油气井密封结构的变形与失效行为研究进展

在今后相当长一个时期,石油和天然气依然是人类的主要能源.油气井密封是油气开采中最重要的作业之一,在水平钻井、水力压裂等最新的油气开采技术中发挥着重要的作用,促进了页岩气等非常规油气开采的发展.密封质量会直接影响油气井的安全和生产效率,密封元件的失效可造成严重的环境污染和生命财产损失.因此,深入理解密封元件的失效行为,对于油气井安全评估具有重要意义.水泥和可溶胀高弹体密封是两种最主要的密封方式.水泥密封已有百余年历史,溶胀式高弹体密封则是一种相对较新的密封技术.本文介绍这两种油气井密封结构变形与失效行为的国内外最新研究进展.首先,介绍固井水泥环固化过程中的应力演化、生产作业导致的应力、水泥环的失效模式和失效判据方面的研究进展;然后,介绍溶胀式高弹体封隔器的基本原理、力学理论、测试方法、失效模式及失稳等方面的研究进展.     

深部高地应力下岩石力学行为研究进展

越来越多的煤矿和金属矿进入深部开采.随着开采深度的增加,一系列工程灾害如岩爆、煤与瓦斯突出、顶板垮落、底板突水等日益严重,且深部开采中巷道与采场的维护理论也与浅部有十分明显的区别.人们认识到这种差别的根源在于岩石所处的赋存环境上的差异,深部与浅部在赋存环境上的差别是所谓``三高''即高地应力、高地温和高孔隙水压,尤其是高地应力条件下岩石表现出十分特殊的力学行为.简要介绍了深部开采现状、深部开采面临的技术难题以及深部岩体所处的高地应力环境,在此基础上,综述了深部高地应力条件下有关岩石力学性质的研究进展,包括高应力条件下岩石的脆-延转化特性、岩石的流变特性、岩石的强度特征、岩石的破坏特征尤其是岩爆等.文章最后指出深部条件下热-水-力耦合模型是一个值得关注的研究方向.      

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。     

弹体斜侵彻双层钢板的结构响应和失效研究

为探究弹体斜侵彻多层钢板的结构响应及失效规律,开展了圆形、椭圆和非对称椭圆三种截面弹体对双层钢板的斜侵彻试验,获得了不同弹体的弹道特性和结构失效情况。在此基础上,采用有限元软件对弹体斜侵彻过程的弹道特性、动态载荷以及结构响应进行了数值分析。基于空间自由梁理论和弹体动态载荷,给出了侵彻过程中弹体轴力和弯矩的分布规律,建立了弹体结构强度与失效分析方法。结果表明,弹体以正着角水平侵彻多层钢板时,存在一个临界攻角;当攻角小于临界值时,侵彻过程中会出现弹体低头、弹道向下偏转的现象;当攻角大于临界值时,则出现弹体抬头、弹道向上偏转的现象;该临界攻角随着靶板厚度的减小而增大。对于强度高、韧性低的弹体,失效模式为脆性断裂,断裂位置距头部0.72～0.81倍弹长,弹身后部所受横向冲击载荷是造成弹体断裂的主要原因。建立的弹体结构响应模型可准确预测弹体断裂失效及发生位置。此外,在三种截面弹体中,非对称椭圆弹体的断裂位置更接近头部。     

超高强度平头圆柱形弹体对低碳合金钢板的高速撞击实验

为分析不同组分低碳合金钢板抗超高强度低碳合金钢弹体的高速撞击性能及破坏模式,以两种典型防弹特种钢SS、AS以及常见的Q235A钢为研究对象,通过静态拉伸、静态压缩及动态压缩测试,获得静态拉伸和压缩性能参数以及1 000~6 000 s-1应变率范围内的力学行为,分析了材料组分与力学性能的相关性。采用弹道枪加载撞击方法,获得了两种超高强度合金钢平头圆柱形弹体对3种钢板(14.5~15.9 mm厚)的弹道极限速度,通过分析获得了不同工况下的极限比吸收能,讨论了合金钢板在弹体高速撞击下破坏模式的差异,分析了材料力学性能与破坏模式的相关性。研究表明:3种合金钢板抗弹体撞击性能与材料屈服强度正相关,但其性能间的差异远小于屈服强度间的差异;在超高强度合金钢平头圆柱形弹体的高速撞击下,3种钢板的失效机制与其力学性能密切相关,Si和Mn含量高的AS钢呈硬脆性特征,其断裂失效主要取决于材料的剪切强度,而Si和Mn含量较低的SS钢和Q235A钢具有良好的塑性,其断裂失效主要取决于材料的压缩强度和剪切强度。     

