极端条件下气井油套管端力学行为及其螺纹密封机理研究

项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

练章华

项目受资助机构

西南石油大学

项目编号

51574198

立项年度

2015

立项时间

未公开

项目级别

国家级

研究期限

未知 / 未知

受资助金额

66.00万元

学科

工程与材料科学-矿业与冶金工程-油气开采

学科代码

E-E04-E0402

基金类别

面上项目

关键词

多相流 ; 生产管柱 ; 压裂管柱 ; 套损 ; production tubing ; casing failure ; fracturing pipe string ; multi-phase flow

参与者

董事尔;陈浩;陈勇;刘永刚;林铁军;钟显康;张颖;张强;于浩

参与机构

中国石油天然气集团公司管材研究所;四川轻化工大学

项目标书摘要:世界现有的油套管特殊螺纹密封性能均不能可靠满足极端条件下“气井”密封性或强度要求。针对油套管在极端条件下气井复杂工况的服役环境,研究完井管柱静、动态力学行为及其对井筒密封完整性的影响,建立模拟极端条件下气井油套管端力学行为研究的力学数学模型,提出油管螺纹动态工作力学、螺纹密封面应力波传播及密封面动态损伤机理研究,以及压裂酸化、超高产对各井段不同外压、内压、拉伸、弯曲载荷下管端接头密封机理及其冲蚀、腐蚀机理研究。即本项目对气井油套“管端”开展基于弹塑性接触力学、松弛与蠕变、应力波传播、密封面接触疲劳损伤以及缺口敏感性的源头创新研究,最终形成一套极端条件下油套管端螺纹工作力学理论及其螺纹密封结构设计理论,研究成果对推动极端条件下气井油套管端力学的发展、气井井筒结构完整性、螺纹密封理论以及油气井工程学科的发展具有重大的科学意义。

Application Abstract: The metal to metal seal ability of premium connection available nowadays in the world could not fully satisfy the so called“the extreme conditions”gas wells not only in sealing but also for tensile strength.In view of the service environment of the complex work cases’tubing and casing under the extreme conditions in gas well,studies the static and dynamic mechanical behavior of the completion string as well as the influence on the seal integrity of the wellbore;establishes the evaluation methods of the erosion and corrosion of the gas well tubing and casing connections under the extreme conditions,by the study of the behaviors of the mechanics,researches the sealing performance of the connection influencing on the tubing material corrosion under the different out pressure,inner pressure,tension and bending when acidizing for each interval.This project pursues innovative research in such aspects as dynamic working mechanics,stress wave propagation at seal contact surface and its damage mechanics on sealing faces,the calculation and concept of permissible contact stress in corrosion environments.The research project is a cross linking of multidiscipline,which will take in relative theories of elastoplastic contact mechanics,creep and relax,stress wave propagation,fatigue damage of seal face contact and notch sensibility.The project will complete a suit of connection strength calculation,theories of thread working and sealing structure,which will push forward the advancement of connection mechanics,sealing ability and well bore integrity under the extreme conditions in gas wells.The achievements will be of scientific significant in well bore engineering.

项目受资助省

四川省

项目结题报告(全文)

