基于多孔介质流固耦合计算的浅层流工程危害预测

依据某深海区断块油气藏的地质相关数据,基于地层多孔介质变形机理和多孔介质流固耦合理论,在ADINA软件中通过组合应用Parasoid建模方法,建立三维实体元模型,通过建立固体与流体模型、加载荷载以及选择模型参数,分析地层变形情况,计算不同参数下的井眼流速,从而进行钻遇浅层流时的灾害预测。     

热采井套损机理及套管强度优化设计

我国稠油资源丰富,然而稠油热采井套管损坏现象普遍存在,且有越来越严重的趋势,提高热采井套管寿命是稠油开采过程中迫切需要解决的问题。分析了热采井套管损坏主要原因,认为高温引起的强度变化、油层出砂亏空、固井质量差、隔热措施不利及套管本身材质问题都有可能引起热采井套管损坏。采用有限元分析软件ANSYS计算了不同隔热措施、不同注汽温度、不同注汽压力、不同套管材料及壁厚条件下套管应力分布规律。计算结果表明,为减少稠油热采井套管损坏,采用隔热措施较好的油管可以明显降低套管上的等效应力,同时在套管柱设计过程中应优选低弹性模量、厚壁套管。提出了VonMises等效应力对比高温屈服强度的校核新方法,为稠油热采井套管强度设计提供依据。     

高温高产气井自由套管热应力研究

高温高产天然气开采所诱导的环空流体热膨胀及套管所受的热应力对井筒安全带来严峻挑战,套管爆裂及井口装置密封失效事件时有发生,因此,研究井口热应力及套管头升高十分必要.综合考虑井筒温度场、各层套管水泥返深、套管强度与力学稳定性等因素,建立了未封固井段自由套管轴向载荷及变形的计算方法,研究了高温高产气井热应力对套管及井口装置安全的影响.最后,以我国南海某气田为例,进行了井口热应力与套管头升高值的计算.结果表明,自由套管段的温度变化与各层套管水泥返深是影响井口热应力和套管头升高值的主要因素,井口热应力随表层套管和导管的水泥返深增加而增大,优化各层套管的水泥返深可以减小井口热应力;同时,随日产量增大,井筒温度升高,井口热应力和套管头升高值增加.     

永久性弃置井封堵效果的试验评价

随着油气资源的持续开发，无商业开采价值的油气弃置井日益增多，弃置井的封堵效果是其永久保持井筒完整性的关键。为此，基于永久性弃置井特点及封堵技术规范和要求，提出了一种永久性弃置井封堵屏障单元的封堵效果测试及评价方法，自主研发了评价套管内水泥塞和套管外水泥环封堵有效性及可行性的测试系统，并模拟我国西北典型井井下工况开展了弃置井管内水泥塞和管外水泥环的密封性能测试和界面力学性能测试，获取了水泥塞、水泥环的突破压力、击穿压力及其与套管之间界面力学参数，分析了水泥塞/水泥环长度对其密封性能的影响规律，并拟合得到了水泥塞/水泥环长度与封堵压力的函数关系，对比了水泥塞与水泥环的密封性能及界面力学性能，明确了水泥塞/水泥环密封性能与界面力学性能之间的相关性，发现了水泥塞与水泥环封堵屏障的薄弱区。研究成果可为永久性弃置井封堵水泥浆体系及施工参数的“量身定制”提供依据。     

火灾下钢框架结构热-力耦合模拟与性能分析

基于"自然火灾安全概念"(NFSC)的基本思想,提出了火灾下钢结构热-力耦合模拟方法。利用ANSYS的参数化设计语言,建立了ANSYS软件与OZone火灾分析软件的数据接口,实现了火灾分析软件与大型有限元软件的耦合运用。基于火灾模拟软件OZone的分析结果,利用APDL语言,对钢框架结构进行了真实火灾场景下的热-力耦合模拟。研究表明:钢框架结构在真实火灾场景下,受非均匀变热流影响,结构内部将产生热应力梯度和应力牵移现象;同时钢框架中钢梁固接时,火灾初期变形较小,当达到某个关键时间点后将开始大的变形破坏,其主要原因是钢框架内部产生塑性铰,即钢梁由固接变为铰接,释放了对钢梁的约束。     

Y形通风采空区自燃与有害气体排放的数值模拟

基于非均质多孔介质漏风渗流方程、多相气体渗流-扩散方程和多孔介质渗流综合传热方程,建立了采空区瓦斯与自燃发火耦合数值模型,开发了用迎风格式有限元方法联立求解的计算机程序(简称G3).计算以图形方式给出各量的区域分布解,从理论上描绘了Y形通风采空区的漏风流态,动态描绘了瓦斯、氧和CO的体积分数以及温度分布状态及其变化过程,并证明了Y形通风形式能避免采空区瓦斯向工作面涌出.计算中采空区按冒落非均质介质处理,考虑了瓦斯涌出对自燃的耦合作用,给出了这种耦合作用关系和解决办法.Y形通风采煤的自燃,两者存在着顾此失彼的关系.     

