针对井眼状况、作业管柱结构、修井液性能、套磨铣施工参数等维度,分析了套磨铣作业对套管损伤机理,建立了套磨铣作业设计方法,开发了套磨铣作业管柱力学分析及参数优化设计软件,实现了井眼轨迹计算、管柱力学分析、扭矩及拉力计算、套

针对同井注采系统井下封隔锚定失效检测困难且时效性差,造成生产及能源浪费的问题,研究了一种井下油管封隔锚定松脱预警方法,并开发了相应的同井注采系统封隔失效检测装置。通过检测井口套管应变以及受力状况,推导油管受力情况,从而分析判断井下封隔锚定装置的工作状态。基于WIN CE嵌入式操作系统开发了便携式油管封隔锚定失效预警检测仪器,以12V蓄电池作为能源,在井口套管贴应变片组成惠斯通电桥,以此测量井口套管应变,利用油管封隔锚定失效预警检测仪器采集并记录井口套管应变数据,通过对比井口套管应变历史数据,即可判定井下油管锚定工作状况。在对30口同井注采井的长期监测中,发现4口井的坐封载荷远低于坐封时加载的载荷,判定这4口井属于封隔锚定失效井,这与实际情况相符。现场测试结果表明该仪器可以及时预警井下封隔锚定装置松脱故障,有效指导生产,提高经济效益。

现阶段,我国大部分油田进入高含水、高含气开采期。电潜泵作为常用的采油设备,适用于高含水油井,但不适用于高含气油井。传统的离心电潜泵在输送气液两相流时,气体会在叶轮流道内产生聚集,气液容积比较高时可能发生气锁,导致泵效下降甚至无法工作,故而只能泵送气液比小于10%的井液。为了提高电潜泵的混输性能,进一步拓宽其应用工况,本文针对Q10型电潜泵叶轮叶片进行开缝设计,将叶片在高含气位置处断开,形成喷射间隙,分析研究了新型电潜泵输送两相流时的外特性和内部流场规律,对提高电潜泵效率、增加油田开采后期油气井的产量具有重要的理论指导意义。以Q10型电潜泵为研究对象,对其叶轮叶片进行改进,然后基于流体动力学理论,建立新型电潜泵的流体域,利用ICEM进行网格划分,确定流体动力学模型与计算方法,利用CFD流体仿真软件CFX对原型和新型电潜泵进行单相流以及气液两相流的模拟,对比分析新型电潜泵与原型电潜泵的外特性以及内部流动特性。然后,模拟多种含气量工况以及转速工况下新型电潜泵内气相体积分数、压力场、速度场以及叶片载荷的瞬态分布规律,并且在叶轮流道内设置多个监测点来观察流道区域内气相体积分数、压力以及速度的变化规律。通过分析模拟结果,得到以下结论:在设计流量工况下,新型电潜泵效率提高了22.2%,且其叶轮叶片平均载荷比原型电潜泵叶轮叶片平均载荷降低了33.55%。新型电潜泵在不同含气量工况以及不同转速工况下,其气相体积分数分布较为均匀,全流域内气相体积分数差范围在-0.005~0.005之间,所以流道内不会出现严重的气液分离现象和气体聚集现象,因此具有开缝叶片的新型电潜泵更适用于举升气液比30%以上的流体。而原型电潜泵叶轮流道内有明显的高含气量气体聚集现象。新型电潜泵叶轮流道内各监测点处的压力值呈周期性震荡变化规律,在不同转速工况下,在同一位置截面同一监测点处,随着转速的增加,这一点处波动围绕的定值减小,但波动幅度增大。新型电潜泵叶轮流道内各监测点处的速度值在0.05s后呈周期性波动。在不同含气量工况下,在同一位置截面,叶轮流道内各监测点的速度变化趋势并没有随气相体积分数的增大而发生变化。新型电潜泵导轮流道内,等气相体积分数线分布、压力场分布、最高速度值以及涡流现象的强弱呈现一定的周期性,通入流体中的气相体积分数的变化只是改变了其周期。本文对电潜泵叶轮叶片进行设计,形成开缝叶片,为离心泵的改型提供了新的思路,而不仅仅只是局限于改变叶片数量以及进行长短分流叶片设计,且证明了具有喷射间隙的开缝叶片能够提高电潜泵的混输性能。

