单、双层套管-地层完备系统应力变化规律研究

利用弹性力学知识,分析推导了单、双层套管-地层完备系统力学模型计算公式。华北油田某井场实例计算中,用Matlab软件求解出了具体问题的数值解并绘制出了单、双层套管-地层完备系统应力变化曲线。对比3种不同套管-地层完备系统应力变化的特征,发现套管各个接触面上径向应力连续,周向应力不连续,其中,双层套管中间环为液体的地层完备系统,径向应力变化更加平缓,在双层套管中将中间环改为液体可以预防套管损失变形。这些研究将为以后探究套管-地层完备系统,合理地进行井身套管结构强度设计提供有力的理论依据。     

机械整形对套损井水泥环的损伤分析

深入地分析了碾压整形与冲击整形的力学原理。在准静态的前提下,建立了碾压整形力学模型。根据应变协调条件,推导出了套管、水泥环及地层的受力计算公式。以冲击动力学和应力波传播理论为基础,建立了冲击整形的力学模型,较为准确地描述了水泥环中的应力分布。采用损伤力学的研究方法对冲击整形和碾压整形中水泥环的破坏问题进行了研究。根据上述理论,编制了计算软件,并计算了实际整形井,计算结果与测试结果吻合较好,证明了该模型的正确性。     

储气库套管-水泥环-地层的匹配关系

为了防止储气库井筒内注气增压过程中水泥环本体产生塑性变形,卸载时产生微环隙导致井筒密封失效,运用ABAQUS建立储气库套管-水泥环-地层组合体弹塑性力学模型,模拟储气库井筒内气压变化过程,结合水泥环和地层弹性模量等影响因素分析储气库套管-水泥环-地层之间匹配关系的变化规律。结果表明:以水泥环本体不发生塑性应变为标准,以套管抗内压强度为限制条件,可为不同类型套管匹配最佳的水泥环厚度;当套管尺寸一定时,地层和水泥环弹性模量越小,水泥环厚度越大,套管承压越大,储气库井筒密封失效的可能性越小。(图9,表4,参20)     

非均匀地应力作用下套管-水泥环组合体抗挤强度模型及优化

针对油田在开发过程中经常遇到流变性地层的流动导致大量的套管被挤坏的情况,推导了套管-水泥环组合体在非均匀载荷下的应力计算公式,并建立了套管-水泥环组合体强度模型。以套管内壁的有效应力和组合体工程造价为目标提出了流变性地层套管-水泥环组合体的优化设计方法,建立了3种类型的优化数学模型。研究了不同组合条件下的套管-水泥环组合体承受非均匀载荷的能力及其相对应的工程造价,优化的结果能够较好地指导套管-水泥环组合体的设计。     

地下储气库井筒水泥环的弹塑性分析

为了分析连续注采工况下地下储气库井筒水泥环的受力与变形规律,基于弹塑性力学的基本原理,以套管-水泥环-围岩组合体为研究对象,结合温度、孔隙压力及地层远场应力等影响因素,推导出注采工况下受内外压作用的水泥环的弹塑性应力和位移的解析解。实例计算表明:注气中水泥环会发生塑性变形,内外壁面径向接触应力随内压非线性增加;注采中的井筒温度和孔隙压力变化是影响水泥环受力的重要因素;水泥环弹性极限内压随温度的降低和孔隙压力的增大而增大;水泥环与套管、围岩的径向接触应力随温度的升高和孔隙压力的增大而增大。研究成果为优化储气库运行参数、控制"微环空"的产生提供了技术支持。     

地层与水泥环的材料性质对油气井井筒力学状态的影响规律

井筒的完整性是保证油气井安全生产的前提。地层与水泥环的材料性质会影响井筒的力学状态,但是目前相关研究资料并不多。通过建立地层-水泥环-套管的力学模型,应用弹性力学理论,推导在地应力场中井筒第一、二界面的接触压力。引入压力传递系数概念,分析了水泥环和地层的弹性模量、泊松比对套管与水泥环力学状态的影响规律。结果表明,具有较大弹性模量与泊松比的地层有利于降低井筒载荷。推荐固井选用高强度、低弹性模量、小泊松比的水泥浆体系来提高井筒完整性。该研究成果对基于材料性质提高井筒完整性具有一定的参考意义。     

水泥环缺失下套管抗爆破强度研究

为了解决油田钻井过程中套管因受内压发生爆破、严重影响钻井工作效率的问题,针对套管-水泥环局部缺失-地层系统,运用ANSYS有限元分析软件研究了套管抗内压初始爆破强度,即套管任意一点的Mises应力刚好达到套管材料的抗拉极限强度时套管内壁面上施加的内压值。研究了水泥环不同周向缺失量和5种地层围压组合下对6种壁厚的无磨损套管抗内压初始爆破强度的影响,并预测了套管的抗内压初始爆破强度。研究结果表明,对于套管-水泥环局部缺失-地层系统,当水泥环缺失量不大时,套管的外壁最先达到抗拉极限强度;当水泥环缺失量大于某一个值时,套管的内壁最先达到抗拉极限强度。     

