的研究与应用

联系人:于桂杰等,18753215963yuguijieg@upc.edu.cn

(1)非常规油气井管柱下入载荷动态分析和分析软件

    在油田开发过程中,完井、修井工作是很重要的一个环节,完井、修井作业成本,直接关系到整个开发过程的全额成本。因此在完井和修井作业中的作业成功率是保证降低其作业成本的关键。保证成功率的关键又是是否能够预测油气管柱下入过程中载荷随井深变化的基本情况。特别是对于非常规油气井管柱下入过程载荷分析是预测载荷变化的关键。通过研究,项目对非常规水平井三维井眼轨迹进行了模拟和实现了实物图形的绘制,编制了一套计算软件,能够对非常规水平井压裂完井管柱受力分析。包括随井深的大钩载荷变化,弯曲内力分析和摩阻分析。其研究成果如下图:

  

(2)膨胀管钻完井技术中的力学研究

膨胀管膨胀过程模拟技术和膨胀管残余应力的研究

膨胀套管基管在载荷作用下发生塑性变形,由于套管结构的特殊性,套管膨胀结束后必将存在残余应力,残余应力将影响到套管的抗挤压能力,因此,在非破坏结构的前提下确定套管的残余应力,模拟计算是有效的方法。本项目的完成通过模拟计算、实验研究,获得了模拟计算残余应力的有效方法。以该项成果为依托,课题组先后承担国家重大科技专项1项国家863项目2项,中石油中石化生产课题3项,发表研究成果论文6篇。

  

模拟膨胀过程的另外一个重要目的是验证理论上优化的膨胀工具结构和膨胀载荷。

膨胀管残余应力实验组图:

(3)工程力学在钻杆组焊技术中的应用

摩擦焊接作为一种优质、高效和节能的固态焊接技术广泛应用于石油装备制造业,但焊接过程中产生的焊接残余应力却影响着焊接结构的质量,致使其发生断裂或穿刺。通过对失效钻杆失效部位的分析,以热-弹塑性理论为基础,建立了摩擦焊钻杆的二维轴对称有限元模型,运用ANSYS大型有限元软件对焊接温度场及残余应力场进行了模拟分析及计算,模拟分析过程中考虑了材料的物理性能及力学性能随着温度的非线性变化,以及金属的熔化潜热,使数值模拟结果尽量接近实际值。最后通过后处理,给出了焊接温度场和应力场的动态变化图,不同时刻焊缝处各点的温度分布曲线,以及焊件上残余应力的等值分布曲线。结果表明,最大残余应力存在于热影响区附近,通过改进焊接参数可以减少残余应力在焊接部位的大小,以此为钻杆阻焊提供技术指导。

模拟计算有限元结果组图如示:

(4)工程力学在完井工具—封隔器优化设计和筛管结构设计中的应用

封隔器是现代采油工艺和完井技术重要的工具之一,封隔器使用质量的好坏取决于封隔器的核心部分胶筒材料的特殊性,其材料性能固然重要,但是结构也是一个重要的因素,通过对封隔器胶筒和挡环的模拟计算,确定胶筒及其挡环的机构,并编制计算模拟计算软件,方便油田设计高质量的封隔器,模拟计算过程如图所示。

筛管是完井和防砂必不可少的设备。就其力学模型而言,筛管中的基管为一含有大量圆孔的圆柱薄壳。由于孔眼附近的应力集中,基管经常在井下被挤毁,造成巨大的经济损失。因此,研究基管孔眼附近的应力集中问题对于设计筛管孔眼布局结构和提高筛管的强度具有重要的理论和实际意义。通过理论分析,提出一种分析基管孔眼附近应力集中问题的理论方法首先将基管展开为含N个圆孔的平面,然后根据孔眼排布的周期性选一胞元(为含有复式孔的多连通区域),再应用数学弹性力学理论分析胞元内的应力,获得孔与孔之间互不影响时的最佳孔间距,最后通过折减系数法获得相应圆柱壳孔眼附近应力集中的近似解。根据理论分析,编制了计算软件,作为考证,应用有限元法计算同样条件下的多孔壳体应力集中问题,所获有限元结果与理论解十分吻合,软件截面如下图。

以该项成果为依托,课题组承接了一项国家重大专项的子课题,发表论文2篇。

(5)工程力学在油水井冲砂作业中的应用

 利用液体密度不同的物性,借助于旋流分离技术,研究确定了一套集油水分离、固液分离、资源再利用的技术方案;该技术方案实现了“分离出的原油和固

体分别集中暂存;分离出的洁净液体可以达到再次利用的程度,实现资源的再利用”。解决地层污染及环境污染的生产难题,减轻了工人的劳动强度。主要技术指标:(a)一体化装置的总体尺寸满足道路形势要求;(b)固体洁净度没有明显的污染物;(c)分离出的原油中含水量不超过15%;(d)处理量25~30m3/h; e)洁净液体中位固体粒径小于4μm;(f)洁净液体中原油含量小于3%研究成果如实物图所示