CO_2再生塔导流筒结构的数值模拟优化设计

通过对合成氨装置CO_2再生塔导流筒的损坏形态进行分析,确立导流筒的固体计算区域和流体计算区域,建立了几何模型和数值模型;采用ALE方法,建立了导流筒双向耦合计算模型。按照生产中的物性参数定义流动介质属性,确定合适的边界条件,得出导流筒内流体速度场的分布,并确定了导流筒结构破坏因素,完成了导流筒结构的优化设计。     

粒子射流冲击下破岩应力分析与破岩区域

由于粒子射流冲击破岩的复杂性和破岩过程的短暂性，粒子射流冲击作用下岩石的力学特性与损伤破坏研究是一个难点问题。考虑粒子射流返流的影响，基于空腔膨胀理论建立了粒子射流耦合冲击作用下的岩石应力和破岩区域的数学模型，采用数值计算和仿真模拟相互验证的研究方法，分析了粒径和射流冲击速度对单粒子射流冲击作用下岩石的应力分布和破岩区域的影响规律。针对多粒子连续射流耦合冲击破岩过程，给出了破岩区域的计算方法，采用数值计算和实验验证相结合的研究方法，得到了垂直射流和旋转射流状态下的破岩区域规律。结果表明：粒子射流耦合冲击破岩过程中，呈一定角度的旋转射流破岩区域要比垂直射流破岩区域大，粒径的增加对破岩区域影响较小，当射流冲击速度为200 m/s和粒径为1.0 mm时，8°和20°射流冲击破岩区域分别是喷嘴出口直径的1.7和1.9倍。     

高压射流冲击破碎岩石的有限元计算

高压射流冲击破岩是一个复杂的非线性问题。通过MSC．Marc建立模型，分别使用动态接触作为非线性冲击载荷模拟高压水射流冲击岩石。通过动力计算分析，根据岩石内部应力的变化使用Hoffman失效准则研究了岩石的破碎过程。分析表明，增加射流冲击速度可以提高射流破碎岩石的效率，当射流速度迭到某一临界值时，射流水锤作用使得岩石发生大块破碎。     

海洋石油桩基平台射流辅助沉桩实验

针对海上沉桩施工中容易出现的停锤后打桩困难甚至拒锤现象,提出了高压水射流辅助沉桩的技术设想,并设计了海洋石油桩基平台射流辅助沉桩模型实验装置。通过该实验装置测试了6种不同形状喷嘴产生的射流对土塞表面的作用力,并对土体内应力分布状态进行数值模拟实验,得到了6种喷嘴射流作用下土体内的最大应力和最小应力,验证了模型实验结果。海洋石油桩基平台桩基建设过程中,采用高压水射流辅助沉桩提高桩基建设效率是完全可行的。等变速型喷嘴有限喷距最长,作用在土塞表面中心处的压力也最大。研究结果为海洋石油桩基平台射流辅助沉桩原理样机试制提供了重要依据。     

流固耦合作用下注水井井壁稳定性研究

注水开发油田在生产过程中，渗流场会对油藏地应力场产生影响，在井壁附近产生应力集中。研究了注水过程中流固耦合作用下套管损坏的力学机理，在传统的Biot 方程的基础上，考虑介质渗透性能随应力的变化，建立了注采过程中流体渗流与固体弹塑性变形的非线性耦合数学模型，采用全耦合的有限元法对所建立的模型进行求解。通过对大庆油田南二区某注水井注水开发过程的数值模拟，分析了注水对储层孔隙压力、井壁围岩应力场和变形场的影响，并对比了不同注采情况下储层孔隙压力和井壁应力随时间的变化关系。研究表明，油藏注水开采过程中，油藏流固耦合作用对地层特别是井壁附近围岩的应力和变形影响很大。研究结果为合理建立油藏注水开发的流固耦合计算模型，合理控制注采压差，预防和减少该地区地层变形、套管损坏等提供了依据。     

