气体钻井中钻柱力学性能及冲蚀实验研究

由于在破岩过程中受到冲击，气体钻井中的钻柱产生了交变应力，而钻柱旋转加剧了交变应力的变化，同时气体携带岩屑对钻柱产生冲蚀，加速了钻柱的失效。钻柱主要失效形式为疲劳断裂，这跟钻柱所受应力大小及变化密不可分，因此，开展气体钻井过程中钻柱力学性能和冲蚀研究，掌握钻柱应力变化规律及岩屑对钻柱的冲蚀规律，是减小和防止钻柱失效的基础工作，对增加气体钻井过程中的安全性和降低钻井成本有十分重要的意义。通过使用一种已开发出的可同时模拟气体钻井钻具振动和冲蚀的装置，进行了不同钻具组合情况下，气体钻井钻柱同时受振动和冲蚀实验。实验结果表明，气体钻井过程中，配置扶正器将使钻柱所受交变应力值变化范围降低40% 以上，扶正器和减振器的配合使用将使交变应力值变化范围下降50%，因此，扶正器和减振器的配合使用，将大幅降低钻柱所受交变应力，并延长交变应力作用周期，从而降低钻柱失效的概率。     

热失控状态气液两相的锂离子电池建模及修正方法研究

锂离子电池在应用过程中因滥用而发生热失控现象,导致电池内部产生大量气体,传统的固液两相模型难以准确描述热失控机理。针对以上问题,以18650电池组为研究对象,构建气液两相的锂离子电池模组的电化学-热耦合模型,研究了热失控气体对锂离子电池内部应力、温度、电解液浓度的影响规律,同时利用COMSOL Multiphysics 5.5软件进行了有效性验证和理论模型修正。研究结果表明,锂离子电池热失控气体对电池内部应力、温度、电解液浓度有着明显的正反馈影响规律。内部应力的理论修正值与仿真值峰值均在相近时刻出现,且误差为0.04 MPa,计算精确率提高了80%。电池内部温度到60℃左右时发生热失控,产生的热失控气体在内部温度升高到160℃时被点燃,640 s时达到最高仿真温度,修正温度分别为177、172℃,热失控气体产生的热点现象是影响电池包内部的温度分布不均的主要原因。电解液浓度理论修正值和仿真值从1 200 mol/m³同步下降至837 mol/m³,形成气液两相流,电解液与电极材料反应和分解造成了电解液浓度降低。     

预裂裂纹对岩石试件应力分布及变形规律的影响

为了得到岩石预裂裂纹的最佳长度,基于Griffith强度理论,通过FLAC3D数值仿真软件进行模拟实验,研究预裂裂纹长度分别为0 mm、20 mm、50 mm、80 mm、110 mm和140 mm 6组岩石在剪切实验中的变形及其应力分布规律.实验结果表明:当预裂裂纹长度小于80 mm时,岩石在X方向上的位移分布不均匀,应力在裂纹周围影响范围较大;当预裂裂纹长度大于等于80 mm时,岩石在X方向上的位移分布逐渐均匀,裂纹尖端应力集中逐渐增大,但应力集中影响范围大幅度减小,说明随着预裂裂纹长度不断增大,岩石强度显著降低.最终得到岩石预裂裂纹的最佳长度为岩石长度的53%～73%.     

煤制气再燃降低NOx排放的研究

利用煤气化产生的合成气作为气体再燃燃料降低NOx的排放.选取了两种典型的空气气化和纯氧气化的煤制气作为再燃燃料,通过理论分析与数值模拟探讨了再燃区温度、再燃区停留时间及再燃燃料比例等因素对降低NOx排放的影响规律.结果表明,煤制气的再燃脱硝能力,随着温度的升高而加强,在高温时,煤制气的脱硝能力比较强;随着再燃区停留时间的增加而加强;随着再燃量的增加而增强,在相同再燃量的情况下,两种煤制气的还原效果大约相差5%,差距不大.     

湍流乙烯扩散火焰中碳黑的数值模拟研究

以德国航空航天中心湍流乙烯扩散火焰为对象,基于k-epsilon湍流模型和稳态扩散火焰面结合假定概率密度函数(PDF)模型,研究了Moss-Brookes和Moss-Brookes-Hall碳黑模型中不同氧化组合方式以及碳黑成核速率常数C_α对碳黑浓度分布和温度的影响。其中,辐射模型基于球谐函数法(P1)和灰气体加权和模型(WSGG)。研究结果表明:在Moss-Brookes和Moss-Brookes-Hall碳黑模型中FJ-equilibrium、Lee-instantaneous两种氧化组合方式能够较好地预测乙烯扩散火焰的碳黑分布位置,默认的碳黑成核速率常数C_α会过高地预测碳黑浓度,随着C_α的减小碳黑浓度减小,修正碳黑成核速率常数C_α后能准确预测碳黑浓度和温度分布。     