密封是一种用于防止介质微粒从接触面泄露的设备或措施,随着液压系统逐步向高压化发展,动密封系统泄露风险提高,需要通过分析计算来确认密封结构性能参数。传统手段对密封圈摩擦磨损性能的分析仅限于磨损量,不能详细描述动密封结构表面磨损特性。对于航空液压作动器的高压、高速工况,难以通过实验获得摩擦磨损特性,而在橡胶密封结构仿真这样的大应变问题中,局部单元可能因应力、应变过高而失效。本文将对密封结构在多工况下的摩擦磨损特性进行研究,进一步揭示动密封磨损机理。本文基于艾查德模型、库伦摩擦定律及穆尼瑞林橡胶本构模型构建通过材料特性、工况参数来分析计算动密封结构摩擦磨损性能的计算模型,分析了O型密封结构与VL型密封结构在不同工况下的摩擦磨损特性,分析了格莱圈密封在工作温度变化影响下的摩擦磨损特性,总结包括压缩率、介质压力、相对滑移速度、温度等各单一变量对动密封结构磨损特性的影响,并对VL密封结构进行了改良。分析结果表明:对于O型密封、格莱圈密封与VL密封,其累计磨损量与磨耗速率,和压缩率、介质压力、相对滑动速度均为正相关;对于O型密封,介质压力提升会导致接触面出现磨损集中区向背压侧移动,整体磨损减轻,但接触面积增大导致密封效果减弱,在15MPa工作压力作用下、压缩率在5%至10%之间时,累计磨损率与各节点的磨耗速率变化小,压缩率、介质压力增大时同步产生的接触面积增大会减小密封效果的提升效率。VL型密封相较于O型密封,承受工况改变的能力更强,同等工况下的磨损程度更轻;向心径向加速度能够减轻密封机构磨损。离心径向加速度会加重密封机构磨损,并破坏密封结构稳定,VL密封所受影响更严重,介质压力较低时所受影响更严重;介质压力大幅提升会导致接触面出现第二磨损集中区,整体磨损减轻,密封效果减弱;在VL型密封中,相对移动速度过快可能导致密封结构翻转,适当提高介质压力可避免该情况。格莱圈密封结构则能够兼顾密封结构稳定与磨损量减小。对于格莱圈密封,温度升高时,磨损量增大,磨损集中位置向背压侧唇口移动。重力加速度对三种密封结构的影响一致,密封结构形态发生变化,整体向重力施加方向变形,累计磨损量峰值和磨耗速率峰值的变化量与施加重力加速度的大小呈正比例关系,密封的磨损量的集中位置保持不变。针对VL密封分析中出现的问题,将O型环缩小,在L型环中预留更多O型环形变空间。对改进后的VL型密封结构进行仿真分析,其受力云图呈纺锤型,对O型环形变应用更加充分。且在高速、低压工况下不易发生翻转,适应工况能力更强。本文研究成果完善了多工况下液压动密封结构磨损特性的摩擦磨损机理,提供了一种能描述接触面磨损特性的仿真方案,为动密封机构优化设计提供了理论指导。

针对我国油田抽油机井系统效率低和能耗大的问题,首先对进油阀的结构、开启程度、流量系数、流体过阀流动形态划分及阀球直径进行计算分析,确定进油阀球直径为38. 1mm。然后建立了抽油泵进油阀实体模型和流体域模型,结合有限元仿真技术,对抽油泵阀隙流进行了数值模拟,分析了流量、液体黏度和密度等因素对液体过阀流动规律的影响,采用二元线性回归方法得出进油阀流量系数与雷诺数、泵阀开启程度的函数关系。研究结果表明:进油阀球室越高,开启程度越大,流体阻力压降损失越小,但当泵阀开启程度大于0. 8时,对流体过阀流动性能的影响很小,因此球室高度只需限制开启程度略大于0. 8即可,即球室高度不小于阀球直径的1. 25倍。研究结果可进一步推动抽油泵泄漏理论的研究,也可为抽油泵的结构改进和效率提高提供理论依据。

潜油电泵用旋转式气液分离器具有分离效率高、结构紧凑等优点,并广泛应用于含气油田油井的开采。利用CFD技术对分离器内流流道进行了数值仿真,获得了气体分数在流场内的分布情况,以及压力场和速度场,结果表明CFD计算结果很好地诠释了气液分离器的分离机理和内流道两相流的流动情况,为分离器的优化设计和改型设计提供了一种科学的计算工具。