瞬态力-热耦合作用下水泥环形态对套管应力的影响

基于页岩气水平井压裂工程实际,采用解析法与数值法结合的方式,建立了压裂过程中井筒温度场计算模型和套管偏心、水泥环缺失有限元模型,据此研究瞬态力-热耦合作用下的水泥环形态对套管应力的影响。结果显示:1)页岩气井压裂过程中瞬态力-热耦合作用显著提高了套管应力;套管应力呈先升高后降低的动态变化,最大应力值出现在压裂初期。2)水泥环完整或套管偏心时,瞬态力-热耦合作用降低了套管应力周向分布不均匀差异;水泥环缺失时,套管应力随着缺失角、偏心距的增大而提高。研究结果对于精确计算页岩气井压裂过程中的套管应力具有重要意义。     

多孔介质构造应力驱油的固流耦合分析

构造应力场是控制油气运移、聚集最重要的因素之一。依据连续介质力学理论，从理论上分析构造应力驱油的机理，应用孔隙压力和有效应力的概念，阐述了将多孔介质中的平均应力作为固体骨架和孔隙流体之间耦合桥梁的合理性。在柴达木盆地西部南翼山地区的构造应力场和油气运移聚集规律的数值模拟中，采用有限元数值模拟方法，用平均应力推导出孔隙介质中等效的流体压力和流体势，并用达西定律解出由构造应力作用引起的流体运移速度矢量场，为预测有利油气聚集区提供了依据。     

催化裂化三旋内集气室结构温度应力场的分析和研究

三旋大多采用冷壁设计,内集气室的一端与冷壁封头焊接连接,另一端处在高温介质中,其部件中存在较大的温度梯度。加之内集气室直径较大,且悬挂着整个旋分系统,因此其部件中温度应力和机械应力相互耦合、分布复杂且数值较大。本研究建立了三旋内集气室结构的传热和结构分析模型,计算结果表明悬吊板部件中不同部位的温度差高达530℃。在热膨胀作用下,悬吊板最大变形32 mm,壳体封头最大变形2 mm。悬吊板焊接部位由于热应力和机械应力的叠加耦合,一次加二次应力强度S IV的最大值高达500 MPa以上。对高应力区的4条路径进行了应力评定。     

油藏渗流与应力耦合分析中的有限元等效结点力的计算方法

在岩土力学与渗流力学相结合的基础上，建立了油藏渗流与应力耦合作用的数学模型，给出了耦合分析的数值模型和数值求解的思路和步骤。要实现这一耦合分析过程，建立了单元平衡方程，给出了单元等效结点力的计算表达式，对表达式中的自重载荷、孔隙压力载荷、表面力载荷分别进行了分析，并对初应力载荷进行了计算。根据这些计算方法，在建立了单元刚度矩阵、计算了单元等效结点力、形成单元平衡方程之后，将这些方程集合起来，形成总体平衡方程。通过对总体平衡方程求解，即得各结点的位移值及应变、应力场分布。根据有限元的基本理论，建立了油藏渗流与应力耦合分析中的有限元等效结点力的计算方法，为实现油藏渗流与应力耦合分析提供了有效的途径。     

旋转水射流破岩钻孔机理研究

基于水射流破岩钻孔过程中影响因素和流固耦合作用的分析,运用连续损伤力学和细观损伤力学理论,建立了适用于水射流破岩全过程的岩石损伤模型。依据所建立的损伤模型,利用非线性动力有限元方法,对旋转水射流破岩钻孔过程的过程进行了模拟,其中岩石损伤场的求解采用解耦的方法。计算结果与试验一致,表明旋转射流具有较强的破岩能力,其原因是旋转射流的质点具有三维速度,破岩时以倾斜冲击为主,易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏,回流的干扰较少。破岩过程首先是形成一环形破碎带,然后沿径向和轴向发展,所形成的破碎坑呈内凸锥状。旋转射流破岩的优势在于破碎面积大、效率高、破岩比能低,因而旋转水射流能够钻出大直径的岩石孔眼。     

