连续管钻塞水平段铁屑运移机理研究北大核心CSCD

针对水平井段连续管钻磨桥塞时铁屑运移规律尚认识不清,沉积的铁屑堆积在井下工具周围而导致卡钻的问题,在欧拉坐标系下考虑相间滑移速度以及铁屑流参数,建立了三维井眼环空铁屑运移模型,采用Standardκ-ε湍流模型及SIMPLEC算法进行数值计算,研究了环空偏心度、钻塞液排量、铁屑直径、钻塞液粘度和铁屑体积分数对水平段铁屑运移的影响,得到了环空铁屑体积分数和固定铁屑床高度的分布规律。研究表明:增大钻塞液排量、减小铁屑直径、减小环空偏心度、增大钻塞液粘度和减小铁屑体积分数,可提高连续管钻塞水平段铁屑运移效率。水平段铁屑运移机理研究可为连续管钻磨桥塞卡钻问题的解决提供技术支持。     

真空紫外光降解瓦斯反应动力学规律

为了研究真空紫外光降解瓦斯过程的反应动力学规律,在自制的真空石英光化学反应器中以含甲烷标准气体模拟矿井瓦斯,运用Langmuir-Hinshelwood(L-H)拟一级反应动力学模型对不同光照强度、氧气体积分数、甲烷初始体积分数和水分子体积分数下瓦斯(甲烷)的降解过程进行拟合.结果表明:真空紫外光降解瓦斯反应动力学规律符合一级反应动力学特性;光照强度、甲烷初始体积分数、氧气体积分数和水分子体积分数是影响真空紫外光降解瓦斯的主要因素;瓦斯(甲烷)降解的反应速率随光照强度和氧气体积分数增大而增大,随甲烷初始体积分数增大而减小,随水分子体积分数增大而先增大后减小.     

水平井油基钻井液气侵溶解气膨胀运移规律研究

天然气进入井筒并溶解于油基钻井液会对钻井安全产生潜在威胁,溶解气随钻井液运移到井口附近突然发生析出 并膨胀,使气侵早期监测及预警的难度显著增加。为了降低井喷发生概率和钻井作业风险,针对水平井油基钻井液溶解 气运移规律进行了研究。采用气液两相流模型,模拟了不同初始气侵速率情况下甲烷溶解气和游离气随钻井液在水平段 和垂直段的运移过程,得到环空中钻井液的流速变化、甲烷析出过程、井筒环空气液两相流流型变化、泥浆池增量随时 间变化和截面含气率沿程分布等规律。模拟结果表明,油基钻井液发生气侵时的初始进气率存在临界值;在小气侵速率 情况下,侵入环空的甲烷将以溶解气的形式运移到井口,在井口分离释放,对钻井安全构成的威胁较小;而当气侵量超 过临界值时,在环空上部发生气体分离,分离点迅速下移,如不及时控制,在极短时间内便可演化为井喷,危险性极大 。     

工作面火灾CO运移规律及FED模型评价下的疏散参数研究

矿井工作面进风巷火灾对作业人员的逃生影响极大,有毒烟气尤其是CO是造成人员中毒死亡事故的主要原因。以山东某矿3302工作面为例,采用FDS软件研究不同风速下的CO运移规律,通过FED模型确定CO体积分数、人员接触时间综合影响下的安全疏散参数。结果表明:10 MW火灾规模下,工作面进风巷火灾稳定发展阶段,回风巷人眼特征高度处的CO体积分数相等,其表征运移速度与风速呈线性关系;可利用安全疏散时间随CO运移速度和人员逃生速度差值的增大而减小;在临界风速2.0 m/s时,极限可利用安全疏散时间最短。最后提出了合理设定避难硐室区域范围的计算方法,可为工作面火灾时期的人员安全逃生及避难硐室设定提供参考。     