世界现有的油套管特殊螺纹密封性能均不能可靠满足极端条件下“气井”密封性或强度要求。国内外有关油套管管端力学行为及其管端螺纹密封机理研究处于常规的或单一“极端条件”的研究,针对超深、超高温、超高产量以及超高腐蚀同时作用的“四超”气井油套管管端力学行为基础或机理研究的公开文献甚少。国外著名公司持续改进或推出管端新结构特殊螺纹扣,但是几乎不公布其依托或支撑的机理或设计理论。国内在该领域缺乏基础性研究,基于该背景提出了该基金项目的研究工作。针对“极端条件”工况,主要研究内容为:气井油管柱工作力学行为研究;气井管端螺纹工作力学及其密封机理研究;气井管端螺纹弹塑性及滑动接触力学的基础理论研究;管端螺纹气密封结构优化设计理论研究;高抗拉、抗压强度管端螺纹结构设计理论研究以及防止螺纹腐蚀泄漏的密封结构及表面工程理论研究。在国内外公开发表学术论文50篇,其中SCI收录17篇。出版学术专著1部,获授权发明专利5件,软件著作权1件。培养硕士、博士毕业共19名,培养中青年骨干教师6名。基于高温环境中的单轴拉伸蠕变试验,研究了油、套管的蠕变松弛力学行为,建立了高温环境下特殊螺纹扣主密封面接触应力松弛随时间变化计算模型;提出了为避免特殊螺纹主密封面的微振磨损机理;基于金属密封气体泄漏机理,建立了油套管特殊螺纹主密封面微观尺度下的气体泄漏理论模型,为揭示油套管特殊螺纹气密封失效机理、定量评价螺纹密封性能、优化密封结构设计奠定了理论基础;建立了特殊螺纹主密封面结构接触数值模型,提出了基于Bezier曲线理论的“极端”条件下气井油套管特殊螺纹主密封面密封结构设计方法。最终形成了一套极端条件下油套管端螺纹工作力学理论及其螺纹密封结构设计理论,该研究成果对推动极端条件下气井油套管端力学的发展、气井井筒结构完整性、螺纹密封理论以及油气井工程学科的发展具有重大的科学意义和应用前景。

  • 排序方式:
  • 11
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  • 1.冷弯薄壁C型钢双肢闭合拼合柱的极限承载力研究

    • 关键词:
    • 冷弯薄壁C型钢 双肢闭合拼合柱 极限承载力 组合效应 DSM 基金资助:国家自然科学基金项目(51574198); DOI:10.13204/j.gyjzG21070506 专辑:工程科技Ⅱ辑 专题:建筑科学与工程 分类号:TU392.1 手机阅读
    • 董事尔;杨博;张爱荣
    • 期刊

    为得到冷弯薄壁C型钢双肢闭合拼合柱的极限承载力的计算公式,采用有限条软件CUFSM以及直接强度法DSM计算得到单肢冷弯薄壁C型钢构件的极限承载力,并运用ABAQUS有限元分析软件计算出轴压作用下的冷弯薄壁C型钢双肢闭合拼合柱的极限承载力。通过对比不同截面几何参数下的单肢冷弯薄壁C型钢构件与冷弯薄壁C型钢双肢闭合拼合柱的极限承载力,分析得到各个参数对拼合柱组合效应系数的影响规律,确定出组合效应系数与两个重要参数的函数关系。采用1stopt拟合软件对大量已得到的组合效应数值进行回归分析,建立了冷弯薄壁C型钢双肢闭合拼合柱的组合效应系数简化公式以及极限承载力计算公式。

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  • 2.极端条件下气井油套管特殊螺纹管端力学行为及其密封机理研究

    • 关键词:
    • 特殊螺纹;极端条件;密封理论;蠕变松弛;接触力学;弹塑性力学;粘弹性力学
    • 张颖
    • 指导老师:西南石油大学 练章华
    • 学位论文