目前,我国大部分油田的产液都是含蜡原油,大部分原油中的蜡质占比均在20%以上,其中大庆油田的产液含蜡量高达28.44%。油井结蜡会造成诸多不利影响,如致使产量降低、损坏采油设备甚至影响采油生产工作,油井结蜡已成为各大油田亟待解决的问题。特别是无杆抽油方式,由于缺少抽油杆的往复运动或旋转运动的搅动作用,油管结蜡更加严重。传统清防蜡技术如机械刮刀清蜡、热洗以及化学清防蜡技术等都存在着或多或少的缺陷。因此,急需设计一种方便使用,安全可靠,防蜡效果好,针对无杆泵抽油井的清防蜡技术和装置。叶轮式旋流防蜡装置以叶轮作为核心部件,通过空心杆连接,由电动机驱动并依靠皮带传动带动空心杆旋转,对井液产生增速的效果,并产生螺旋流,同时更加紊乱的流动能使蜡分子更加均匀地分散在油流中,可有效阻止形成油壁蜡浓度梯度。导流叶轮安装在井下的易结蜡位置,按不同疏密度的不均匀方式布置在油管内。作为物理清防蜡技术的一种,它继承了机械清蜡技术的优点,同时又类似化学药剂能够破坏油流中蜡晶的微观结构。该项技术避免了使用机械刮刀时可能遭遇的损坏设备、化学及微生物清防蜡技术的成本高和实施难度大、热洗造成的环境污染和油井恢复期长等难克服的问题,并具有成本低、适用不同产液的油井等优点。装置的设计工作是通过对叶轮式旋流防蜡装置进行几何参数和工艺参数对装置性能影响的讨论而完成的。基于计算流体力学和轴流泵相关的设计理论对该装置的叶轮部分进行了设计,具体内容包括使用软件对装置进行建模以及绘制网格,使用ANSYS CFX设计叶轮的直径、进出口角、长度、叶片数以及叶片厚度等叶轮参数;在工艺参数上,通过使用CFX和OLGA软件进行仿真,完成了对装置的转速、叶轮安装位置和叶轮间距的设计。完成上述工作后进行了装置的现场投放实验,通过测量使用该设备运行30天的油井参数变化判断装置的防蜡性能,并对其进行了热洗实验。实验结果表明,这种叶轮式旋流防蜡装置不但能够减缓蜡沉积的发生,增大的井液流速使其具有了增油的属性,而且能够完成热洗工作,且洗井效果良好,这大大简化了热洗工艺,降低洗井成本。作为一种新型物理式清防蜡装置,它集中了多种传统清防蜡技术的优点于一身。该装置能够有效降低开采成本,保护采油设备,延长洗井和检泵周期,同时为油井清防蜡技术和设备的研究提供了新的思路和方向。

中国油气资源品位呈劣质化趋势,主力老油田普遍进入特高含水期,油田进入到深度精细开发的新阶段。高校和油气生产企业联合技术攻关,开展了精细化、智能化分层注采工艺技术研究,研制了注采生产调控系统,提升了油气生产全局洞察、优化决

天然裂缝或层理等弱界面的剪切破坏是体积压裂裂缝网络形成的关键因素。利用数字散斑相关技术,通过三点弯曲构建了Ⅰ型裂缝经过弱界面时的扩展特性实验,获得了试件表面位移场和应变场的变化规律。实验结果表明:Ⅰ型裂缝扩展至弱界面层后,裂缝发生短暂停滞扩展,裂缝尖端张开位移迅速增加,Ⅰ型裂缝尖端钝化,弱界面剪切应变迅速增加,裂缝由Ⅰ型裂缝转变为Ⅰ--Ⅱ复合型裂缝并转向扩展。

滑片泵作为石油化工行业成品油输送的重要设备之一,可以有效地解决卸槽卸油过程中存在的问题。然而常规滑片泵一旦转速和工作压力提高,就会出现效率下降、产生剧烈振动和噪音等问题,使得现有的滑片泵都局限在低转速、小流量的应用范围。针对普通滑片泵的种种问题,引入流体动力学理论,对高压旋转叶片泵的水力结构进行优化设计,建立设计泵的流体域模型,利用专业泵流体仿真软件对原型泵和设计泵的流体力学模型进行数值模拟,对比两种泵的模拟结果并加以分析,验证设计泵的优越性,总结多种工况下设计泵瞬时流量曲线、容积效率以及气相体积分数等水力性能参数的瞬态分布规律。分析结果表明:经过结构优化设计,设计泵容积效率提高了30%,且泵内空化体积分数大幅下降至1.6%。新型滑片泵在不同工况下,流体气相分布相对平均,泵内没有出现气体聚集。在同一截面位置,随着转速的增大,内部流道内气体体积分布呈周期性变化规律。随着泵内流体气相体积分数的增加,气体体积分数分布范围逐渐呈指数型增长,空化现象逐渐加重,更易发生汽蚀。当流体气相体积分数增至20%以上时,设计泵内气体体积分布瞬态规律发生显著变化且不易判断,对滑片泵的检修造成不小的困难。研究成果为同类型滑片泵的结构优化及性能提升提供了理论依据,经过结构优化设计的新型滑片泵具有优良汽蚀性能,高效节能的特点,这既符合成品油输送泵的发展要求,又能助力油田高效生产。