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水下节流阀多参数冲蚀分析

水下节流阀多参数冲蚀分析

作者：孟健豪中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

水下节流阀是水下采油树不可或缺的一部分,起到调整生产单位的产出速度与控制流量的作用,并且能够操控油气井的开工与关闭。节流阀的工作环境极差,作业时处在高压状态下。携带砂粒高速流动的液体会对节流阀造成冲蚀,节流阀失效的首要原... 详细信息

水下节流阀是水下采油树不可或缺的一部分,起到调整生产单位的产出速度与控制流量的作用,并且能够操控油气井的开工与关闭。节流阀的工作环境极差,作业时处在高压状态下。携带砂粒高速流动的液体会对节流阀造成冲蚀,节流阀失效的首要原因即为冲蚀。本文基于冲蚀和计算流体力学相关理论,创建不同结构的节流阀流体区域模型。综合考虑各个冲蚀相关的理论,选择最适配于节流阀冲蚀模拟的数值模型,根据计算结果获取了节流阀体具体的冲蚀数值以及冲蚀特性。针对影响节流阀冲蚀的三类参数,即开度、流动参数和结构参数,主要从以下几个方面开展研究工作:(1)创建节流阀流体区域模型并进行网格划分。根据计算流体力学的控制方程与离散相控制方程,在Fluent里采取标准k-epsilon湍流模型,经模拟运算获得了节流阀的流场分布特性与阀内冲蚀特征,在此基础上展开全面分析。(2)创建20个开度不同的节流阀模型分别进行运算,从而探究节流阀的流场分布和冲蚀结果因开度而改变的特征。最终取得了阀体内部各个位置流体的压力、速度、平均冲蚀率与最大冲蚀率受开度影响的特性。以此提出节流阀现实作业时适宜的开度范围。(3)采用控制变量法研究流体的流动参数对节流阀冲蚀的影响。分别研究了流体速度、液体含砂量以及砂粒颗粒直径这3个流动参数,每个流动参数均进行5组冲蚀模拟的对比,最终得出最适宜水下节流阀工作的流动参数及其现实工况。(4)建立14个不同结构的节流阀模型,探究节流阀的结构参数对阀体流场分布和冲蚀的影响。包括进口管段的直径、出口管段的直径、节流孔的数量和节流孔与水平面的夹角这4个结构参数,每个结构参数进行4或5组的冲蚀模拟对比,据此提出了节流阀设计的优化建议。

关键词：水下节流阀冲蚀分析开度流动参数结构参数

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高压流体控制元件的冲蚀分析及改进设计

高压流体控制元件的冲蚀分析及改进设计

作者：左彩灵长江大学

学位级别：硕士

近几年来,随着石油储备资源越来越少,开采难度不断增加。在压裂过程中,经常会出现活动弯头等管件因冲蚀破坏而产生的刺裂、爆裂等质量问题。究其原因主要是产品的强度和冲击韧性不足。所以本文针对目前高压流体元件在使用中所存在的问题... 详细信息