    本文在国家自然科学基金“极端条件下气井油套管端力学行为及其螺纹密封机理研究”(编号:51574198)的资助下完成。针对“极端”条件下气井油套管特殊螺纹金属对金属密封面结构特点,采用理论建模、试验研究和有限元仿真模拟三者相结合的方法,并根据弹塑性理论、粘弹性理论、蠕变松弛效应、时温等效原理、Hertz接触力学理论和Bezier曲线设计理论,对特殊螺纹气密封泄漏原理开展了系统的研究。为“极端”条件下油套管特殊螺纹气密封结构的设计和评价提供了理论依据。研究的主要内容和取得的成果如下:(1)在国内外油套管特殊螺纹的连接理论、密封理论、有限元法和试验研究现状的基础上,分析了特殊螺纹金属密封机理和气密封泄漏理论研究领域存在的问题及其发展的方向,并提出了研究思路和主要内容。(2)设计并开展了油套管材料高温条件下的单轴拉伸蠕变试验,测试了油套管试样在不同温度环境下、不同拉应力作用下的蠕变力学行为,研究了油套管材料的蠕变力学性能规律。并根据金属材料蠕变行为和松弛行为的内在联系,建立了油、套管材料的应力松弛数学模型,得到了温度和应力载荷作用对油套管材料松弛力学行为的影响规律。(3)基于油套管材料的蠕变试验结果,建立了油套管材料的粘弹性本构模型,获得了油、套管材料的松弛模量和Prony级数,并根据时温等效原理,获得了油套管材料的温度转换因子。建立了“极端”条件下气井油套管特殊螺纹主密封面接触应力松弛的有限元模型,得到了不同温度下,螺纹接头密封面上接触应力随时间的变化关系,为“极端”条件下气井油、套管安全服役时间预测以及油、套管选材提供了理论依据。(4)基于油套管特殊螺纹结构特征分析,建立了特殊螺纹主密封面静载荷作用下接触应力的力学模型和数学模型。考虑高产气井中油管柱受气流颠振,建立了特殊螺纹主密封面上接触应力的力学、数学模型,推导出了高产气井中特殊螺纹密封面上的能量耗散力学数学模型,并进行了密封面结构和油管所受冲击载荷对密封面接触应力影响的敏感性分析。提出了优化特殊螺纹面密封面结构,以降低高产气井中,油管颠振对特殊螺纹密封性能的影响。(5)基于金属密封微观泄漏理论,建立了气体通过特殊螺纹金属对金属主密封面的泄漏率理论模型,分析了特殊螺纹密封面平均接触压力、密封面粗糙度、密封面有效长度对气体泄漏率的影响规律,从而为揭示油套管特殊螺纹气密封失效机理、定量评价特殊螺纹密封性能、优化特殊螺纹密封结构设计提供理论依据。(6)建立了特殊螺纹主密封面结构的有限元模型,分析了不同密封结构下密封面上接触应力的分布规律,并基于密封接触能理论,指导和评价了特殊螺纹扣主密封面的结构设计。针对“极端”条件下气井油套管螺纹接头,提出了一种基于Bezier曲线理论设计的新型特殊螺纹密封接头结构,并利用有限元方法验证了该新型特殊螺纹扣密封接头具有良好的力学性能。(7)建立了深井、超深井油管气密封检测的数值仿真模型,分析了油管接头在不同下入深度和不同气密封检测压力下,油管接头Von-Mises应力分布规律,为预防深井、超深井接头螺纹断裂、密封失效提供理论指导。

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  • 3.基于案例分析的建筑垃圾资源化处理研究

    • 关键词:
    • 建筑垃圾 资源化 案例研究 半结构化访谈 政策 基金资助:国家自然科学基金重点项目(51574198):极端条件下气井油套管端力学行为及其螺纹密封机理研究,负责人:练章华; 专辑:基础科学 工程科技Ⅰ辑 专题:环境科学与资源利用 分类号:X799.1 手机阅读
    • 马猛亮;董事尔;张爱荣
    • 期刊

    建筑垃圾资源化处理是建筑垃圾减量化的重要途径,我国建筑垃圾资源化利用项目在建设和运营过程中逐渐暴露出许多的问题及风险。为解决这些问题,本文以案例分析的方式,利用系统动力学方法,对2个建筑垃圾资源化利用失败项目进行研究,从管理和政府政策的角度对项目利益相关者及宏观层面的深层次原因进行了分析。发现我国建筑垃圾资源化处理主要面临的四大问题,即建筑垃圾资源化立法少、处理标准低、政策的强制性弱和销售渠道窄等。对应这四大问题,提出具体的建议措施,指出在总体经济增长和技术进步的同时,政府政策对行业发展发挥着重要的作用,以期为更多的建筑垃圾资源化项目提供借鉴和参考。