改善井底流场能够提高钻速

自从喷射钻井技术广泛应用以来,人们一直在研究如何充分利用喷射钻头在井底获得的岑力功率,,以获得更好的钻井经济效益。本文介绍了喷射钻头井底流场液流流向、井底排屑量和井底液流压力的试验研究方法及其应用。研究表明,由于井底流场的不完善而形成的涡旋、回流和滞流区是造成岩屑在井底重复破碎,影响井底净化效率的重要因素,改善喷射钻头的井底流场,最大限度地减少这些因素的影响,能够更好地发掘喷射钻井技术的潜力,提高钻井速度,降低钻井成本。     

ZL116铝合金真空吸铸的有效应力分布预测与控制

为了减少铸件在真空吸铸凝固成型过程中可能出现热裂等缺陷,课题组采用有限元分析软件ProCAST 对ZL116铝合金铸件的 温度场和应力场进行数值模拟,分析了在温度场和应力场下浇注温度、换热系数以及模具壁厚对铸件最大有效应力和铸件中心有效应力的影响;对铸件内部有效应 力分布进行了预测,并进行了实验验证。结果表明：在浇注温度为700 ℃,换热系数为5 000 W/(m·K),并且模具壁变厚时,可以有效地降低铸件的最大有效应力, 铸件中心的有效应力也得到减小;同时铸件内部的有效应力能够均匀分布,减少热裂倾向,得到质量良好的铸件。     

气体钻井井下燃爆分析

与常规钻井相比,气体钻井在提高机械钻速、发现和保护油气藏等方面优势明显,由于负压钻进时,地层流体极易进入井筒,地层产出的可燃气体和氧气混合后具有燃烧、爆炸的潜在危险,容易发生严重的灾害性事故,在气体钻井应用中往往需要充分预测和评估钻遇气层的危险程度并提前采取应对措施。结合气体钻井实际施工情况,简要介绍了气体钻井过程中井下燃爆方面的研究进展,分析了气体钻井过程中可燃气体发生燃爆的条件。并从混合可燃气体组成、温度、压力,以及惰性气体含量等几个方面,展开论述了爆炸极限的主要影响因素。依据经验公式计算了某井气体钻井过程中可燃气体爆炸极限的变化情况,得出可燃气体下限值随井深增加略有减小,可燃气体上限值随井深增加明显增大的结论。结合该井实际施工情况,验证了计算的可靠性,可以看出氮气钻井过程中的氧含量安全范围很窄（2.43%4.20%）。     

热管式甲醇制氢反应器温度分布的模拟研究

选用单速率反应动力学模型,基于Fluent软件建立热管式甲醇制氢反应器模型,对反应器内部温度的分布进行 了数值模拟。并研究了进口气体温度对反应器床层温度分布和甲醇转化率的影响。结果表明：将热管应用于甲醇制氢 反应器中可以改善反应器床层温度分布的均匀性;在一定范围内提高进口气体温度有利于床层温度的均布和甲醇的转 化率的提高。     

深水钻井钻遇水合物地层井壁稳定性研究

深水浅部地层钻井过程中易钻遇天然气水合物,由于其易分解的特性,使得水合物层在钻井过程中极易出现井壁失稳。本文通过Abaqus有限元软件,建立了考虑水合物分解的多场耦合井壁稳定模型,分析了钻井时间、钻井液温度、海水深度对井壁稳定的影响。结果表明:钻井工程的扰动会导致水合物的分解,造成地层强度降低,增加井周的塑性屈服区域,引发井壁失稳;随着井眼钻开时间的增加,这种不稳定性会进一步增大;井壁的不稳定程度随钻井液温度增加非线性增加。井底压差一定时,海水深度越小,井眼周围地层的井壁不稳定性越大。因此,在实际的深水钻井过程中,选择水深更大方位进行钻探更利于维持水合物层井壁的稳定。     

气体钻与泥浆钻全井段钻柱动力学对比研究

全井段钻柱在井内运动过程是一个非常复杂的非线性动力学问题，不可能得到比较完美的解析解，如果采用室内试验或者现场试验研究，其成本又会很高且很难实现。因此，在弹塑性力学、岩石力学和钻柱力学的基础上，以四川某井基本钻井参数和钻具组合为依据，采用有限元法建立了塔式钻具钻至1486m井深时的全井段三维钻柱模型和相应的井筒模型，并且建立了钻头与岩石以及钻柱与井筒之间的随时间变化且有摩擦系数的接触关系和相对应的泥浆钻井模型，对比分析了钻柱在动态钻进过程中的井口参数、钻头上压力和转动速度以及全井段钻柱的弯矩扭矩变化等结果，得出气体钻井与泥浆钻井全井段钻柱的运动规律以及钻铤失效机理的差异。为认识气体钻井全井段钻柱的运动规律提供了新的研究方法，对气体钻井中钻柱力学、井斜控制和设备等方面的研究都有较好的现实意义。     

