基于蒙特卡洛方法的油气井管柱可靠性评估*

为提高油气井管柱服役的安全性,采用数据统计与可靠性理论评估油气井管柱可靠性。首先,识别影响管柱外载及其参数的变量,构建油气井管柱安全极限状态方程;然后,采集模型变量数据,确定变量分布与参数,形成油气井管柱可靠性数值模型;最后,通过蒙特卡洛方法计算影响管柱可靠性的关键变量和不同置信度水平下管柱剩余强度分布及安全系数取值。结果表明:目标区域油气井管柱剩余强度符合正态分布,得到不同置信度水平下管柱的可靠度,管柱的安全系数取值范围可满足管柱安全设计要求,所构建的方法可为实际生产中油气井井筒管柱安全评价提供技术支撑。     

自进式高压水射流超短半径水平钻进技术研究

高压水射流径向水平孔钻进技术是水平孔施工技术之一,它是在垂直瓦斯抽放或煤层气勘探钻孔布置机械或水力扩孔装置,对准选定的煤层部位进行扩孔.扩孔后下入特制的转向工具在300mm的曲率半径内实现由垂直转向水平.自进式钻头由旋转喷嘴、钻屑整和装置、推力提供装置等组成.自进式钻头带动为其提供高压水动力供应的特制胶管向前连续钻进.高压水通过高压胶管为自进式钻头提供动力进行钻进、推力及排渣.该技术可以使用同一垂直钻孔,在不同煤层内完成多个水平钻孔.这些径向水平钻孔的形成沟通了新的瓦斯流动通道,从而大幅度提高瓦斯抽放效率.     

稠油热采井管柱失效动态风险分析研究

为保证稠油热采井筒管柱的安全运行，采用故障树与贝叶斯网络相结合的方法开展稠油热采井管柱失效风险分析，应用故障树分析方法定性识别管柱失效诱因，建立稠油热采井管柱失效场景演化模型，并将故障树转化为贝叶斯网络模型，应用贝叶斯网络对管柱失效风险进行定量分析，得出热采井管柱失效的关键致因和管柱失效的动态失效概率，以新疆油田某区块热采井的管柱失效为对象进行了案例分析。研究结果表明，该方法可为稠油热采井管柱失效风险分析及井筒完整性管理提供理论支撑和工程设计参考。     

煤层钻孔密封液径向渗流模型及工程应用

针对顺层瓦斯抽采过程中,因钻孔形变较大、封孔长度不足及封孔方法不合理等因素造成抽采钻孔及其周围煤体漏风严重、抽采瓦斯浓度偏低、流量衰减速度较快及稳定性差等技术难题,基于多孔介质渗流理论、流体平衡理论、"固封液-液封气"钻孔密封技术原理,研究了承压密封液在煤层钻孔内的径向渗流规律,建立了不可压缩流体径向驱气稳定渗流物理模型、密封液径向渗流运动数学方程及相关参数计算公式,进而提出了固液耦合壁式密封顺层瓦斯抽采技术。结果表明,采用固液耦合壁式密封技术可对抽采钻孔及周围煤体裂隙实施动态密封,使得瓦斯抽采过程浓度稳定,单孔平均浓度提高4~5倍,平均抽采瓦斯体积分数达到89%以上,显著提高了本煤层瓦斯的抽采效率。     

基于ADAMS/Rail的直线电机轨道交通安全性研究

阐述了直线电机轨道交通的技术特点,并就其安全评价体系做了介绍,应用ADAMS/Rail软件分别建立了轮对、构架、悬挂系统、止挡、自导向径向转向架、直线电机以及车体的模型,并考虑轮轨关系组合为直线电机轨道交通的车辆-轨道耦合动力学整体模型,进行了大量的计算仿真。笔者主要以脱轨系数为例进行了动力响应分析,给出考虑了径向转向架和直线电机后的安全评判指标,比较了与径向转向架和未安装直线电机的区别,验证了模型的正确性和有效性。为后续研究直线电机轨道交通车辆-轨道耦合动力学模型提供了理论基础,从而可以进一步从安全性角度研究线路设计参数。为我国今后直线电机轨道交通建设就线路参数对车辆运行安全性的影响研究方面起到理论指导作用。     

水平井钻磨管柱油管组合方式研究及下入安全性分析

基于钻磨管柱下入过程易造成遇卡事故,油田采用了2种线重油管的组合方式进行钻磨作业,提高了管柱的下入能力,但未能得到2种线重油管组合方式优选的可靠依据。为得到2种线重油管的最优组合方式,采用微元法对管柱单元在各井段的受力进行分析,建立钻磨管柱的下入载荷计算模型;采用编程对油田水平井进行实例计算,计算结果与实测结果对比显示模型平均误差在8.12%左右,验证了模型的正确性;基于下入载荷计算模型,进行了钻磨管柱组合特性研究及参数敏感性分析。结果表明:采用2种线重油管的组合方式能增大钻磨管柱下入能力,当大线重油管所占整个钻磨管柱的长度为井斜角70.8°左右的井深时,组合比例最优,不同的摩擦系数μ决定不同最优组合比例。     