高压水射流破岩比能演化机理研究

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型，在对高压水射流破岩过程模拟分析的基础上，进行了射流破岩比能演化机理的研究。研究结果表明，在脉冲射流载荷的衰减阶段，由于岩石卸载的阻力较小，卸载过程中所释放的能量利用较为充分，使得脉冲射流的破岩比能明显小于连续射流；因为旋转射流的每一质点均具有三维速度，易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏，且回流的干扰较少，提高了射流的能量利用率，使得破岩比能也明显低于连续射流，且随着切向速度与轴向速度比值的增大，旋转射流破岩比能逐渐减小。     

超临界二氧化碳射流中的颗粒跟随及影响因素

超临界二氧化碳射流具有破岩速度高、门限压力低等优势,加入磨料颗粒形成超临界二氧化碳磨料射流,将取得更高的冲蚀切割效率。为研究超临界二氧化碳磨料射流可行性,采用数值模拟方法,对比分析了单个颗粒在超临界二氧化碳等流体射流中的运动特征,揭示了流体温度、磨料粒径对颗粒跟随运动的影响规律。结果表明,与相同条件下在水与压裂液射流中相比,磨料颗粒在超临界二氧化碳射流中运动规律相似,但初始滑脱速度较大、跟随能力较弱,获得的喷射速度与撞击靶件壁面速度较高,表明超临界二氧化碳具有良好的颗粒携带能力;流体温度升高、磨料粒径增大均会使颗粒滑脱速度增大、削弱跟随运动效率,但同时也降低了喷嘴外流场中颗粒所受运动阻力,显著提高了喷射速度与撞击壁面速度。由此可知,对于石英、陶粒等常用磨料材质,在常规储层温度(60~140℃)与粒径范围(20~70目)内,超临界二氧化碳磨料射流可有效形成并进行高效冲蚀切割作业。     

深水钻井喷射下导管排量设计方法

深水钻井喷射下导管过程中,为预防导管安装不到位或导管承载力恢复时间过长,需要根据海底土质参数对喷射排量进行合理的设计。基于淹没水射流理论及海底弱胶结土质破坏准则,建立了满足破土能力的最小喷射排量计算模型。采用φ339.7 mm导管进行了喷射下导管的模拟试验,分析了排量对水力破土效果及表层导管承载力的影响规律。结果表明:当喷射排量小于最小喷射排量时,导管下入速度缓慢;当喷射排量大于最小喷射排量时,导管下入速度随喷射排量增大快速增大;导管承载力随喷射排量增大呈指数降低,当喷射排量超过1.2倍最小破土排量时,导管承载力降低幅度达到最大。根据最小喷射排量计算模型和模拟试验结果,建立了基于"水力破土能力、导管承载力"双因素约束的喷射排量设计方法。在南海22口深水油气井的应用表明,采用该方法设计喷射排量,可以提高导管喷射下入效率,保证导管稳定。      

输气管道泄漏声源特性及其变化规律

泄漏声源基本特征及变化规律是声波传播研究的基础,对泄漏信号预处理、特征准确提取及泄漏识别算法改进具有重要意义。为此,以输气管道泄漏喷注产生的声源为研究对象,基于气动声学理论推导泄漏喷注流场中的声源项构成,建立了泄漏声源区域三维仿真模型,基于M?hring声类比提取高马赫数和高雷诺数流场中的等效声源,采用气动噪声混合数值模型进行仿真。分析过程中提取了不同条件下(压力及泄漏孔径)泄漏声源的质点最大速率和平均速率、声压级及声功率级等基本特征参数,并利用管道泄漏模拟测试平台进行验证,明确了泄漏声源基本特征及其变化规律。研究结果表明:(1)泄漏喷注噪声主要是由气体高速喷射湍流和气固耦合引起的,声源以四极子和偶极子为主;(2)针对管道运行压力和泄漏孔径,得出了泄漏声源基本特征参数的变化规律;(3)泄漏产生的能量集中于低频部分,各频段(小于等于200 Hz)能量分布分析结果表明0~20 Hz能量比大于等于0.81,无泄漏及正常输送条件下能量分布趋于平均,可作为泄漏识别的特征指标。     