基于小波变换的随钻测试数据降噪方法研究

为消除随钻测试装置采集信号中的噪声,给工程人员提供准确的现场信息,提出了基于小波变换的方法对随钻测试数据进行降噪处理。首先,根据含噪声的随钻测试数据模型建立起小波变换降噪的基本流程。其次,在对含噪信号的小波变换特性分析的基础上,运用自相关函数对其在小波变换尺度空间中进行白噪声检验,确定小波最优分解层数。在分析对比小波降噪阈值的不同选取方式后,采用广义交叉确认理论来计算最优降噪阈值,从而在对信号降噪的同时还最大程度地保留了信号的有效特征成分。最后给出了基于该方法小波变换的随钻测试数据降噪的详细步骤,对实测的钻压和扭矩数据进行了小波降噪,取得了良好的降噪效果,为钻井工程后续分析提供了可靠的数据支撑,证明了本方法的优越性。     

贝尔油田希 11-72 井区注空气室内实验研究

油藏水驱油效率低，为驱难动用储量。通过室内实验，研究该井区注空气开发的可行性。结果得出注空气能够提高驱油效率。当注入 15 个 PV 时，空气驱油效率为 57.14%，而水驱只有 34.95%。通过细长管空气驱低温氧化实验和燃烧管空气驱高温氧化实验，发现驱替过程中氧气被大量消耗，发生了低温氧化，贝尔油田希 11-72 井区南二段油层可以采取注空气驱。     

储层应力的二次分布及其对储层的损害

储层打开后,由于原地应力平衡的破坏,井眼周围应力将重新分布。当储层胶结强度较低时,近井带存在塑性区。由于塑性区的存在和钻井过程中泥浆滤液及固相颗粒侵入的双重作用使近井带的渗透率很低,并将地层分为具有不同渗透率的三个带,即损害带(含塑性作用)、塑性带和弹性带。在测试、生产过程中由于地层流体的流入将增大塑性带宽度,从而加剧对储层的损害。临界流量与损害带的渗透率、地层的胶结强度成正比,与产出流体的粘度成反比。塑性带的宽度随流量的增加而增加,随胶结强度的增加而降低。     

低渗透气藏应力敏感性及其变形机制研究

低渗透气藏岩性致密、渗流阻力大、压力传导能力差，地层压力的下降会对渗透率造成伤害而影响气井产能。目前，一般通过室内物理模拟实验评价储层应力敏感性。以吉林油田龙深气藏为研究对象，从储层岩石硬度、裂缝分布、粘土矿物含量以及含水饱和度等方面进行了实验研究，结果表明该气藏具有较强的应力敏感性，储层岩石存在较强的泥化现象，粘土矿物含量高是产生应力敏感的主要原因，形成了储层岩石变形的规律性认识。为了降低应力敏感带来的危害，应用了降低粘土矿物膨胀程度的压裂液进行体积压裂，优化了合理的生产压差，新井试气结果理想。研究结果为该类气藏的合理开发提供了有力的技术支撑。     

矩形薄板热屈曲时的平面温度应力问题

利用差分法,对处于温度场中的矩形薄板进行应力分析和热屈曲分析,从而得出矩形薄板受温度场作用时的应力分布.     

钻进过程中井壁稳定性动态分析

现有的井壁稳定研究大多都属于静态的研究，并且将岩石近似为力学性质恒定的各向同性体，所得出的结论相对于钻井工作这一动态过程中所出现的真实情况会产生一定的误差。根据Mohr-Coulomb强度准则推导出的钻井液安全密度窗口计算公式，得到了适用的钻井液密度安全范围，然后利用有限元分析中的单元生死技术，模拟了钻井工程中井眼延伸和钻井液向地层渗透进而形成泥饼和污染带的过程，并将模拟得出的结果与理论计算出的钻井液安全密度窗口相结合，研究了在动态条件下更符合真实钻井过程的井壁应力变化规律。     

复合片斜镶角对钻头钻进性能的影响

为提高复合片钻头的钻进性能,利用车削实验模拟不同斜镶角的复合片钻头在钻进时与岩石的相互作用,研究复合片斜镶角对钻头钻进性能的影响。实验设定了5 组不同的斜镶角,在正压力和摩擦路程不变的条件下,分别测得复合片的体积磨耗,并从力学角度以及有限元分析两方面对复合片斜镶角影响钻头钻进性能的原理进行了分析论证。结果表明,在相同力的作用下,随着斜镶角的减小,一方面复合片切削刃各相同位置的应力增大,另一方面复合片的体积磨耗增大,钻头使用寿命减短。可见,复合片切削齿的斜镶角存在一个最优值。