径向强力膨胀法封孔提高抽采效果技术研究

通过分析钻孔周围煤体在地应力作用下的变形与裂隙发育规律,结合鹤煤三矿原采用的瓦斯抽采钻孔封孔工艺,发现原采用的瓦斯抽采钻孔封孔工艺存在影响抽采瓦斯体积分数与效果的因素。确定合适的封孔材料需要满足4个主要的性质特征,提出了径向强力膨胀法封孔提高抽采效果技术。使用RFPA3D数值模拟软件研究了孔壁周围煤体裂隙发育范围,据此确定了封孔深度工艺参数,并在鹤煤三矿进行了现场对比试验。结果表明,与原封孔技术相比,应用径向强力膨胀法封孔技术封孔成功率高,抽采瓦斯体积分数和抽采纯量均有大幅度提高。     

枯竭油气藏储气库注采管柱疲劳寿命预测

为保障储气库安全平稳运行,针对储库注采管柱井下腐蚀问题,根据注采井内压力、温度耦合关系,建立井内压力、温度耦合计算模型,并结合Norsok模型预测整个井段内CO2腐蚀速率。深入研究管柱轴向受力情况,基于管螺纹校核公式,提出注采管柱疲劳寿命计算公式。结果表明:井内压力与井深的变化具有线性关系,温度近似二项式分布;管柱注采末期丝扣连接点轴向受力最大;此外,建立的注采管柱疲劳寿命预测模型,为储库管柱寿命预测提供新的方法。该研究可为储库安全防护、合理制定生产方案提供依据,保障储库安全运营。     

轴向载荷波动下海上测试管柱动力响应与安全系数分析

为研究海上测试管柱在作业过程中轴向载荷波动对管柱强度和变形的影响,针对泥线上管柱的作业特点,对适应于简化条件下的泥线上管柱的轴向力计算方法及振动模型进行了推导;基于建立的管柱有限元模型及其固有频率分析结果,应用Workbench进行了不同频率、不同水深、不同波动幅度轴向力下测试管柱的动力响应分析及对应的安全系数计算。研究结果表明:轴向力三角形波动一定周期后,响应参数趋于稳定,波动幅度对管柱的响应结果影响不大;同幅度载荷变化下,正弦波动时的最大应力、最大变形响应数值较三角形波动时要小;随着水深的增加,最大变形、最大应力的数值均明显减小,二者响应规律基本一致;在基频不同倍数的波动下,波动频率对响应频率、稳定前的时间占比、幅度等影响明显;测试管柱在轴向波动载荷作用下的强度均满足材料的使用安全系数,但正弦波动时管柱的变形与应力始终随轴向力的变化而变化,正弦波动下的管柱易出现周期性疲劳破坏。     

基于灰关联分析的顺层钻孔瓦斯抽采有效半径主控因素研究

基于顺层抽采钻孔固气耦合模型,采用COMSOL对钻孔直径、煤层物性参数及抽采参数三类因素进行了模拟分析,并运用灰关联分析方法确定了顺层钻孔瓦斯抽采有效半径的主控因素。研究表明:煤层初始瓦斯压力与煤体初始渗透率为有效半径的主控因素,抽采时间次之,钻孔直径与有效抽采负压的变化对有效半径的影响甚微;提高瓦斯抽采有效半径的首要任务是通过技术手段卸压、增透,其次要把握合理的预抽时间。     

基于Shear Damage模型的剪切闸板防喷器剪切性能研究*

为揭示剪切闸板在纯剪切工况条件下（无压差、无悬重）剪切钻杆时剪切力特征,以及悬重、内外压差等复杂工况条件对剪切钻杆时剪切力和油压的影响规律。本文基于Shear Damage断裂损伤模型,通过显示动力学方法开展剪切过程仿真研究。研究结果表明:在纯剪切工况条件下,剪切力随时间增加先逐渐增加再急剧下降为0;在有悬重工况条件下,剪切力和油压随悬重增加而呈减小趋势;在钻杆内压大于外压工况条件下,剪切力和油压均随压差增大而增大;在钻杆内压小于外压工况条件下,剪切力随压差增大而减小,5 in（壁厚14.50 mm）、5 in(壁厚12.70 mm)规格钻杆油压随压差增大呈先增加后减小趋势,5 in（壁厚10.54 mm）规格钻杆油压随压差变化不明显,其余钻杆油压随压差增大均呈上升趋势。研究结果可为剪切闸板防喷器油压配置、结构优化、关井工艺改进等提供关键技术支撑。     

