井下作业油管环空防溢控制的理论与应用研究

论文摘要

环空防溢控制技术是解决带压起下井口控制的关键技术,也是目前国内外油田进行带压控制生产普遍使用的安全保障技术。防喷器是勘探开发高压油气田,实现带压起下井口控制,防止井喷事故发生和平衡压力钻井的关键钻井控井设备。在油田实际生产中,带压起下密封要求比较严格,而且原有的环空密封和内孔防溢控制技术已经不适应井口套压增高的生产现状,其关键部件、弹性密封元件——胶芯的特性研究对于解决带压密封技术难题,以及提高密封寿命、增强密封效果显得至关重要。过油管防喷器是油水井作业过程带压起下的井口防喷设备,它主要依靠弹性密封元件的密封作用来实现带压起下井口的控制。为了对过油管防喷器进行深入研究,建立起与实际结构一致的物理模型和符合有限元计算的有限元模型,以此为手段对胶芯进行结构仿真计算,寻找油管整体通过胶芯时的变形和接触压力变化规律。过油管防喷器在油管上下行程的密封过程中,密封胶芯承受着不同的控制压力作用,控制压力与密封压力的幅值变化,直接关系着胶芯密封质量和寿命,为探究胶芯疲劳破坏机理,需要获得系统控制压力对密封压力造成的影响与相互关系。用疲劳寿命理论对密封胶芯进行了疲劳寿命研究,根据理论计算结果对胶芯进行结构尺寸优化,以增大密封管径范围和提高整体密封质量。在实验室试验装置和油田数十口油井做了过油管防喷器带压过接箍试验,试验说明过油管防喷器这一环空防溢控制技术简便、灵活,是聚驱作业的一种有效措施,同时提高了作业井施工的环保水平。用有限元法对胶芯进行了计算和研究,计算结果为过油管防喷器胶芯寿命提高、成本节约和改型设计提供了理论指导,对油田现场生产具有很大的实际意义。模糊可靠性优化方法属于拓宽优化设计应用范畴,它能建立一种既能保留系统的复杂性、模糊性,又能正确描述系统可靠性和真实状态的优化模型,克服了常规优化设计的不足。本文根据胶芯带压密封起下井下管柱的工作特点,考虑应力与强度的随机性与模糊性,建立密封胶芯模糊可靠性优化设计的数学模型,采用最优化水平截集法完成求解,最终获得了符合要求的最优解。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 环空防溢控制的理论及防喷器发展概况
• 1.2.1 国外发展概况
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 环空防溢控制技术及井控设备发展趋势
• 1.3.1 国内外技术水平对比
• 1.3.2 我国防喷器系统设备发展展望
• 1.4 研究问题的提出
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 井下作业油管环空防溢控制技术研究
• 2.1 外围压裂管柱内孔控制技术
• 2.1.1 外围压裂管柱的投堵技术
• 2.1.2 外围压裂水力锚及配套工具的研制
• 2.2 作业井油套管环空控制技术
• 2.2.1 过油管防喷器系统组成
• 2.2.2 过油管防喷器系统工作原理
• 2.2.3 过油管防喷器结构
• 2.3 井下作业环空防溢控制技术关键环节的设计计算
• 2.3.1 过油管防喷器胶芯筒体的强度计算
• 2.3.2 过油管防喷器壳体强度计算
• 2.4 小结
• 第三章 过油管防喷器胶芯的密封特性研究
• 3.1 有限元法概述
• 3.2 过油管防喷器的建模
• 3.2.1 几何模型
• 3.2.2 有限元模型与参数确定
• 3.3 密封胶芯的装配与前处理
• 3.3.1 胶芯与油管的装配
• 3.3.2 有限元计算前处理
• 3.4 密封胶芯接触压力计算
• 3.4.1 密封胶芯非线性计算
• 3.4.2 接触压力分析
• 3.4.3 位移（变形）分析
• 3.5 防喷器壳体的有限元计算
• 3.6 小结
• 第四章 过油管防喷器胶芯的疲劳寿命计算与试验研究
• 4.1 橡胶物理机械性能与疲劳
• 4.2 影响橡胶复合材料疲劳寿命的因素
• 4.3 帘线-橡胶复合材料疲劳寿命主要研究方法
• 4.3.1 橡胶材料在周期载荷下的粘弹性
• 4.3.2 橡胶疲劳机理的研究
• 4.3.3 裂纹形成寿命的研究
• 4.3.4 断裂力学研究方法
• 4.3.5 疲劳寿命图研究法
• 4.3.6 损伤力学研究方法
• 4.4 过油管防喷器密封胶芯的疲劳寿命计算
• 4.4.1 建立事件
• 4.4.2 疲劳计算与S-N 曲线
• 4.4.3 计算结果与疲劳破坏机理
• 4.5 井下作业油管内孔与环空防溢控制试验研究
• 4.5.1 调研与试验背景
• 4.5.2 试验的技术指标
• 4.5.3 试验前期准备
• 4.5.4 试验配套工具及组装过程
• 4.5.5 实验室试验
• 4.5.6 现场试验
• 4.6 小结
• 第五章 过油管防喷器胶芯的结构优化设计
• 5.1 优化目标
• 5.2 约束条件
• 5.3 优化过程求解
• 5.3.1 胶芯长度与密封性能的关系
• 5.3.2 定义事件
• 5.3.3 定义设计变量
• 5.3.4 定义约束
• 5.3.5 优化结果
• 5.4 优化后胶芯的有限元计算
• 5.4.1 优化后胶芯密封油管本体计算
• 5.4.2 优化后胶芯密封油管接箍计算
• 5.5 小结
• 第六章 基于模糊可靠性理论的胶芯优化设计
• 6.1 优化设计中的可靠性与模糊性
• 6.1.1 可靠性与模糊性在优化设计中的地位
• 6.1.2 模糊可靠性模型与模糊优化模型
• 6.2 模糊可靠性优化理论
• 6.2.1 具有模糊约束的单目标模糊优化
• 6.2.2 非对称模糊优化的水平截集法
• 6.2.3 模糊可靠性优化
• 6.3 过油管防喷器胶芯的模糊可靠性优化设计
• 6.3.1 胶芯模糊可靠性优化设计的数学模型
• 6.3.2 隶属函数与模糊可靠度的计算
• 6.3.3 模糊可靠性优化设计的求解
• 6.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 附录
• 详细摘要