单轴拉伸下液晶高弹体力学行为的热力序耦合特性

本文利用液晶高弹体的应力－应变本构方程和力－序耦合方程,研究了沿指向矢单轴拉伸下液晶高弹体力学行为的热力序耦合特性。由于力－序耦合,有序度在拉伸作用下变大,从而影响了液晶高弹体的应力－应变关系,使得应力在相同伸长下变小。不同温度下应力受到有序度变化影响的程度不同.由于有序度随温度升高而减小,当工程应力不变时,伸长随着温度升高而减小;当伸长不变时,应力随着温度升高而增大;伸长随温度的变化关系和应力随温度的变化关系都呈非线性。     

核主泵静压型轴封系统二级密封机理研究

核主泵轴密封是核电设备的关键部件之一,探究其密封机理,实现国产化设计,具有重大意义.核主泵静压型轴封系统二级密封一般设计为一级密封失效时承受全部载荷.所研究的二级密封结构全压差(15.5 MPa)工作时的密封机理尚不明确.本文中采用流固耦合模型研究了一级密封失效时,二级密封的工作机理.结果表明:一级密封失效时,二级密封是非接触式静压型密封.在压差和动环变形环板变形产生的力的共同作用下,密封端面形成锥角为1 300.9μrad的收敛间隙;当入口水温65℃时,泄漏率为1 867.8 L/h.动环变形环板的变形有阻碍动环变形锥角增大的作用.动环变形环板厚度越大,密封泄漏率越大.密封介质入口温度以及材料的摩擦性能对密封性能亦有影响.此外,一级正常工作时,二级密封是接触式形式,采用混合润滑模型对其性能作了分析,分析表明一级密封正常工作时,二级密封压差约为0.17 MPa,密封为混合润滑状态,泄漏率为11.4 mL/h,端面温升23.9℃.     

基于细观建模的电子束预控弹体破裂机理数值研究

为研究电子束预控弹体的破裂机理。提出了基于电子束预控弹体细观几何特性的参数化建模方法,建立了含基体、熔融区、过渡区和空腔区弹体的三维有限元模型,采用LS-DYNA软件对典型弹体的爆炸驱动和破裂过程进行了数值模拟分析。结果表明:电子束预控弹体破裂过程可分为:弹体膨胀后的空腔区在环向拉应力作用下产生拉伸断裂、过渡区产生裂纹扩展和拉伸断裂以及空腔区底部基体在两侧拉应力和底部压应力作用下产生与弹体内壁法线呈45°的剪切破坏3个阶段。数值模拟结果与回收的破片截面形状和破坏模式吻合较好。研究结果对电子束预控弹体破片成型控制具有参考价值。     

在冲击弹体作用下梁的反直观行为研究

用数值模拟方法,分析简支梁在弹体冲击下梁的反直观行为.研究了在跨中受弹体冲击引发反直观行为时,梁的位移时程曲线、最终变形模式、能量关系及引发反直观行为对应的弹体速度范围等特性.并探讨了弹体偏离梁的中点冲击时,对梁的反直观行为的影响.研究表明:不论弹体冲击梁的中点或偏离梁的中点冲击时,梁都会发生反直观行为,并具有许多共同的动力响应特点.     

