摘要：【目的】煤层气废弃井中水泥塞封堵质量是防止井内污染物泄漏的关键。现行煤层气废弃井处置标准中的注水泥塞方式为简单的泥浆泵注,该方法形成的水泥塞存在水泥颗粒团聚、气泡和微孔隙等问题,导致水泥塞强度降低,易失去密封性能。【方法】针对该问题,将振动技术应用于煤层气废弃井封堵作业中,通过专用工具带动管柱振动,依靠振动能量的传递,改变水泥浆流性以提高水泥塞封堵质量。基于Euler-Bernoulli梁理论及Hamilton变分原理,充分考虑非线性因素,建立了封堵作业中管柱-水泥浆系统三维非线性耦合振动控制模型,采用Lagrange函数和三次Hermite插值函数对管柱系统进行离散,利用Newmark-β法计算并分析了管柱在水泥浆条件下的振动特性;并搭建了机械振动试验测试平台,通过正交试验,研究了振动频率、振动时间以及振动幅值三因素在不同参数组合条件下对水泥石力学性能的影响,得到了最佳振动参数,并进一步研究了单因素对水泥石力学性能的影响规律。【结果和结论】结果表明:(1)考虑纵横耦合效应后,管柱自身由线性结构变为非线性结构,加载使其振动固有频率明显增大,并与振型一起实时变化,在一定时间后变化呈现周期性。(2)管柱长度与振动固有频率成反比,管柱越长其振动固有频率的变化量越小。(3)管柱-水泥浆耦合效应对振动固有频率的影响显著,在水泥浆存在的情况下,管柱系统的振动固有频率均降低,随着水泥浆密度的增加,管柱振动的固有频率降低。(4)机械振动可以使水泥浆体系更加均匀致密,表现为水泥石强度得到极大提升,当振动频率为15 Hz、振动时间为5 min,振动幅值为3 mm时,相比于未振动工况,水泥抗压强度提高38.45%、抗拉强度提高24.14%,胶结强度最大提高52.9%。研究结果可指导封堵工具振动参数的设计,为现场施工参数的确定提供参考,提高水泥浆性能以提高封堵质量,具有工程指导意义。

摘要：为研究井壁崩落形成椭圆形井眼后套管受力情况,在弹性力学理论的基础上,结合复变函数方法建立了非均匀地应力作用下椭圆形井眼内套管-水泥环-地层组合体应力模型,根据应力边界条件与位移单值条件得到了系统各界面处应力分布的半解析解;并探究了井眼椭圆度、水泥环弹性模量和泊松比对套管外壁径向应力与Mises应力的影响。研究结果表明:与圆形井眼相比,椭圆形井眼能减小套管所受最大应力,降低应力非均匀度;高泊松比、低弹性模量水泥环也有利于减小套管受力。研究成果对井壁崩落段地层钻井液密度、套管规格选取和固井水泥性能设计具有重要的指导意义。

摘要：用试验手段对深水钻采管柱进行力学行为模拟，以获得管柱的受力变形规律，对于保证各种钻采管柱的可靠性以及深水钻采作业的安全性具有重要意义。为此，研制了能够模拟深水条件下管柱力学行为的特殊试验装置——深水管柱力学模拟试验系统。该系统可以模拟0～3000m水深的海洋环境，可对被试验的管柱施加内外压及轴向力载荷，配备相应的附件后能实现横向力及转矩的加载。该装置具有加载压力高、响应及时、内部拆装空间大、操作简单、数据采集可靠等优点。

摘要：建立了深水井测试及生产过程中井口处产生的热膨胀力与井口抬升量力学模型,结合具体井身结构计算了井口热膨胀力与抬升量,并分析了各层套管水泥浆返高与温度变化对井口热膨胀力与抬升量的影响。结果表明:井口处产生的热膨胀力远大于剪切销钉的承载力,很容易造成剪切销钉剪断,从而导致井口抬升;表层套管水泥浆返高对井口抬升量的影响最大,生产套管影响最小,各层套管的水泥浆返高对井口总膨胀力均无影响;随着各层套管温度的升高,井口总热膨胀力及井口抬升量均线性增大。可为水下井口设计和测试及生产过程中的参数设计提供理论依据。