煤层气水平井扇形磨料射流造穴喷嘴结构设计

现有煤层气开发直井采用水力造穴方式不能确定造穴的几何尺寸和形态,采用机械造穴方式刀杆容易变形、易使工具落入井内,水力-机械复合造穴技术操作复杂、成本高。为此,提出煤层气水平井扇形磨料射流喷射造穴的新思路。采用室内试验和数值模拟相结合的方法,优选和优化了扇形喷嘴的几何结构参数,分析了磨料颗粒在流场中的运动轨迹及加速特性,探索了射流参数和磨料参数对颗粒运动速度的影响规律。研究结果表明:椭圆形出口的扇形喷嘴适用于煤层气水平井喷射造穴;扇形磨料射流的颗粒加速区域主要集中在喷嘴收缩段和射流等速核区域内;流体的速度矢量场特征和磨料的运动轨迹特性表明,喷射造穴的主要作用机理是切割煤体的同时冲击破碎煤块;优化布置不同喷射角度的扇形喷嘴组合、提高喷嘴压降及合理控制砂比,可收到“网格式”切割破碎煤岩的效果,从而达到大范围应力释放的目的。所得结论可为煤层气水平井喷射造穴提供理论基础和设计参考。     

深水钻井喷射下导管水力参数优化设计方法

针对目前现有深水钻井喷射下导管水力参数设计方法没有较强理论支撑的问题,以射流和岩土力学理论为基础,推导出了导管喷射下入临界出口速度及临界排量的计算公式,并据此提出了深水钻井喷射下导管水力参数的优化设计方法,给出了设计原则和设计步骤.分析了深水钻井喷射下导管常用钻头与导管组合采用不同直径喷嘴时的临界排量,对于φ660.4 mm钻头和φ762.0 mm导管的组合,喷嘴当量直径为24.0 mm时,临界排量为69.5 L/s;喷嘴当量直径为26.0~30.0 mm时,破土直径最大为762.0 mm.在排量一定的情况下,喷嘴当量直径越小,能够破碎地层的强度也越高.对西非深水JDZ区块深水钻井喷射下导管的水力参数进行设计,选用φ14.3 mm喷嘴时,设计排量与实钻排量对比,误差不超过10%,证明该优化设计方法的设计结果合理,可用于深水钻井喷射下导管水力参数设计,指导现场施工.      

高压水射流凿岩过程的理论研究

基于高压水射流凿岩试验结果、岩石内孔隙流体的运动规律以及水射流凿岩过程中能量分布变化趋势的分析,对高压水射流凿岩过程进行了系统的研究。研究结果表明,在水射流凿岩过程中射流和岩石的相互作用以界面耦合为主,水射流的冲击载荷在岩石内产生的应力波和射流准静态压力的共同作用使得岩石破碎,其中应力波的作用占主导地位。高压水射流凿岩过程可分为两个阶段,初期以应力波作用为主,形成岩石损伤破坏的主体;后期主要是射流的准静态压力使得岩石内已有的微孔隙、微裂纹等损伤继续扩展,并汇聚形成宏观破坏,从而使岩石孔眼的直径扩大。     

撞击射流井底漫流特性数值研究

应用大涡模拟方法对不同条件下单喷嘴垂直撞击射流的流场特性进行了数值模拟,对数值模拟结果的分析研究表明,在射流撞击距离小于射流等速核长度的条件下,射流撞击距离和喷嘴出口面积的变化对井底漫流层的厚度没有明显影响.提出了采用井底有效漫流层厚度和有效平均漫流速度研究水力作用对井底和钻头的清洗及冷却效果的新概念.研究表明,就PDC钻头而言,减小钻头面至井底的距离,对提高整个井底的有效平均漫流速度,效果并不明显.