保护层开采工作面采空区瓦斯分层治理

为实现保护层开采工作面生产过程中瓦斯不超限,在分析工作面瓦斯来源的基础上,提出了保护层开采工作面竖向分层治理瓦斯的思路。根据相似模拟结果,分析了采空区瓦斯流动范围和流动范围内孔隙率、风阻分布特征。采用数值模拟分析了Y型通风、Y型通风+采空区埋管及Y型通风+采空区埋管+高抽巷+高位钻场3种瓦斯治理方式下采空区瓦斯体积分数场,结果表明:采空区瓦斯体积分数在竖直方向和水平方向均具有典型的递变特征,距工作面越远,距煤层越高,瓦斯体积分数越大;合适位置的煤层顶板高抽巷对抽采来自上邻近层的瓦斯具有较好的效果,试验条件下高抽巷抽采瓦斯量达到了总量的36.4%~63.6%;沿充填墙的采空区埋管不能完全拦截下层采空区进入沿空巷的采空区瓦斯,随沿空巷长度增加,瓦斯体积分数增大,建议沿空巷长度控制在250 m范围内。     

室内空间重气扩散浓度场变化过程的试验研究

以二氧化碳气体为对象,对室内空间重气连续泄漏扩散过程进行试验研究,分析气体体积分数的变化规律.结果表明,二氧化碳在室内空间泄漏后,出现明显的沉降现象,泄漏源高度以下位置的体积分数远大于高处的体积分数,且气体体积分数上升的速度也明显增大.墙壁的阻挡作用会使近墙处气体体积分数比其他位置要高.中心面上,泄漏初期二氧化碳体积分数变化梯度不大,但随着时间的进行,体积分数梯度变大,逐渐出现脱分层现象.通过比较同一时刻不同面上气体体积分数的分布情况,可以发现,靠近地面处的水平向上体积分数分布较均匀,而垂直面上体积分数分布不均匀.二氧化碳扩放过程中,径向上有一个初始速度,而在横向上表现为自由扩散.不同高度水平面上,随着高度的增加,二氧化碳的体积分数值和高体积分数区域都逐渐减小,且在离泄漏源较远处的两侧墙壁处富集,而泄漏源下方有个体积分数相对较低的区域.     

狭长管道油气爆炸流场分布特征规律及分析

为研究狭长管道油气爆炸流场分布特征规律,搭建了狭长管道油气爆炸实验系统 ,并在狭长密闭管道中进行了油气爆炸实验。通过采集爆炸超压值和火焰强度值并进行 分析,得到以下结论:随着初始油气体积分数的增大,管道沿线最大爆炸超压值和升压 速率均呈现先增大后减小的趋势,在1.75%时达到最大,并且初始油气体积分数越接近 1.75%,升压速率增大越快;根据管道沿线最大超压分布规律可将初始油气体积分数分 为1.25%~1.55%、1.55%~2.20%、2.20%~2.65%3个部分;管道末端出现二次爆炸现象,爆 炸超压变化曲线可分为点火延迟、一次爆炸、二次爆炸、振荡衰减4个阶段;火焰持续 时间随油气体积分数的增加先下降后上升,油气体积分数为1.75%时火焰持续时间最短 。     

近海埋地管道泄漏气体扩散安全评估研究

为评估近海埋地管道泄漏气体扩散风险,基于流体体积与多孔介质方法,建立水下埋地管道泄漏气体扩散预测模型,模拟气体在海底土壤及海水中的运移扩散过程。研究结果表明:泄漏气体在海底土壤中扩散时间较短,扩散直径变化经历快速增长期、缓慢增长期和平稳期3个阶段,海水中羽流直径与羽流高度均随时间增加,且相比羽流高度,羽流直径的增长速度呈现先大后小的态势;增加泄漏孔径与泄漏压力,气体在海底土壤中扩散直径增大,海水中气泡体积明显增加,上浮时间减少,水平偏移量和海面处羽流直径减小。该模型可实现对近海埋地管道气体泄漏的准确预测,得出扩散轨迹等关键羽流数据,为后续的安全评估提供数据支撑和理论支持。     

水平定向钻穿越施工的失效可能性研究

水平定向钻穿越施工是管道穿越工程的一种主要施工形式,在施工中由于地质条件、设备使用和穿越工艺选择等原因使其存在风险,因此有必要对其失效可能性进行研究。建立了包含“人、机、料、法、环”五方面的水平定向钻施工失效可能性指标评价体系,对于特征影响因素,如扩径比、管土摩擦系数等,运用回拖过程的力学分析得出其分布规律,用模糊化的方法将底层指标分值转化为先验概率,再代入贝叶斯网络进行概率推理,最终确定其失效可能性。以某管道工程采取水平定向钻穿越河流为例,得出其失效可能性等级为“较高”,最后提出了相应的控制措施。运用贝叶斯网络研究水平定向钻穿越施工的失效可能性具有重要的工程应用价值和现实意义。     

