摘要：法兰连接是石油天然气钻采井控装备中常见且至关重要的连接形式,不仅实现了设备间的稳固连接,还为内部介质与外部环境的隔离提供了必要的密封保障,其连接的可靠性在很大程度上依赖于密封垫圈的性能表现。基于参数化建模设计,结合重要抽样方法、有限元仿真及随机搜索算法,系统分析不同结构垫圈的性能响应空间分布特性,并提出一种高效的垫圈自动化设计方法。结果表明:垫圈的性能响应空间呈现出高度碎片化且非线性的分布特征,难以归纳出明确的规律;通过自动化设计优化后的垫圈,满足密封性能要求,其强度相比原设计提升了21.56%。

摘要：深水表层导管是深水油气钻井与生产的重要通道,是水下井口装置的主要持力结构,表层导管下入深度直接影响到水下井口的稳定性以及海上作业安全。基于表层导管基本功能和主要安装方法,针对不同海底的土力学特性,开展了钻入法和喷射法安装表层导管适应性及选择方法研究。基于油气井表层导管垂向受力分析,揭示了表层导管及上部井口载荷与表层导管外表面摩擦力之间关系,建立了钻入法和喷射法表层导管合理下入深度模型。从油气井表层导管横向受力分析出发,揭示了井口载荷、表层导管尺寸、表层导管钢级壁厚、表层导管出泥高度对水下井口稳定性影响规律,建立了水下井口出泥高度设计方法和计算模型。表层导管下入深度计算方法已在中国南海水深300~2619 m的几十口深水井得到成功应用,该研究成果支撑了这些油气田的钻完井安全高效作业和后期油气生产安全运行。

摘要：压缩空气储能作为一项新型物理储能技术,利用模型预测控制可降低热力成本、提高能源利用效率.为实现压缩空气储能系统的温度控制,分析了压缩空气储能系统中的换热器系统、热能存储系统和盐穴储气系统的热力学特性,建立压缩空气储能系统的集中参数和分布参数耦合系统模型.设计耦合系统的模型预测控制策略,针对控制器中复杂约束优化求解问题,提出了基于Cayley-Tustin变换的离散化方法,提高了压缩空气储能系统控制精度.仿真结果表明模型预测控制可避免天气变化引起的干扰,可以有效提高压缩空气储能系统热能利用.

摘要：为提升水射流破碎开采天然气水合物效率,设计一种旋转空化射流喷嘴。首先,基于ANSYS FLUENT 19.0计算流体力学软件建立收缩-扩张型空化射流及旋转空化射流三维数值模型,对比分析射流速度场、压力场及气相分布的发展规律。然后,通过水合物二次合成的方式,提出一种天然气水合物沉积物试样冲蚀孔深及孔径定量表征方法。最后,基于自主设计研制的天然气水合物生成及空化射流冲蚀可视化实验装置,进行收缩-扩张型空化射流及旋转空化射流冲蚀天然气水合物沉积物室内实验,测试旋转空化喷嘴性能。研究结果表明:旋转空化射流扩散性强,轴心线速度衰减快,径向与切向速度大,卷吸掺混能力强,破碎面积大;旋转空化射流的“负压”分布范围及极值较收缩-扩张型空化射流大幅度增加,具有更强的空化初生能力及空蚀效应;2种射流中气相分布具有相同的周期性,旋转空化射流本身具有旋转速度,在剪切层内形成了大量包含空化泡的旋涡和空泡群,空泡群产生联动效应提升了射流的空蚀能力;旋转空化射流冲蚀水合物沉积物形成的孔深及孔径分别是收缩-扩张型空化射流的2.5倍和2.0倍,在扩孔效应的基础上,空蚀效应伴生的高温、高压及微射流特性破坏水合物沉积物的骨架,降低了破坏门限压力,获得了更佳的冲蚀效果。该研究可为空化射流钻径向水平井+筛管完井一体化方法开采天然气水合物提供理论依据。

摘要：针对石油天然气管道完整性管理应用中,现有智能清管器通过性较差,聚氨酯泡沫清管器无法实现智能检测的问题,提出将力传感器搭载在泡沫清管器上,设计一种既能对管道进行变形检测又具备泡沫清管器良好通过性的新型泡沫智能清管器。通过力学性能理论分析和标定装置的试验验证发现:该泡沫清管器能感应管道变形数据,在变形量小于1/2传感器埋深时变形检测结果呈良好线性关系;采用内外层密度相同的清管器结构检测灵敏度不受传感器初始位置影响,可增加传感器埋深提升系统可靠性;采用内高外低的清管器结构可以通过减小传感器埋深和增大内层泡沫密度提升检测灵敏度,但应注意结构改变对检测系统可靠性的影响。该新型泡沫清管器可以实现变形的快速检测和定位,减少前期清管次数,节省成本;同时由于泡沫清管器的良好通过性,可以提升清管作业的安全性。