基于流固耦合的多弯管路系统动力学分析

为研究多弯管路系统的动力学特性,基于流固耦合和有限元原理,对充液L型管道的固有特性进行了数值模拟,并与TMM(传递矩阵法)进行了对比,证明了数值模型的合理性。建立了水下多弯管路的数值模型,进行了流固耦合模态分析,研究了壁厚、管径对管路固有频率的影响规律。并对非定常流下多弯管路系统的动力响应进行了分析,研究了壁厚和波动速度对管道振动的影响规律。研究结果表明:考虑管内、外流体与管道三者耦合时的管道固有频率比只考虑管内流体与管道二者耦合和不考虑耦合时小,但流固耦合作用对管道模态振型的影响较小;管道的固有频率随管径和壁厚的增大而增大, 气体与管道之间耦合作用对管道固有频率的影响小于液体;非定常流下,多弯管路的振动幅值随着壁厚的增大而减小,随着波动速度的增大而增大。     

连接结构尺寸对三通管冲蚀磨损影响的数值模拟

针对石油管道运输系统中三通管的冲蚀磨损问题,采用DPM冲蚀预测模型,模拟分析了油品中夹带的固体颗粒对连接结构尺寸不同的三通管的冲蚀磨损情况,得出了颗粒对三通管冲蚀的分布规律。结果表明:T型三通管的冲蚀主要集中在与竖直管道正对的水平管道底部及其附近的外侧管壁,有球体弯头的三通管的冲蚀主要集中在球体附近水平管道的外侧管壁,且冲蚀磨损程度相对较小;随着流体流入速度的增大,2种三通管的最大冲蚀率随之增大且呈指数增长;随着颗粒质量流量的增大,2种三通管的最大冲蚀率均随之增大;当流体在2种不同的三通管中流动时,管道系统的最大冲蚀率的曲线变化趋势基本一致,均为先减小再增大;当管道弯头处球体的直径为管道直径的2倍时,管道的冲蚀速率最小,颗粒对于管道的冲蚀磨损程度最轻。     

Self-ignition and explosion during discharge of high-pressure hydrogen

The phenomenon of self-ignition and explosion during discharge of high-pressure hydrogen was investigated. To clarify the ignition conditions of high-pressure hydrogen jets, rapid discharge of the high-pressure hydrogen was examined experimentally. A diaphragm was used to allow rapid discharge of the high-pressure hydrogen. The burst pressure was varied from 4 to 30 MPa. The downstream geometry of the diaphragm was a flange and extension pipes, with the pipe length varying from 3 to 300 mm. The diameter of the nozzle was 5 or 10 mm. When short pipes were used, the hydrogen jet did not ignite. However, the hydrogen jet showed an increasing tendency to ignite in the pipe as the length of the pipe became longer. At higher burst pressures, a diffusion jet flame was formed from the pipe. The blast wave from the fireball formed on self-ignition of the hydrogen jet resulted in an extremely rapid pressure rise.     

油水两相流弯管处安全分析

针对油水两相流经过弯管时的流向改变会导致流体速度和压力发生突变,造成发生静电事故和腐蚀事故风险上升 的不利影响,提出了RSM模型和Mixture模型相结合的安全分析方法。该方法对不同入口速度和含水率的油水两相流进行 数值模拟,并用Origin软件拟合了进口最大允许流速与管径及含水率的经验关系。结果表明,在含水率和入口速度一定 时,随着管径的增加,弯管处的最大速度呈现逐渐减小的趋势:当管径和入口速度一定时,随着含水率的增加,弯管处 的最大速度也逐渐减小。最大压力出现在弯管外拱壁处,最小压力出现在弯管内侧拱壁处。在实际生产中,增加弯管下 游直管段内侧壁的壁厚,可有效防止空化腐蚀所造成的危害;通过含水率来确定安全流速,可有效降低静电事故的风险 。     

火电厂锅炉再热器联络管裂纹分析及处理

某火电厂亚临界锅炉墙式再热器蒸汽出口至屏式再热器联络管母管及排空气管接管座产生裂纹发生渗漏.通过对墙式再热器出口管道排空气管接管座裂纹特征、结构型式、管道现场布置情况、运行环境等方面进行综合分析,认为排空气管道安装布置不合理,无保温措施,导致冷凝水倒流,形成热疲劳裂纹并逐步延伸扩展.确认产生裂纹的原因后,优化管道安装布...     