采空区三维漏风路径示踪测试

采用SF6示踪气体探测技术,对Y型通风方式下采空区三维裂隙场漏风路径进行了测试.结果表明:示踪气体在采空区内发生弥散,采样点采集到的示踪气体体积分数随时间变化呈先快速增大后逐渐减小的规律,具有拖尾现象;距工作面155 m范围内,采空区裂隙带上部漏风速度较小,示踪气体体积分数高,裂隙带下部及冒落带漏风速度较大,示踪气体体积分数低;155 m后,冒落带、裂隙带下部和裂隙带上部示踪气体体积分数相差不大;采空区漏风路径是经顶板裂隙绕流后下降至冒落带的曲线渗流路径.     

水力压裂冲蚀磨损对连续管剩余寿命影响研究

针对水力压裂中连续管内壁冲蚀磨损严重和连续管易失效的问题,基于液-固两 相流和冲蚀理论,建立了连续管内部砂砾冲蚀模型。采用Grant和Tabakoff模型求解砂 砾冲蚀速率,借助实验数据验证了CFD数值模型。利用该模型研究了连续管在不同弯曲 度、砂砾粒度、压裂液注入量、质量流量、压裂液粘度对连续管内壁的冲蚀特性。研究 表明:弯曲连续管比直连续管冲蚀磨损严重,且弯曲度对连续管内壁的冲蚀磨损影响较 大。随着注入量的增加,壁厚平均损失值和壁厚损失峰值呈现快速递增趋势。支撑剂固 体颗粒的粒度对连续管内壁的冲蚀磨损影响较大,粒度为40目时连续管冲蚀速率最大。 随质量流量的增加,连续管剩余寿命呈线性下降。随压裂液粘度的增加,连续管内壁冲 蚀速率总体呈现下降趋势。     

连续油管疲劳损伤的磁记忆检测试验研究

连续油管工作在大位移塑性变形条件下,受力复杂,工况恶劣。其破坏形式多种多样,尤以疲劳居多。根据连续油管的工作原理,利用磁记忆检测方法,进行连续油管全尺寸疲劳试验,研究连续油管在内压、轴向拉伸及弯曲等交变载荷作用下,疲劳破坏过程的磁记忆特征信号变化规律,采用区域积分面积-寿命关系曲线,分析大位移塑性变形下的连续油管疲劳损伤过程的磁记忆信号特征值的规律。试验表明:磁记忆特征值可以很好的描述连续油管疲劳损伤程度,为现场连续油管服役过程工作寿命及损伤程度的判定提供依据。     

基于节理塑性模型的页岩地层水平井井壁稳定性分析*

为研究层理页岩地层中水平井井壁失稳机理,基于流固耦合理论,考虑地层渗透率和强度各向异性,运用节理材料模型对水平井井周塑性失稳区域分布规律进行数值分析。结果表明:钻井液流体侵入导致井周孔隙压力分布呈各向异性,页岩水平井井周破坏形态为四角形状,且随时间增加逐渐向地层内部延伸形成剪切带;在考虑井壁渗透情况下,增大钻井液密度并不能显著改善页岩井壁失稳状况,加强钻井液封堵性对维护井壁稳定具有重要作用。     

超声波多普勒隔水管气侵监测系统设计与海上测试

为了研究超声波多普勒隔水管气侵监测测量原理的正确性和海上应用的可行性,开展了室内实验和现场试验。通过室内实验,得到了油基钻井液在不同含气情况下超声波多普勒信号与含气率之间的关系,验证了利用多普勒信号畸变进行气侵识别的有效性和适用性;通过开展陆上井现场试验,确定了隔水管气侵监测系统设计的关键参数,验证了超声波多普勒设备对大壁厚环空内部流动监测的可行性;设计并加工了隔水管气侵监测系统样机。通过在海上钻井过程中的实际应用,测试了监测系统的稳定性,得到了隔水管内部流动状态的监测信号,验证了隔水管气侵监测系统在海上现场应用的可行性。     