摘要：为提升高压水射流破碎开采天然气水合物的效率,优化设计一种旋转空化射流喷嘴。利用计算流体力学方法探究不同叶轮数、叶轮加旋角度、入口速度和出口围压对旋转空化射流特性的影响规律,对比分析旋转空化射流和收缩-扩张型空化射流的流场分布规律、涡旋特性及天然气水合物沉积物的破碎特征。研究结果表明:叶轮加旋角度对旋转空化射流的影响明显比叶轮数的影响大,叶轮数及叶轮加旋角度的优化值分别为3个和360°;在喷嘴结构固定的情况下,提高入口速度能获得空蚀及射流冲蚀能力更强的旋转空化射流,而围压升高则会弱化流场中空化云的初生与发展;旋转空化射流因兼具正向冲击、径向张力及周向剪力和“梭形”空化云特点,较收缩-扩张型空化射流有更优的破岩效果;叶轮旋转效应所产生的中心涡使得旋转空化射流的涡结构更加复杂,流场中更易形成“负压”区以提升射流的空蚀能力。

摘要：海上穿梭油轮在深远海及海上边际油田的石油外输系统中担任着重要角色,其路径规划决定着整个石油外输系统运输效率。海上原油运输方式占整个原油运量的80%,为提高原油公司市场竞争力、降低其海运成本,对穿梭油轮船队的合理设计及路径的调度优化至关重要。近年来,学者更注重于研究建立一种与环境共生的、能促进经济和消费生活健康发展的绿色物流系统。基于此,提出一种穿梭油轮路径绿色调度优化模型。该模型以最小化穿梭油轮的航运总成本为目标,其中航运总成本由传统的固定运输成本与碳排放有关的可变成本两部分组成。所提模型还同时优化了穿梭油轮船队设计以及航行路线规划。通过案例分析及方案的成本对比,验证了航行速度选择对穿梭油轮航运成本的重要作用。

摘要：临界失稳压力是耐压圆柱壳体结构设计和工程应用的关键参数,本文整合了前人的假设条件,通过微元法推导了圆柱壳失稳的应变—位移几何关系,继而应用静力学法求得了圆柱壳的最小失稳波数及对应的临界失稳压力。建立了同时考虑初始几何缺陷和材料非线性的圆柱壳体屈曲分析数值模型,得到的圆柱壳最小失稳波数与理论计算结果相同,临界失稳压力的数值结果与理论结果基本吻合,两者偏差随圆柱壳长径比的增大而减小。案例分析结果显示,与前人理论模型相比,本文理论模型给出的临界失稳压力更加贴近试验结果,但在圆柱壳长径比为1的情况下,理论计算结果与试验结果有一定的偏差,还有待进一步研究。

摘要：水合物储层具有疏松、弱胶结或未胶结的特点,其骨架颗粒更细,这些因素导致在开发过程中水合物储层出砂问题更加复杂、严重,而出砂问题一直是制约水合物商业化开采最严重的挑战之一。根据南海神狐海域天然气水合物储层的特性,设计开展水合物出砂及其相关实验,探究水合物储层出砂规律,从而实现合理预测出砂量,为指导水合物开采中的有效防砂措施奠定基础。利用自主搭建的多场多尺度耦合实验平台,开展岩芯驱替出砂实验,使用核磁共振仪实时监测出砂过程中岩芯内部孔隙分布和结构变化,并及时收集产出砂,分析围压和流量对出砂速率和出砂的影响作用规律。基于水力侵蚀理论建立水合物储层出砂模型,根据出砂实验结果对模型参数进行反演。结果表明,水合物储层出砂主要受水流流速的影响,水流流量越大,出砂速率和出砂量越大;同时其出砂量与流量成线性相关,可以通过该出砂模型对出砂量进行有效预测。

摘要：由于聚合物材料的黏弹性,柔性立管内衬层易发生蠕变而"嵌入"至骨架层沟槽中,这一现象可能造成立管结构完整性缺失和骨架层撕裂等安全隐患,但现有的分析理论及有限元模型中,对材料的性质均是做了简单的线性假设,并未考虑聚合物材料的非线性黏弹性特性。基于PA11的试验测试结果,分别采用时间硬化非线性本构模型和考虑时温影响的多重积分非线性本构模型来表征材料性质,并对比两种模型与试验数据拟合情况。根据内衬层与骨架层的真实结构建立二维有限元数值模型,采用两种理论模型进行结构的非线性蠕变行为分析及对比。结果表明:非线性蠕变本构模型能够在在非稳态阶段和存在温度梯度的条件下,更加准确地预测的结构关键部位应变和应力,可为柔性立管内衬层的设计及评估提供借鉴和参考。