金属热黏塑性本构关系的研究进展

金属材料的塑性流动行为依赖于温度和应变率,温度和应变率敏感性是金属材料塑性流动的最重要的本质特性之一,建立合适的热黏塑性本构关系来准确描述金属塑性流动行为的温度和应变率依赖性,是金属材料能被广泛应用的必要前提。为此,对金属热黏塑性本构关系的最新研究进展进行了综述,介绍了常见的几种金属热黏塑性本构关系并进行了详细讨论,给出了各本构关系的优势与不足,最后系统介绍了包含金属塑性流动行为中出现的第三型应变时效、或K-W锁位错结构引起的流动应力随温度变化出现的反常应力峰以及拉压不对称等行为的金属热黏塑性本构关系的研究进展。     

一种超弹性合金密封体的实验研究

封隔器是油田采油工程中广泛使用的井下工具,长期以来都是以橡胶作为封隔器的密封件。本文简要列举了目前油田开发生产中使用的封隔器所存在的主要问题。将超弹性合金材料引入封隔器领域,是解决橡胶材料密封件所存在问题的新途径。通过对NiTi超弹性合金材料特性的简要介绍,及对其力学性能所进行的试验研究,论证了这种材料替代橡胶用做封隔器密封件的可行性。在室内试验获得的认识和得到的结论基础上,设计和研制了相应的小样和原形试件,并在尽量与油田现场生产相近的环境下进行了一系列的实验和模拟,分析和探讨了超弹性合金密封件损伤破坏机理,对封隔器和密封件的结构设计提出了若干建议,为这种新型的金属封隔器和超弹性合金密封件的工程应用提供了依据。     

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。     

传动装置密封环摩擦磨损性能研究

为分析车辆传动装置密封环在高速高压工作环境下的磨损失效,利用自主研制的试验台研究了速度、接触压力和介质油温对密封摩擦副摩擦磨损特性的影响;利用扫描电子显微镜观察了磨损程度不同的密封环端面的表面形貌,并探讨了其磨损机理.结果表明,在设定的试验条件下,密封摩擦副的摩擦系数随着压力的增大和转速的升高先急剧减小再降幅减缓后趋于稳定,而压力对摩擦状态的影响要比转速显著.密封环端面温度与摩擦状态之间存在相互影响的特征.密封介质性质同样影响着密封环的摩擦状态.在稳定磨损阶段,密封环的磨损机理以磨粒和黏着磨损为主导,当进入到剧烈磨损期后,磨粒磨损和疲劳磨损的影响更为突出.     

Numerical study on the deformation of soil stratum and vertical wells with gas hydrate dissociation

Gas hydrate (GH) dissociates owing to thermal injection or pressure reduction from the well in gas/oil or GH exploitation. GH dissociation leads to, for exam-ple, decreases in soil strength, engineering failures such as wellbore instabilities, and marine landslides. The FLAC3D software was used to analyze the deformation of the soil stratum and vertical wells with GH dissociation. The effects of Young’s modulus, internal friction angle, cohesion of the GH layer after dissociation, and the thickness of the GH layer on the deformation of soils were studied. It is shown that the maximum displacement in the whole soil stratum occurs at the interface between the GH layer and the over-layer. The deformation of the soil stratum and wells increases with decreases in the modulus, internal friction angle, and cohesion after GH dissociation. The increase in thickness of the GH layer enlarges the deformation of the soil stratum and wells with GH dissociation. The hydrostatic pressure increases the settlement of the soil stratum, while constrain-ing horizontal displacement. The interaction between two wells becomes significant when the affected zone around each well exceeds half the length of the GH dissociation zone.     

深海天然气水合物机械?热联合开采方法研究综述

天然气水合物由于储量大、污染低等优点, 已成为我国非常重要的战略能源, 世界各国也加快了天然气水合物的勘探和开发工作. 经济高效的开采方法以及相关的灾害控制和环境保护是对天然气水合物进行商业化开采必须要解决好的两个关键问题. 目前, 注热法和降压法的联合使用被认为是最为有效的天然气水合物开采方法. 在降压法和注热法中, 天然气水合物开采涉及传热、相变、渗流和变形等物理过程和效应, 而传热最慢且相变会消耗大量的热量, 无法直接采用常规的单纯依靠渗流原理的油气开采方案来开采天然气水合物. 我国南海的天然气水合物主要赋存于粉砂质黏土和粉细砂等类型的沉积物中, 胶结性差且埋深较浅. 常规的开采方法还不适合我国南海的水合物开采, 需要考虑新型的开采方式, 这其中提高沉积层中的热传导效率是天然气水合物开采的关键. 郑哲敏提出了机械?热联合开采的新概念方法, 利用无穷无尽表层海水的热量, 基于对流传热的原理和管道输送技术, 并兼顾类似采煤挖掘可能导致的深海浅软地层安全问题. 天然气水合物机械?热联合开采法是一种新的概念模式, 具有开采可控、高效且能有效降低地层安全性风险的优点. 本文针对该新方法的能量、装备、经济可行性进行综合评估, 阐述了针对核心问题管道含相变气液固多相流动、地层安全方面的研究进展, 展望了未来推广应用的空间.      