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  • 4.Erosion - corrosion coupling analysis of shale gas production pipe

    • 关键词:
    • Gas extraction pipe; CO2 corrosion; Failure analysis; CFD simulation;Erosion;DEPOSIT CORROSION; CO2 CORROSION
    • Chen, Yong;Wu, Haochen;Chen, Yanjun;Li, Pengcheng;Wang, Qiliang
    • 《ENGINEERING FAILURE ANALYSIS》
    • 2022年
    • 138卷
    • 期刊

    Shale gas produced from wells contains free water, solid particles, and other corrosive substances, so shale gas production lines are at high risk of failure. The bending pipe of gas production in Shunan Gas Mine failed during service. In order to find out the causes of the failure of the bends and to provide technical support for the safe transmission of shale gas, Tensile testing machine, Vickers hardness tester, Charpy notch impact testing machine and metallographic microscope were used to test the mechanical properties and metallographic structure of the pipe sample material. The corrosion by-products were analyzed by scanning electron microscope, energy dispersive spectrometer and X-ray diffractometer. Finally, the Computational Fluid Dynamics (CFD) is used to simulate the erosion behavior of the curved pipe under different working conditions. The results show that the chemical composition, tensile strength, yield strength, hardness, impact performance and grain size grading of the gas bending pipe meet the relevant requirements. The corrosion by-product was identified as FeCO3 by the microstructure characterization analysis, energy spectrum analysis and XRD. The corrosion by CO2 was the main cause for perforation and pitting pits. CFD simulation results show that sand gas has obvious erosion phenomenon on the pipe wall, and with the increase of flow rate, the erosion rate of sand and gravel on the pipe sample increases, and the larger the particle size, the higher the erosion rate of sand and gravel on pipe sample. Combined with the erosion and corrosion results, it is concluded that the erosion of sand-bearing gas makes the inner wall material of the elbow fall off, accelerates the corrosion of CO3 on the pipe wall, and finally leads to the failure of the gas production elbow.

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  • 10.Investigation on tripping in magnetic generator in steam-assisted gravity drainage wells based on numerical simulation

    • 关键词:
    • Gasoline;Magnetism;Drainage;Horizontal wells;Infill drilling;Finite element method;Energy dissipation;Equivalent stress;Field application;Friction coefficients;Guidance technology;Horizontal section;Magnetic generators;Precise measurements;Steam-assisted gravity drainages
    • Chen, Yong;Su, An Qiao;Zhang, Jin Tao;Jia, Zong Sheng
    • 《Journal of Energy Resources Technology, Transactions of the ASME》
    • 2021年
    • 143卷
    • 8期
    • 期刊

    Magnetic Guidance Technology can meet the precise measurement requirements when drilling steam-assisted gravity drainage (SAGD) oil wells. Magnetic generator is a key part in the Magnetic Guidance Technology. When magnetic generator is tripped into horizontal well, pump pressure and passing capacity of the magnetic source generator in the curved section need to be analyzed. So, a mathematical model of tripping in the magnetic generator is established. If curvature radius, deviation angle, and friction factor are known, the forces acting on the magnetic generator in different positions could be calculated. The finite element (FE) results show that: (1) with depth increasing in the curved section, the equivalent stress on the magnetic generator increases in a fluctuating manner, the contact area, friction drag, and energy loss increase. (2) The greater the hole curvature, the greater tripping in force and the higher pump pressure are needed. The lower friction coefficient is favorable to tripping in the magnetic generator. (3) The friction between the magnetic generator and tubing wall in the horizontal section is much less than that in the curved section. Field applications have shown that the maximum downforce is close to the result of finite element analysis. The research results provide a reasonable reference basis for smooth running of magnetic source generators with different trajectory conditions.
    © 2020 by ASME.

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