压裂管柱及关键部件弹塑性接触非线性力学研究

【摘要】水力压裂是油田增产增注的有效技术手段，封隔器的有效座封、水力锚的可靠锚定及压裂管柱的安全作业是水力压裂实施的保障。本文选择封隔器、水力锚以及压裂管柱为研究对象，采用理论分析、数值模拟、试验等方法，对刚体与柔性体的接触、不同硬度刚体间的嵌入、管柱与井壁的轴向摩阻与剪切等问题进行了研究，具有重要的学术价值和良好的工程应用前景。首先由拉伸压缩试验比较三种橡胶材料的拉伸强度、压缩永久变形率，优选出适于高温条件的氢化丁腈橡胶材料，测试其在不同温度下的弹性模量。以试验机作为胶筒一端压缩动力源，以压力传感器测试胶筒另一端的压力，得到胶筒压缩过程中与套管的摩阻力，以应变片测试套管外壁的环向应变，得到接触应力沿胶筒轴向分布规律。胶筒座封性能实验表明在胶筒与套管的摩阻力会影响胶筒的座封位置及发生肩突的胶筒。其次，以压缩封隔器胶筒为研究对象，考虑胶筒与套管内壁在座封过程中柔性体与刚体的间隙与不定接触边界，将胶筒压缩变形划分自由变形、单向约束、双向约束三个过程，建立了大变形胶筒与套管的弹性接触力学分析模型。采用离散法将胶筒沿轴向划分为若干微段，通过载荷增量方法来分析任一微段受力变形，推导出能够描述压缩胶筒材料、几何和接触三重非线性力学分析的递推和增量计算公式，得出胶筒在不同压力沿轴向的接触压力和整体压缩量，为封隔器设计提供科学的理论依据。采用Mooney-Rivlin模型，对不同结构的封隔器在启封、座封工况下进行受力变形分析，计算了有单保护罩、双保护罩、双保护罩且支撑环改形等结构，几种不同结构的封隔器胶筒压缩距基本相同，在完全座封状态下的肩凸程度逐渐减小；密封系数比逐渐增大。由此可以看出，有双保护罩且支撑环改形的封隔器密封性能最好，胶筒肩凸最小。再次，考虑套管的弹塑性变形及滑移线，建立了有摩擦、无摩擦两种工况下锚爪嵌入套管的弹塑性接触力学分析模型，推导了锚爪嵌入套管深度的计算公式。依据完全剪切滑脱条件，计算了单个锚爪的锚定力，为水力锚的设计提供理论基础。建立了锚爪锚定有限元模型，采用增量切线刚度法和拉格朗日乘子法，实现了材料与接触双重非线性迭代计算。通过室内压缩实验测试锚爪在不同压力下嵌入套管深度，与理论分析计算结果相符。最后，选择整体压裂管柱为研究对象，依据下井、初始座封、压裂等工作状态，建立了压裂管柱的力学模型与非线性静力学分析的有限元单元法。采用了间隙元、弹簧元来模拟计算封隔器、水力锚的轴向摩阻力与轴向锚定力，推导出多组工具的轴向摩阻力与位移协调条件，依据迭代计算结果，能够描述井下管柱的受力和变形状态。编制“压裂管柱受力变形分析软件”，计算出插入式压裂管柱的水力锚、封隔器和滑套喷砂器在压裂压力为83MPa，温度为150℃的轴向摩阻力，对一次、二次压裂作业进行了安全评价。
【作者】李治淼；
【导师】刘巨保；
【作者基本信息】东北石油大学，油气田地面工程，2014，博士
【关键词】压裂管柱；封隔器；水力锚；弹塑性接触；弹簧元；

【参考文献】
[1]张君亮.选择性钉棒系统内固定配合腰背肌功能锻炼治疗腰椎间盘突出症的临床研究[D].黑龙江中医药大学,中医骨伤学（专业学位）,2013,硕士.
[2]张文静.农产品物流质量安全多维码组合追溯系统研究[D].北京交通大学,2014.
[3]白琳琳.运动目标视频监测方法的研究[D].西安科技大学,控制工程,2014,硕士.
[4]胡志超,王海鸥,彭宝良,田立佳,计福来.国内外花生收获机械化现状与发展[J].中国农机化.2006(05)
[5]徐巍华,陈特欢,许超,谢磊,王史春,方小生.基于虚拟仪器的非稳态流管道参数辨识[J].南京理工大学学报,2014,01:22-26.
[6]邱智勇,陈建民,朱炳铨.基于IEC61850标准的500kV三层结构数字化变电站建设[J].电力系统自动化,2009,12:103-107.
[7]张晓敏.普契尼歌剧中不同类型女高音的演唱风格研究[D].沈阳音乐学院,音乐学,2013,硕士.
[8]彭红超.一种基于视觉的网页分割技术及应用研究[D].华中师范大学,教育技术学,2014,硕士.
[9]詹芬萍.论我国会展企业发展的战略选择[D].华侨大学,2005.
[10]邓世琪,黄晓强,杨鑫,徐刚,沈鸽,韩高荣.钙钛矿结构钛酸铅四方板状颗粒的水热合成及表征[J].功能材料,2014,10:10143-10147.
[11]俞雪霞.我国国有企业社会责任的困境研究[D].南京大学,行政管理,2013,硕士.