南海某深水高温高压气井SS-15型井口头系统薄弱点安全评价

为应对深水高温高压气井生产过程中井口系统复杂性、井口抬升等对整个井口系统完整性的破坏情况,研究环空压力、上顶力、温度、产量对井口头系统薄弱点的影响。基于数值模拟方法建立井口系统有限元力学模型,分析在不同环空压力与上顶力条件下,井口系统各部件的应力大小变化情况,为井口系统薄弱点位置的确定提供理论依据,进而提出深水高温高压井井口系统完整性的管控图版及方法。研究结果表明：环空密封本体与套管挂、锁环与限位槽的接触部位是薄弱点;同一环空压力下,上顶力越大,套管挂等效应力与锁环变形量越大;当上顶力超过700 t时,不论环空压力是否存在,均达到井口系统薄弱点屈服强度。因此,深水高温高压油气井应制定合理生产制度或管理措施,研究结果对保障井口系统完整性,降低深水高温高压井生产阶段风险具有一定参考意义。     

石化压力管道冲蚀失效数值模拟及影响因素分析

以镇海REAC出口压力管道系统碳钢弯管为例,结合冲蚀失效机理,建立冲蚀失效流固耦合数理模型。利用数值模拟技术分析腐蚀产物保护膜与多相流动之间的交互作用,揭示弯管内壁剪切应力分布及保护膜主位移、应力、应变的分布规律,研究石化压力管道系统冲蚀失效过程;结合现场测厚数据验证有限元分析软件流固耦合数值模拟方法的可靠性;并进一步对比分析了流体流动特性、管件结构特性等特性参数对冲蚀的影响。为石化压力管道输送系统的冲蚀失效分析、结构优化设计、RBI和定期检验测厚定位、寿命预测、风险评估等安全保障研究提供理论依据和分析手段。     

页岩气体积压裂过程中套管失效机理研究

为了研究体积压裂过程中套管失效问题,基于页岩气水平井X-1h钻完井资料,提出了微地震数据反演方法,并结 合岩石断裂力学和岩石损伤力学,建立了X-1h体积压裂地层-多簇射孔-套管有限元模型。有限元结果表明:体积压裂范 围内的地应力场发生明显变化,甚至出现“张应力”区和“零应力”区的应力反转现象,该特征将不同程度地使套管在 地层中出现“悬空”状态,导致套管沿其径向产生一定程度的挠度变形,沿轴向套管呈现“S”型变形。适当增加压裂 段与段之间的间距,缩短多簇射孔压裂段的有效长度,可以有效地降低或控制水平段套管的“S”型变形量。该研究方 法和研究成果为体积压裂技术的套管变形失效控制以及页岩气安全生产提供了理论依据。     

三轴应力下煤岩损伤-能量演化特征研究

为有效预防煤岩动力灾害,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置对煤岩进行三轴压缩试验,研究三轴应力下煤岩的变形破坏特征及损伤过程中的能量演化机制;建立煤岩损伤本构模型;构建损伤-能量耦合数学表达式。结果表明:不同围压下煤岩偏应力-应变曲线的变化趋势基本一致;煤岩在变形破坏过程中,能量转换形式随变形破坏规律呈现阶段性变化;围压对煤岩的能耗特征有较大的影响,煤岩吸收的总能量、弹性能、耗散能的增长速率均随围压的增大而增大,且在峰值偏应力点处,随着围压的增大,临界破坏点总能量、储能极限、临界破坏点耗散能线性增大;能量耗散是造成煤岩内部结构产生损伤的主要原因,耗散能随损伤变量的增大总体上呈S型变化。     

穿越水域输气管道裸露悬空段的应力敏感性分析

为保证穿越水域输气管道裸露悬空段的安全运行,需要对裸露悬空段的应力进行敏感性分析。根据流体动力学和固体力学理论,利用有 限元软件对水流冲击下的裸露悬空管段进行流固耦合模拟分析,并找出影响管道受力的主要因素。基于模拟计算结果,采用单因素敏感性分析 法分析各影响因素对管道应力的影响程度,计算各敏感度系数并识别出影响管道应力的关键因素。计算结果表明:裸露悬空管段的径厚比和悬 空长度为影响管道应力的关键因素,两者与管道应力同方向变化,且管道应力对径厚比的敏感性相较于其对悬空长度更强。     

多角度辨识压裂套管变形的失效影响因素

页岩气开发具有施工压力大、排量大、改造规模大的特点,使得压裂套管处于复杂力学环境中。挤压、剪切和弯曲等载荷共同作用,易引发套管挤毁变形,进而导致后续作业时井下工具下入遇阻。但目前研究多针对压裂套管的单一失效原因,难以保障其完整可靠性。鉴于此,针对页岩气大规模压裂作业特点,从不同薄弱位置（如垂直段、造斜段、水平段）、不同自身规格（如钢级、外径、壁厚）和不同约束条件（如内压、孔径、螺距）等多角度,系统辨识套管变形的失效影响因素。通过建立压裂套管三维模拟的有限元模型,分析套管内压变化引起套管应力、位移的变化规律及形态,明确套管变形的大小以及与载荷变化的关系,并揭示套管变形的位置及影响因素的临界值。结果表明:压裂套管的造斜段最大变形、水平段应力集中现象较为严重,属于危险脆弱点;且套管最大应力、最大位移随内压的增加而近似成线性降低关系。     