非均匀地应力条件下注水井泄压对套管受力的影响分析

注水井泄压导致套管损坏的现象在油田生产过程中时有发生,特别在非均匀地应力场和井眼几何形状不规则的情况下,套管柱承受的应力集中效应更为显著。为了分析非均匀地应力场注水井泄压过程套管应力的变化,采用有限元方法模拟计算了不同地应力场分布、椭圆水泥环不同弹性模量和泊松比以及不同椭圆度条件下的套管von Mises应力变化。结果表明:地应力差值变化对泄压水井套管应力不存在影响;椭圆水泥环弹性模量增加,水井泄压时套管所受的von Mises应力最大值减小,而泊松比增加,水井泄压时套管所受的von Mises应力最大值增大;水泥环椭圆度增加,套管上的von Mises应力最大值增大。     

套管损坏井冲击整形时水泥环的损伤

针对套管损坏井冲击整形过程中水泥环发生损伤破坏这一情况，以冲击动力学和应力波传播理论为基础，建立了冲击整形的力学模型，较为准确地描述了水泥环中的应力分布情况，计算了冲击整形过程中水泥环及第一胶结面的损伤破坏长度。为修复井是否恢复生产或进一步采取相应的整改措施提供决策依据。     

基于宽板拉伸的错边环焊缝应力集中试验与模拟

应力状态是环焊缝合于使用评价的关键因素,而错边会引起环焊缝结构的不连续性,导致焊缝所受应力状态发生变化。为了探讨含错边环焊缝在外加载荷下的力学行为以及应力分布情况,通过宽板拉伸试验对含错边的环焊缝应力集中现象进行研究,建立有限元模型对其进行验证,对比了BS 7910-2013《金属结构中缺陷验收评定方法导则》和GB/T 19624—2004《在用含缺陷压力容器安全评定》推荐方法所得的计算结果。研究表明:错边会导致明显的焊缝应力集中,BS 7910-2013计算得到的应力集中系数与宽板和有限元模拟得到的结果相比保守度较为合理。含错边管道环焊缝现场缺陷合于使用评价时,推荐采用BS 7910-2013对错边进行应力集中等效处理。     

超深井蠕变地层套管强度及其影响因素研究

由于盐膏层岩石具有蠕变特性,导致盐膏层钻井、完井工艺复杂,造成井下套管损坏率高;本文采用岩石模拟伯格斯模型,研究了非均匀地应力下蠕变地层套管径向应力、最大等效应力和套管安全系数的分布规律,并在此基础上系统地研究了地层弹性模量和泊松比、水泥环模量和泊松比、非均匀载荷系数、内压等工程和地质因素对套管应力和载荷的影响规律,为蠕变地层中套管强度计算提供理论依据。     

水泥封固段长度对固井胶结面密封能力影响的试验研究

水泥封固段长度对固井胶结面水力密封能力有不可忽视的影响,研究其影响规律有助于科学设计水泥返深,确保油气生产安全。选用南海某油田固井水泥浆体系,开展了水泥环岩石力学参数测试与水泥环胶结面CT扫描测试,基于自研的水泥环密封完整性评价装置,运用气窜法测试了高温高压养护条件下不同封固长度水泥环的水力密封能力。试验结果表明,在水泥环本体未发生破坏条件下,水泥环胶结面为气体的主要窜流通道;在同等养护及受力条件下,随着封固段长度的增加,气窜压力逐步增大。拟合了气窜压力随封固段长度的关系式,并针对封固段长度为1m条件下的模拟套管-水泥环-地层系统进行了模拟声幅测井,测井结果显示试验所测试的水力密封能力数据有效,进一步验证了固井胶结面为气窜的主要通道。该研究对指导高温高压井水泥返深设计具有一定的指导意义。     

管道水平定向钻穿越夯套管结构计算

在油气管道水平定向钻穿越工程中,在出入土端采用夯套管方式隔离不良地层是目前非开挖领域中常用的技术措施,而套管壁厚的选取和结构计算仍基于经验数据进行。通过分析套管与土的摩擦、套管端部阻力、套管所受弯曲应力等,结合给水、排水行业中的顶管方法和非开挖领域的工程施工实际情况,提出了套管夯入的极限长度公式,套管壁厚、套管环向应力、套管纵向应力的计算方法,以及套管的稳定性分析方法。某穿越夯套管工程的应用实践表明:理论计算数据与工程施工实际数据吻合,可为水平定向钻技术的应用和发展提供可靠的理论依据。     