循环弯曲和内压作用下连续油管壁厚变化规律试验研究

连续油管作业期间,除受到循环弯曲载荷作用外,管内还常受内压作用,从而产生严重的塑性变形,会出现壁厚减薄和截面椭圆化,而大多数情况的疲劳裂纹都是源于壁厚减薄处。采用自制的连续油管疲劳试验机进行室内试验,模拟全尺寸连续油管在实际工况中受到的循环弯曲和内压作用,利用超声波测厚仪检测不同循环次数下的油管壁厚值。在300mm最大弯曲行程、20MPa内压下,连续油管壁厚变化率成抛物线下降趋势,得到壁厚变化率与循环次数拟合关系,可为预判连油管工作寿命提供依据。     

深水水下测试树球阀剪切连续油管性能分析

为研究不同工况、不同结构参数对于深水水下测试树球阀剪切连续油管性能的影响,采用有限元分析软件建立剪切分析模型,对不同工况下剪切过程进行数值模拟,并与试验对比验证分析模型的准确性;结果显示,有限元模型结果与试验结果相对偏差小于5%;油管剪切过程中会出现2个剪切力矩峰值,通过分析不同工况下2个峰值变化规律,发现油管承受拉力越大、球阀剪切速度越小、球阀外径越小剪切过程所需剪切力越小,剪切性能越好。研究结果表明:得到的剪切模型及不同工况下剪切力变化规律,可为水下测试树的设计选型及现场应用提供指导及参考意义。     

防喷盒聚氨酯胶筒密封性能及其主控因素分析*

为使连续管防喷盒密封胶筒满足深井、高压气井等工况的密封需求,基于有限元方法建立胶筒密封模型,以胶筒密封面上的有效接触应力作为密封性能的评估指标,研究胶筒的结构、材料和工况等参数对防喷盒胶筒密封性能的影响,明确防喷盒胶筒密封性能的主控因素。结果表明:井筒介质压力、胶筒硬度、胶筒与连续管的间隙和摩擦系数是影响胶筒密封性能的主要因素,且井筒介质压力增大,防喷盒胶筒的密封性能增强,当胶筒硬度为75,85 HA、间隙为1.5 mm、摩擦系数为0.1时,胶筒的密封效果更好。连续管的运动方向对胶筒的密封性能有影响,连续管的运动速度对胶筒的密封性能基本无影响。     

海上气井环空带压油套管柱动态安全评价技术

为了有效预测海上气井环空带压油套管柱潜在失效风险及安全管理环空压力,提出1种基于井口压力、温度和液位多参数监测的海上气井环空带压油套管柱动态安全评价技术。首先,结合气井生产状态参数和完井信息,建立气井井筒压力分布计算方法;然后,根据力学知识分析气井环空带压油套管柱应力场特点,进而提出利用环空带压井油套管柱安全系数作为油套管柱失效评价依据;最终,开发海上气井环空带压安全监测系统并开展现场案例井分析。研究结果表明:监测系统能够准确获取环空带压状态参数,通过环空压力状态变化分析阐述“A”环空带压机理为泄漏点处油套管之间压力平衡的保持;结合实际井口环空压力监测数据,井筒安全系数能够实时表征油套管柱安全状态。     

连续管复合裂纹的应力强度因子有限元分析

针对解析法计算连续管复合裂纹应力强度因子繁琐的问题,引入扩展有限元法（XFEM）进行分析。应用有限元软件ABAQUS计算不同裂纹角度对应的连续管Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型裂纹的裂尖应力强度因子KⅠ,KⅡ,KⅢ,分析了裂纹角度对应力强度因子的影响,并模拟得到了受单向拉伸载荷的连续管裂纹扩展的整个过程。研究结果表明:扩展有限元解与计算解很接近,验证了利用扩展有限元法计算复合型应力强度因子的有效性。随着裂纹夹角θ的增大,裂尖处KⅠ不断减小、KⅡ始终很小,可以忽略、KⅢ先增大后减小、总应力强度因子K不断减小。通过扩展有限元法计算出裂尖应力强度因子,可有效预测含裂纹CT80连续管的安全性。