自主开发实验教学仪器对教学质量影响研究与实践

中国石油大学是一所石油特色鲜明的综合性大学,机械工程专业的核心课程大部分与石油装备相关。目前专业实验教学环节存在教学设备老旧、仪器较为通用的问题,针对这些问题,课程团队提出了基于教学大纲自主设计开发实验教学仪器的理念,并进行了两轮教学应用,分析了自主研发实验教学平台对教学质量的影响。     

碳纤维抽油杆采油系统柱塞超冲程产生机理

碳纤维抽油杆由于其本身的优势在油田得到推广;但在使用时存在柱塞超冲程现象,导致碳纤维连续抽油杆的设计使用缺少理论依据。采用运动分解的方法将抽油杆运动分解为由悬点位移激励和泵载荷激励的两个子运动,并建立相应数学模型,采用有限差分法求解,与现场数据对比,验证了模型的准确性。同时,建立了柱塞超冲程的仿真模型,分析了柱塞超冲程的产生机理及冲数、悬点冲程、泵径、泵挂和碳杆占比对柱塞超冲程的影响。仿真和分析结果表明：①柱塞相对超冲程由悬点位移激励的同频超冲程和泵载激励的谐振超冲程组成;②加载完成时悬点的速度、杆柱的谐振性能参数越大,谐振截止相位越接近3π/2,柱塞谐振超冲程越大;阀二次动作会削弱柱塞谐振超冲程;同频超冲程随抽油杆柱的固有频率增加而下降,随冲数和悬点冲程增加而上升;③柱塞相对超冲程随冲数的增加波动上升,随悬点冲程的增加先下降、后上升,随泵径的增加先上升、后下降,随泵挂的增加单调上升;④在极值冲数或较高冲数、极值碳杆占比（杆柱固有频率最低时的碳杆占比）,高泵挂时,柱塞超冲程现象明显。     

二次射孔对筛管强度影响的有限元分析

为了研究二次射孔对筛管剩余强度影响的变化规律,利用有限元分析软件ANSYS分别建立了井下二次射孔时新旧两孔处于两种不同情况下的有限元模型,模拟分析了二次射孔对筛管剩余强度的影响,研究结果表明:在进行二次射孔时,最佳射孔位置为中线附近区域,此时不仅能保证油气流通面积、提高采油效率,并且可以使筛管的剩余强度提高,达到了二次射孔的目的;在二次射孔时应尽量避免出现新孔与旧孔相交的情况,若不得已出现,要保证相交孔圆心角大于90°,并且随着圆心角的增大,筛管剩余强度也不断增大。     

水平井井眼轨迹的模拟

为解决井眼轨迹模拟的问题,采用了最小二乘法与三次样条插值原理相结合来确定井眼轨迹。为降低测试误差,采用最小二乘法对实测数据进行拟合修匀,利用样条插值函数计算井眼轴线上任意一点的井斜角、方位角、曲率,并确定该点的空间坐标。利用该方法编写了井眼轨迹模拟软件,计算结果表明,用该方法计算出来的未知测点的井斜角和方位角与实测值相比,误差很小,满足实际井眼轨迹计算的要求,并且利用该方法可以增大测量间距,减少测点个数,降低成本。     

煤层气井电潜泵排采系统优化设计

根据煤层气井电潜泵排采系统各设备组件优化选型原则,确定了电潜泵排采系统优化设计方法,并确立了各设备组件优选的计算步骤,计算结果表明,利用该方法对煤层气井电潜泵排采系统进行优化选型,可以较好地适应煤层气井电潜泵排采的需要,对提升电潜泵排采系统效率具有重要意义。     