基于1,2-3高阶剪切变形理论的四边形层合板单元列式

基于整体-局部位移假设的1,2-3高阶理论,推导出了适合计算任意角铺设复合材料层合板位移及层间应力的四边形层合板单元列式。对任意几何形状的复合材料层合板力学计算问题,都可以利用三角形单元和四边形单元进行有效的有限元计算。这表明四边形层合板单元的建立,无论是在理论上还是在工程实践上都具有重要意义。     

某重力坝复杂廊道系统三维有限元结构配筋计算

基于大型通用有限元软件ANSYS强大的前处理功能,建立某重力坝复杂廊道系统三维有限元模型,模拟计算各工况下大坝位移及应力响应。选取廊道环向应力极致所处断面,根据配筋计算"应力图形法",对环向应力极致所处断面进行三维插值、应力积分,并运用规范方法计算各廊道的配筋参数。计算成果表明,上述计算方法理论成熟,计算成果可用于大体积混凝土的结构配筋。     

水泥环和混凝土对储气井的加强与固定作用

通过建立储气井受力模型,对水泥环与井筒界面之间的界面压力进行计算,得到了储气井固井水泥环与井筒之间的摩擦力和储气井固井临界长度:理想固井状态下,对于φ177.8和φ244.48储气井,固井长度超过0.7m,则井筒不会脱离水泥环从地面窜出.在水泥环与地层不脱离的情况下,当地层土为粉细砂时,φ177.8和φ244.48储气井地面以下连续固井长度分别需要达到43 m和60m.针对储气井上部腐蚀减薄和固井不合格的情况,分析了加固混凝土对储气井井筒的加强作用:若储气井井口段采取有效加固处理和充分的防腐措施,即使储气井壁厚的减薄量超过腐蚀裕量,正常工作压力下储气井井筒的实际应力也低于许用应力.(表1,图2,参6)     

连续塌陷下埋地钢管力学响应研究

地层塌陷沉降是埋地长输管道常见的地质灾害之一。为研究连续塌陷下埋地钢管的力学响应规律,开展了连续塌陷下埋地钢管试验以及数值模拟,分析了连续塌陷过程中埋地钢管变形以及应力变化情况,并校核了塌陷地质灾害下管道力学理论计算结果。研究结果表明:在小范围塌陷时,随着塌陷范围增加,管道变形以及所受应力不断增加,管道中间位移及所受应力最大;当塌陷范围增加到一定程度时,土体完全塌陷,管道呈架空状态,管道位移减小,应力大幅释放,管道中间所受应力明显减小,最大应力位置由管道中间变为管道塌陷边界附近;塌陷地质灾害下进行管道应力计算时,在重力基础上考虑摩擦力或黏聚力的计算结果均大于试验和模拟结果,更具有指导意义。研究成果可为管道防护提供有效的理论指导。(图19,表4,参25)     

考虑薄层连接单元的桩-土-结构动力有限元分析

考虑土和结构物的动力相互作用时，两者之间的接触状态必然对基础和结构反应产生影响．通过假定桩土接触面薄层单元本构关系特征，人为地在两种不同材料交界面上引入一种位移间断面，并采用有限元方法将其位移及刚度反应到桩土子结构中．文中给出了桩-土-上部结构动力有限元平衡方程．计算分析表明，考虑薄层单元接触效应与假定桩土位移一致协调条件下所得的动力反应结果是有一定差异的     

水平定向钻套管夯击力学模拟计算

水平定向钻穿越大型河流时,在其出入土端经常会遇到松软地层,为了保证钻进顺利进行,通常使用地质改良或套管隔离等方法提高成孔性能。针对现有套管夯击安装工艺,通过对套管夯击过程力学受力情况分析,利用仿真模拟技术,建立套管夯击过程受力模型,对套管受力情况进行数值模拟,揭示了套管夯击过程中不同因素对夯入深度的影响。根据数值模拟分析结果,增强套管的材料强度可有效增加抗屈曲能力,随着夯击深度的增加,夯击力传递效率迅速下降。同时,结合相关力学理论,参照顶管结构计算方法,通过理论分析与现场施工情况结合,提出套管极限夯击深度计算方法,可为套管有效夯击深度的设计提供参考。     

油松根系力学性质有限元算法

[目的]研究油松根系力学性质。[方法]本文用线性强化塑性模型对油松单根的本构关系进行模拟,通过塑性力学折线理论的有限元算法自编计算程序,分别对油松根系的双曲线模型和线性强化模型的应变进行计算,并与实测应力应变曲线的相应值进行对比分析。[结果]证明了线性强化模型不仅简单易行,且计算值与实测值的误差小,比双曲线模型的误差率小1到2个数量级。[结论]塑性力学折线理论的有限元算法简单易操作,可自编有限元计算程序,无论是双曲线模型还是线性强化塑性模型,都可以用塑性力学折线理论进行求解,比经典的增量塑性力学有限元算法有很大优势。