[12]齐长永.SPF级大、小鼠生产规范化管理要素及实践[D].南京农业大学,兽医,2012,硕士.
[13]丛方杰.基于水基和复杂适应理论的北方沿海城市水资源可持续利用研究[D].大连理工大学,2008.
[14]金宏,惠伟.DPA和1-MCP对气调贮藏富士苹果采后生理的影响[J].淮南师范学院学报,2014,03:31-35.
[15]贾伟建,张克峰,张茜雯,王永磊,李梅.分级共聚气浮处理引黄水库水效能及机理研究[J].水处理技术,2015,04:99-103.
[16]王星龙.边境反蚕食斗争舆论战的使用研究[D].重庆大学,传播学,2014,硕士.
[17]胡雪萍,刘洪霖,陈念贻,张可伟,徐荣军.自平衡人工神经网络算法及其在硅钢生产优化中的应用[J].冶金自动化,1996,01:38-40.
[18]吉益民.二价动核句语序的认知研究[D].福建师范大学,汉语言文字学,2004,硕士.
[19]谯钧.基于DCT的鲁棒性和半脆弱性图像水印算法研究[D].西北师范大学,计算机技术,2013,硕士.
[20]白凡凡.浙江大学网络授课系统的设计和实现[D].浙江大学,2002.
[21]周霞.毛泽东推进马克思主义大众化思想研究[D].中南大学,马克思主义理论,2014,博士.
[22]胡鹭展.H公司生产线员工绩效考核体系设计[D].厦门大学,工商管理,2014,硕士.
[23]包文强.铁路车站值班员工作负荷研究[D].西南交通大学,交通运输工程,2012,硕士.
[24]许文信,史定华,陈化成.故障树分析的新方法[J].自动化学报,1983,01:8-16.
[25]王泉水,姜桂泉,张侃,李楠.自适应温度控制仪[J].冶金自动化,1991,03:24-28+63.
[26]LEDINHVU（黎廷武）.光学生物传感的某些新方法研究[D].湖南大学,2013.
[27]何季玲.瑶族服饰研究综述[J].南宁职业技术学院学报,2014,03:20-23.
[28]张旭.低品位铁矿资源开发利用问题研究[D].中国地质大学（北京）,地质工程,2014,硕士.
[29]费俊俊.中国居民收入差距的时序特征及效应研究[D].安徽大学,西方经济学,2013,硕士.
[30]张念.草鱼池塘浮游动物群落结构特征及与池塘环境关系的研究[D].华中农业大学,渔业资源,2014,硕士.
[31]彭明龙.建筑产品价格探讨[D].重庆大学,建筑与土木工程,2003,硕士.
[32]淦文燕,李德毅.基于核密度估计的层次聚类算法[J].系统仿真学报,2004,02:302-305+309.
[33]王蕙.大理白族佛教乐舞形态及本土化[D].云南艺术学院,少数民族舞蹈史,2014,硕士.
[34]滕予非,王锡凡,宁联辉,宋卓彦.分频输电系统交—交变频器触发脉冲实时生成方法[J].电力系统自动化,2010,23:76-81.
[35]陈巨辉.基于大涡模拟—颗粒二阶矩的两相流动与反应数值模拟[D].哈尔滨工业大学,2013.
[36]周立丰.光涡旋偶极子的衍射特性分析[D].山东师范大学,光学,2013,硕士.
[37]刘达志.宽带高速跳频电台收发信机的研制[D].西安电子科技大学,软件工程,2011,硕士.
[38]张冬森.历史教师集群共进方式的实践研究[D].广西师范大学,学科教学,2013,硕士.
[39]苏远秀.基于主相位一致性的虹膜识别技术研究[D].华中师范大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[40]冯艳红.基于Android平台社区服务系统研究与实现[D].宁波大学,电子与通信工程（专业学位）,2014,硕士.
[41]姚耀富.江苏成立石墨烯产业创新联盟[J].功能材料信息,2013,04:43.
[42]冯慧敏.《隋史遗文》研究[D].渤海大学,中国古代文学,2013,硕士.
[43]苑益军,周芝旭,牛滨华,王焕弟,刘爱香.浅谈地震资料处理中的提高信噪比处理技术[J].石油地球物理勘探,2005,02:168-171+120-121+252.
[44]葛梁妍.包头市志愿服务组织的现状[D].内蒙古师范大学,社会工作（专业学位）,2012,硕士.
[45]高志文.一般模糊极小极大神经网络的改进及应用研究[D].宁夏大学,应用数学,2014,硕士.
[46]杨静.基于价值工程的船用柴油机成本控制研究[D].江苏科技大学,工业工程（专业学位）,2014,硕士.
[47]李鹏举.丹巴变电站滑坡特征及综合整治措施研究[D].西南交通大学,交通运输工程,2014,硕士.
[48]程圣军,刘家锋,黄庆成,唐降龙.基于样本条件价值改进的Co-training算法[J].自动化学报,2013,10:1665-1673.
[49]成婷.路企直通运输车流组织优化研究[D].西南交通大学,交通运输规划与管理,2013,硕士.
[50]谢运昌,陈觉民,孙仁初.工业炉残氧分析的节能效益[J].冶金自动化,1982,06:14-19.