摘要：越来越多的海上油田步入开发中后期,储层压力衰减严重,致使产量递减率大,严重影响油田开发效益。注水开发是补充地层能量保障油田稳产的最佳手段。针对海上油田出砂严重及大注入量需求问题,研究了一种适用于海上注水井的大通径分层防砂工艺管柱,通过管柱关键工具的优化设计,使得防砂管柱全通径由Ф120.65 mm提高至Ф152.4 mm;分层注水管柱中心管由Ф88.9 mm增大至Ф114.3 mm。该管柱可以提高单井的最大注水量,解决海上油田存在的井口压力受限导致注水量受限和无法满足油藏配注要求等问题,同时也利于后期的修井、弃井作业,为分层防砂工艺管柱设计提供参考。

摘要：建立了带浮力块深水钻井隔水管安装过程力学分析模型,采用ABAQUS有限元软件对带浮力块的深水钻井隔水管在安装过程中的静态力学性能进行分析,研究了浮力块配置方案、浮力系数、浮力块长度和浮力块外径对隔水管横向变形及应力的影响。研究结果表明,深水钻井隔水管安装过程中危险截面始终位于隔水管与浮式钻井设备连接处;浮力块与隔水管裸单根宜采取交错布置的方案;隔水管安装过程中产生的横向变形与危险截面处的应力均随浮力系数、浮力块长度与浮力块外径的增大而增大;超过一定水深后隔水管Mises等效应力随水深增加呈线性减小。

摘要：深层高温高压油气井完井测试管柱的安全可靠对于确保深层油气的安全高效开发具有重要意义。考虑测试过程中的温压变化、管柱端部约束及屈曲摩阻等因素综合影响,建立了测试管柱受力分析模型,开发了深层高温高压气井完井测试管柱力学分析软件,对新疆顺南地区某井测试管柱进行了温度压力分析、受力变形计算和力学强度校核,揭示了该井完井测试管柱失效的原因。结果表明:利用开发的软件能够较为准确地分析高温高压井测试管柱所处的温压环境,并能对其进行受力变形分析和强度校核,可用于工程实际;该井测试管柱表面受到的局部腐蚀损伤和产生的裂纹会使管柱强度降低,是导致其失效的主要原因;该地区高温高压井中腐蚀对管柱力学强度的影响应给予特别重视。该研究可为高温高压井完井测试管柱优化设计及安全控制提供理论依据。

摘要：黏滑振动严重影响钻柱系统的寿命,延长钻井周期,危及工作人员的安全。针对在钻井工程中由线性扭矩负载和摩阻负载共同作用引发的黏滑振动问题,从影响参数着手分析黏滑振动的抑制规律。首先根据钻柱系统二自由度集中质量模型,考虑钻头与地层间相互作用,建立钻柱系统运动微分方程;然后根据运动微分方程,结合Simulink计算框图,讨论了扭矩、转速、钻头摩阻扭矩以及刚度系数对钻柱黏滑振动特性的影响;最后设计试验平台,在其他参数不变的情况下,针对转速、钻柱与井壁间的摩擦阻力(钻头扭矩)、钻柱刚度系数(钻柱长度)对黏滑振动的影响展开试验,进一步验证理论研究和计算机模拟的正确性。研究结果表明:转速、钻柱与井壁间的摩擦阻力(钻头扭矩)和钻柱刚度系数(钻柱长度)为黏滑振动的主要影响因素;增大顶驱转盘转速、增加钻柱刚度系数、减小钻头摩阻扭矩,可以抑制黏滑振动现象。研究结果对抑制钻柱黏滑振动有一定的借鉴意义。

摘要：深水表层连续钻进送入工具(Cam Actuated Drill-Ahead,CADA)是表层导管喷射安装过程中的核心工具,其安全可靠性对于确保深水导管喷射安装顺利进行具有重要意义。介绍了CADA工具的结构组成和作业原理。针对CADA工具在服役过程中的作业流程与所受载荷,对CADA关键部件的力学特性进行数值模拟分析和参数敏感性讨论。结果表明:在CADA工作过程中,锁环Von Mises应力最大值出现在开口斜后方约45°的齿端部;凸轮筒螺纹Von Mises应力最大值出现在其与芯轴衬套接触最上端螺纹的根部,该应力值随凸轮筒运动先增大后减小,且与凸轮筒所受轴向力存在较强的线性关系;密封部件Von Mises应力的最大值随水深增加逐渐增大;密封圈密封性能随橡胶预压缩量增大呈现先增大后减小的趋势。研究结果对CADA的优化设计具有指导意义。