考虑磨损的接触式端面密封模型及试验

针对油润滑窄端面接触式端面密封,建立了考虑端面稳定磨损的密封性能分析模型. 基于流体承载和固体接触承载共同平衡闭合力的传统思路,引入Archard磨损模型,创新性地提出沿窄端面径向方向磨损均匀假设,从而使用半解析方法得到近似固体接触力、流体承载力及介质膜厚分布. 在此基础上耦合密封环组件力和热变形,最终得到密封泄漏量、端面温度等性能参数. 相应台架试验结果也较好地验证了模型的正确性. 所建模型对于窄端面接触式端面密封的性能分析和密封优化设计具有指导意义.      

考虑弹塑性变形阶段的干气密封接触模型

为探究干气密封摩擦界面在变形全阶段的接触特性,基于分形接触理论及微观接触力学理论,充分考虑微凸体变形的3个阶段,通过余弦函数构建干气密封全阶段接触模型,并分别与GW模型、KE模型和ZMC模型三种经典接触模型及相关文献的试验数据作对比,验证本文中接触模型的合理性与正确性. 最后对干气密封摩擦界面接触特性的主要影响因素进行探究. 模型研究结果表明:干气密封摩擦界面的接触特性与分形维数、特征尺度及两表面的真实接触面积有关. 接触特性与分形维数和两表面真实接触面积呈正相关,与特征尺度呈负相关. 分形维数越大,接触载荷与接触刚度的数量级就越大,且接触载荷变化范围相对较大. 当特征尺度每次以1个数量级递增时,接触载荷与接触刚度的变化范围较小,都在1个数量级内.      

非接触式气体润滑密封变形的数值分析

针对离心泵用非接触式螺旋槽气体润滑密封，通过采用有限元法求解描述密封端面间气体流动的雷诺方程，计算了不同约束、不同结构的静密封环和配对动密封环的力变形、端面泄漏量、开启力及气膜刚度等参数，分析了变形对密封特性的影响．结果表明：密封环的力变形使得端面气膜形状大多呈发散型，约束对其变形大小具有重要影响，选择合适的约束可以减小密封面转角、提高气膜刚度、增强密封工作稳定性；变形对密封的开启力影响不大，但变形导致泄漏量增大，并明显改变气膜刚度。     

防止热采井套管热破坏的预膨胀固井技术

热力采油是开采稠油的最广泛、效益较高的方法.实践表明,注蒸汽稠油井如果用常规方法固井,那么在通常的注汽温度下,套管都因热应力而产生屈服变形.文中提出了防止热采井套管热破坏的预膨胀固井技术,即在注水泥结束但没有凝固时,将油层套管预热和向油层套管施加内压强,使套管膨胀;水泥在套管膨胀的条件下凝固.计算表明,采用预膨胀固井技术后,热采井在整个生产周期内,套管不但不屈服,而且还有较大的安全系数.室内实验证明,注汽后,采用预膨胀固井的套管的塑性变形量远小于常规固井的套管的塑性变形量.此项技术可能成为延长热采井套管使用寿命的重要手段.     

机械密封热力耦合有限元模型与密封性能分析

以接触式机械密封为研究对象,考虑密封环的热力变形和液膜温度、厚度等的耦合关系,建立了二维轴对称热力耦合计算模型,采用有限元与数值迭代技术实现了模型的数值解算,研究了密封端面热力变形规律,分析了不同密封压力下的密封性能.结果表明:热力耦合变形作用下,端面形成收敛型泄漏间隙,最小膜厚位于端面内靠近内径侧位置,最高温度位于最小膜厚处;随密封压力的增大,端面最小膜厚减小,端面最大温升、摩擦扭矩和泄漏率相应增大.采用的模型和计算方法可用于海洋装备用机械密封结构的优化设计.