碳纤维抽油杆采油系统柱塞超冲程产生机理

碳纤维抽油杆由于其本身的优势在油田得到推广；但在使用时存在柱塞超冲程现象，导致碳纤维连续抽油杆的设计使用缺少理论依据。采用运动分解的方法将抽油杆运动分解为由悬点位移激励和泵载荷激励的两个子运动，并建立相应数学模型，采用有限差分法求解，与现场数据对比，验证了模型的准确性。同时，建立了柱塞超冲程的仿真模型，分析了柱塞超冲程的产生机理及冲数、悬点冲程、泵径、泵挂和碳杆占比对柱塞超冲程的影响。仿真和分析结果表明：①柱塞相对超冲程由悬点位移激励的同频超冲程和泵载激励的谐振超冲程组成；②加载完成时悬点的速度、杆柱的谐振性能参数越大，谐振截止相位越接近3π/2，柱塞谐振超冲程越大；阀二次动作会削弱柱塞谐振超冲程；同频超冲程随抽油杆柱的固有频率增加而下降，随冲数和悬点冲程增加而上升；③柱塞相对超冲程随冲数的增加波动上升，随悬点冲程的增加先下降、后上升，随泵径的增加先上升、后下降，随泵挂的增加单调上升；④在极值冲数或较高冲数、极值碳杆占比（杆柱固有频率最低时的碳杆占比），高泵挂时，柱塞超冲程现象明显。     

煤储层含煤粉流体流固耦合渗流数学模型

通过考虑储层煤岩变形、骨架煤粉剥离、煤粉在孔隙中的运移沉积和喉道处的堵塞对煤岩物性参数（如孔隙度、渗透率、孔隙压缩系数及煤岩密度等）的影响,并考虑气溶于水及流体的源汇相的情况,建立了煤储层含煤粉流体流固耦合渗流的数学模型,为煤层气开发数值模拟提供理论基础。     

煤层气井煤粉产生机理探讨

煤层气井在生产过程中经常发生煤粉堵塞产气通道、煤粉在井筒中淤积、煤粉卡泵等现象,渗透率的降低和频繁的检泵,严重影响了煤层气的整体开采效益。根据岩石力学的岩层破坏理论和地层出砂理论探讨了煤层气排采过程中煤层的破坏机理,分析了裂隙中煤粉的种类、产生机理及排采各阶段产出规律,并提出了一定的煤粉控制措施。     

锦纶帘线封隔器胶筒工作性能及其影响因素

锦纶帘线封隔器胶筒适用于井眼小、井壁不规则、地层压力大的裸眼井况,但是也存在着承压性能低、密封性能差等不足。为了提高锦纶帘线胶筒的工作性能,通过拉伸试验和Gough-Tangorra理论获得橡胶和帘线的材料参数,建立锦纶帘线胶筒三维数值仿真模型,并结合室内试验验证仿真模型的准确性;进而研究不同坐封压力下锦纶帘线胶筒应力和接触应力变化规律,系统地分析了帘线角度、帘线层数和帘线间距对胶筒承压性能和密封性能的影响。研究结果表明:①试验测得锦纶帘线胶筒最大坐封压力为70MPa,最大工作压力为50 MPa,残余变形为3.2%;②基于REFINE 265单元建立锦纶帘线胶筒三维数值仿真模型,仿真结果与试验结果误差小于15%,可以满足工程分析的需求;③随着帘线角度从14°增加至20°,帘线应力线性增大,橡胶应力和接触应力小幅度降低;④随着帘线层数从2层增加至8层,橡胶应力和接触应力显著下降,帘线应力加速下降,最高下降幅度达到64%;⑤随着帘线间距从1.4 mm增加至2 mm,橡胶应力和帘线应力同步增大,接触应力降低。结论认为,该研究成果为提高锦纶帘线胶筒的工作性能提供了理论依据。     

一种新型多级分段压裂自动投球器

投球压裂是页岩气水平井分段压裂改造的常用技术,目前的投球器存在着压裂球尺寸小、投球数量有限、结构过于复杂、适用性差等问题,不能满足页岩气井大通径、小间距压裂作业的需求。为此,设计出了一种转板式大通径井口自动投球器,该投球器上端设置储球筒,下端的底座内部布置投球机构,通过驱动电机控制投球机构实现逐个投球的功能;采用FEM(有限单元法)对该投球器的投球过程进行碰撞分析,通过任意拉格朗日欧拉(ALE)网格自适应方法和耦合的光滑粒子流体动力学(FEM-SPH)方法进行仿真模拟和样机实验。研究结果表明:①投球碰撞在转板上边缘处产生最大的等效应力、等效塑性应变和位移,产生的最大应力在600 MPa左右,小于42CrMo的屈服强度930 MPa,满足强度要求,并且具有一定的安全余量;②样机成功实现了投球直径介于64～108 mm、投球级差为4 mm的12级分段压裂连续投球测试。结论认为,该投球器操作简单、适用性广,可有效满足页岩气水平井多级分段压裂工艺的需要。