双金属复合管线应力分析中当量折算模型的建立与应用*

针对目前高腐蚀性气田的集输系统管线应力分析标准中,未给出双金属复合管线的强度校核方法,依据当量折算理论,将双金属复合管的几何与材料特性转化为等效单层管,通过有限元法验证双层管与等效管模型的计算精度。研究结果表明:利用当量折算理论,可以快速将双金属管外径、壁厚、弹性模量、热膨胀系数、密度等参数等效转化为单层管道相关参数。经实际应用检验,该方法在解决工程问题时具备一定的实用性与准确性;双金属复合管系统当量折算模型具备计算方便和精度高等优点,该模型可用于双金属复合管线结构设计和强度校核。研究结果可为双金属复合管线的强度校核提供1种参考方法。     

Experimental investigation of gas explosion in single vessel and connected vessels

Gas explosion in connected vessels usually leads to high pressure and high rate of pressure increase which the vessels and pipes can not tolerate. Severe human casualties and property losses may occur due to the variation characteristics of gas explosion pressure in connected vessels. To determine gas explosion strength, an experimental testing system for methane and air mixture explosion in a single vessel, in a single vessel connected a pipe and in connected vessels has been set up. The experiment apparatus consisted of two spherical vessels of 350 mm and 600 mm in diameter, three connecting pipes of 89 mm in diameter and 6 m in length. First, the results of gas explosion pressure in a single vessel and connected vessels were compared and analyzed. And then the development of gas explosion, its changing characteristics and relevant influencing factors were analyzed. When gas explosion occurs in a single vessel, the maximum explosion pressure and pressure growth rate with ignition at the center of a spherical vessel are higher than those with ignition on the inner-wall of the vessel. In conclusion, besides ignition source on the inner wall, the ignition source at the center of the vessels must be avoided to reduce the damage level. When the gas mixture is ignited in the large vessel, the maximum explosion pressure and explosion pressure rising rate in the small vessel raise. And the maximum explosion pressure and pressure rising rate in connected vessels are higher than those in the single containment vessel. So whenever possible, some isolation techniques, such as fast-acting valves, rotary valves, etc., might be applied to reduce explosion strength in the integrated system. However, when the gas mixture is ignited in the small vessel, the maximum explosion pressures in the large vessel and in the small vessel both decrease. Moreover, the explosion pressure is lower than that in the single vessel. When gas explosion happens in a single vessel connected to a pipe, the maximum explosion pressure occurs at the end of the pipe if the gas mixture is ignited in the spherical vessel. Therefore, installing a pipe into the system can reduce the maximum explosion pressure, but it also causes the explosion pressure growth rate to increase.     

考虑动态施工超长管棚预支护力学特性及参数影响分析*

为研究复杂地层超长管棚随动态施工的力学特性和管棚合理化参数,依托某下穿高速公路浅埋暗挖隧道工程,采用数值法进行三维动态建模分析。研究结果表明:管棚挠度曲线呈鱼腹形,拱顶部和拱腰管棚最终稳定在10.7,2.9 mm;管棚各测点轴力经历由受拉到受压的变化过程,通过各测点后受压区轴力逐渐减小,拱顶部动态响应更明显;管棚弯矩集中于掌子面前后方区域,随开挖面推进,弯矩作用范围逐渐向前扩张,最大弯矩发生在洞口套拱处;通过参数影响分析,当采用短进尺开挖时,管棚直径取129~159 mm、间距为0.4~0.5 m、注浆区厚度为0.4~0.5 m时可确保上方高速公路安全。研究结果可为类似工程施工和设计提供参考。     

广三高速公路扩建工程中桩承式加筋路堤的现场试验

结合广三高速公路扩建工程,对素混凝土桩和PHC管桩桩承式加筋路堤工作性状开展现场试验调查,在路堤填筑中以及填筑完成后对路基沉降、孔隙水压力以及深部水平位移进行监测和分析,试验结果表明:当软土厚度小于18m时,采用桩径为50cm的C15素混凝土桩,打穿软土层,桩中心间距1.8 -2.0m,平面呈三角形布置,桩帽采用C30混凝土浇筑成尺寸为1m×1m×0.4m的面板,拓宽路基孔隙水压力变化与填土高度和桩的龄期有关,路基工后沉降得到了有效控制;当软土厚度超过18m时,采用桩径为30cm,桩壁厚7cm的PHC管桩,按照桩中心间距2.5-3.0m间距呈正方形布置,桩帽采用设置双层钢筋的C30混凝土浇筑成尺寸为1.5m×1.5m ×0.4m的面板,路堤填筑完成后预压期内路基孔隙水压力基本未发生变化,路基几乎未发生侧向位移,路基剩余沉降很小,可以节省预压时间,尽早开展路面结构层施工,开放交通.