爆炸冲击波作用下圆形通风设施的动态破坏特性

为了研究瓦斯爆炸对通风设施造成的严重破坏及其导致的通风系统紊乱与灾情迅速扩展问题，基于LS-DYNA有限元软件，模拟研究巷道中瓦斯爆炸冲击波作用下圆形通风设施的动态破坏特性，分析应力、应变、速度、位移的动态特征及其破坏过程，并对圆形通风设施动态破坏机理进行初步探索。研究结果表明:爆炸冲击波作用下，圆形通风设施正、反面出现压应力与拉应力分布圆环，且压应力与拉应力峰值处于在外部受约束边界径向圆环附近区域与圆心位置，应变、速度和位移最大值均分布在次区域；爆炸冲击波作用下，通风设施表面形成多圈的正向和反向的应变相互交替，呈现W型的褶皱变形；爆炸冲击波作用下，环向裂纹集中在受约束的边界区域附近，发生脆性破坏，其他区域会出现较多的径向裂纹，可发生韧性破坏，整个断裂过程是脆性与韧性断裂的混合型断裂。     

影响凹陷管道安全因素分析

为了分析管道上凹陷对其安全性的影响,以非线性接触模型为基础,应用ABAQUS有限元软件,建立矩形状压头作用于管道的三维模型。通过求解模型,探讨了凹陷深度、凹陷位置、凹陷尺寸、管道内压对管道轴向应变和韧性失效损伤因子的影响。结果表明:管道的轴向应变随着内压的增大而增大,然而内压的存在却对管道韧性失效起到一定的抑制作用。当韧性失效损伤因子D=1时可以通过韧性断裂准则预测其临界失效应变;当凹陷深度超过一定范围内压会使损伤程度增大;当凹陷位置为垂直于管道正上方时,其对管道的轴向应变及韧性失效损伤因子的影响较大;当管道内压一定时,随着凹陷变形量的增加,与凹陷轴向长度相比,凹陷宽度的变化对管道的轴向应变及韧性失效损伤因子程度影响更显著,而增大凹陷长度和宽度均可有效降低其对管道安全性的影响。     

海底悬跨管道表面双裂纹数值分析

为了研究海底油气管道多个裂纹间相互作用对管道产生的影响，针对海底悬跨管道表面双裂纹的相互作用，采用有限元方法建立双环向表面裂纹模型，采用围道积分法求解双裂纹下的应力强度因子，研究了不同边界条件下，不同尺寸裂纹间的相互影响规律，并对比了单裂纹下应力强度因子的变化情况。研究结果表明:不同尺寸的裂纹对双裂纹的相互影响规律有一定影响，且双裂纹应力强度因子最大值均出现在裂纹最深点处；弹簧边界下双裂纹相互影响规律与简单边界下相互影响规律明显不同；不同边界条件对悬跨管道双裂纹应力强度因子的影响较大。研究结果可为海底悬跨管道的失效分析提供参考依据。     

T型结构压力管道流固耦合模拟与试验验证

为研究T型压力管道结构内部流体非定常流动诱发的管道振动问题,采用流固耦合分析方法进行分析,借助有限元分析软件ADINA对输送气体介质的T型压力管道结构的进行了流固耦合数值模拟,得到了管内流体流动参数的变化以及管道应力分布规律,并预测了管道振动特性。同时,利用管道振动测试试验系统进行T型管道结构的振动特性进测试,得到压力管道耦合振动响应频率。结果表明:流固耦合数值计算的结果与试验结果能较好地吻合,流体介质的T型压力管道内存在明显的流固耦合效应,不考虑流固耦合作用结果与实验结果相差很大。     

大跨度偏压隧道受火损伤分析

为探明火灾对大跨度偏压隧道造成的不利影响，依托贵州省某公路隧道工程，基于ANSYS有限元软件分析不同埋深及偏压条件下大跨度隧道结构的最大损伤和相对温度损伤变化规律，并对其温度场分布和应力分布规律进行总结。结果表明:衬砌高温损伤约60 mm，温度影响深度约300 mm，内部温升过程逐渐由曲线变化转变为直线变化；最大损伤深度随偏压角度增加近似呈指数增长变化，而相对温度损伤略有减小，当偏压角度较大时，火灾将成为隧道破坏的诱导因素而非直接因素；最大损伤深度与偏压隧道埋深近似呈抛物线变化，火灾对偏压隧道影响显著，必须采取有效预防措施；随着受火时间的增加，临火侧衬砌混凝土在热膨胀及围岩约束作用下，压应力快速增加，存在较大的压溃风险。