近几年来,随着石油储备资源越来越少,开采难度不断增加。在压裂过程中,经常会出现活动弯头等管件因冲蚀破坏而产生的刺裂、爆裂等质量问题。究其原因主要是产品的强度和冲击韧性不足。所以本文针对目前高压流体元件在使用中所存在的问题,对具有代表性的活动弯头进行了冲蚀分析及结构的改进设计。本文总结了目前比较有说服力的几种冲蚀磨损理论,并分析了各自的优缺点及适用范围。结合压裂管汇的实际工况,确立了受液固两相流冲蚀的活动弯头的冲蚀磨损机制。归纳了影响活动弯头冲蚀率的主要因素,可分为四个方面：(1)颗粒性质：包括粒子的密度、形状因子、大小、破碎性等;(2)靶材因素：包括材料的成分、力学性能和组织结构等;(3)流体因素：包括流速、颗粒质量流量、粘度等;(4)环境因素：包括温度、压力及介质的性质等。并详细介绍了各因素对冲蚀磨损的影响规律。本文根据高压活动弯头受冲蚀作用的特点,建立了液固两相流的CFD数学模型。包括基本控制方程、湍流模型、离散相模型和冲蚀计算模型。基本控制方程主要包括三个守恒方程,即质量、动量和能量守恒方程;FLUENT软件中的比较常用的湍流模型主要有两大类：k-s模型和k-ω模型。根据各湍流模型的特点及适用范围,本文所研究的高压活动弯头的冲蚀分析是液固两相流,属于湍流流场,所以主要采用标准k-ε模型,并进行相关处理。本文对活动弯头的冲蚀分析属于含少量颗粒的湍流流动,所以采用离散相模型。离散相模型可以直接对颗粒进行跟踪,可以分析出粒子间的受力状况,以及离散相与连续相之间的相互作用。本文冲蚀模型采用FLUENT软件中提供的冲蚀模型。该理论认为冲蚀率的大小与材料、颗粒的质量流量、冲击角度及冲击速度相关。本文通过数值模拟的方法,分析了压裂液对活动弯头的冲蚀作用,以及各种因素对弯头冲蚀规律的影响。分别从弯头角度、流速、颗粒的质量流量、冲蚀角度、颗粒直径、颗粒密度、弯径比、液体粘度以及颗粒形状因子等方面进行了分析。得出以下结论：弯头的外弧内壁是受冲蚀作用最严重的区域;随着弯头角度的逐渐增大,最大冲蚀率逐渐减小,冲蚀面积往出口方向发展;在流速一定时,最大冲蚀率位于弯管65°～75°附近,与已有文献结论一致;弯头的最大冲蚀率随着流速的增加呈指数增加,符合关系式ε=K·v”;弯头的最大冲蚀率随着粒径、颗粒密度的增加而增大,随着弯径比、液体粘度的增加而减小;颗粒形状因子对冲蚀率也有影响,形状因子越小,即颗粒越尖锐,冲蚀率越大。本文根据冲蚀分析的结果和活动弯头在使用中出现的破坏形式对弯头的壁厚和滚道部位进行了结构的改进设计。(1)对壁厚的改进：将GB 50253-2003输油管道与ASME B31.1-2004压力管道弯头的壁厚设计方法进行了对比,根据环向应力分布图可知,ASME B31.1-2004的设计公式比较合理。最终将管体壁厚由等径截面改为不等径截面,在满足内壁受力的条件下,适当地增加外壁厚,从而增加弯头部分的使用寿命;(2)对滚道部位结构的改进设计：在常规等径直面滚道结构的基础上设计了三种结构,即改进的两台阶不等径滚道结构、改进的两台阶等径滚道结构、改进的三台阶不等径滚道结构,并通过ANSYS软件对这四种不同结构的弯头进行了应力分析,对比分析结果发现：改进的三台阶不等径滚道结构受力情况最好,改善了连接部分的受力状态,最大应力与常规结构相比减小了33%,从而提高了活动弯头的强度。本文通过CFD数值模拟,分析了活动弯头在不同压裂工况下的冲蚀磨损机理,研究结果对于丰富冲蚀磨损机理、理解材料冲蚀规律、改善管汇的安全运行状况,提高设备的安全可靠性、指导压裂过程等具有巨大的理论意义和工程意义。另外,根据对高压流体控制元件冲蚀分析,进而对活动弯头进行了结构的改进,改善了受力状况,大幅提高了活动弯头的强度,从而延长了其使用寿命。

关键词：活动弯头冲蚀分析影响因素结构改进

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连续油管水力喷射压裂管柱受力及冲蚀分析

连续油管水力喷射压裂管柱受力及冲蚀分析

作者：许文艺中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

连续油管水力喷射压裂技术是一种新型的水力压裂技术,集合了连续管技术、水力喷射压裂技术的特点,具有作业周期短,起下钻次数少,无需机械封隔和射孔工具,可实现压裂和水力喷射射孔联作,一趟管柱可以进行多段压裂的优点。连续油管水力喷... 详细信息

连续油管水力喷射压裂技术是一种新型的水力压裂技术,集合了连续管技术、水力喷射压裂技术的特点,具有作业周期短,起下钻次数少,无需机械封隔和射孔工具,可实现压裂和水力喷射射孔联作,一趟管柱可以进行多段压裂的优点。连续油管水力喷射压裂技术将在页岩气开发方面有着广泛的应用前景。然而连续油管刚度小,较难承受纵向压缩载荷,容易失稳而产生正弦或螺旋屈曲。另外,在压裂加砂过程中砂粒也对连续油管产生了严重的冲蚀。因此,掌握连续油管在定向井或水平井中的受力特性和连续油管冲蚀规律非常重要,这关系到连续油管技术在我国应用领域的扩大和推广。针对这一问题本文主要做了以下工作。(1)连续油管水力喷射压裂管柱力学模型建立。首先采用三次样条曲线模型拟合井眼轨迹,将离散的测井数据拟合成一条光滑的空间曲线。然后在考虑了摩擦力、液压力、支持力、重力等载荷的情况下分别应用静力平衡法和能量法建立了连续油管的变形微分方程。(2)连续油管水力喷射压裂管柱微分方程的求解。首先对连续油管水力喷射压裂管柱微分方程进行了合理的化简。之后求解出了连续油管在正弦屈曲和螺旋屈曲的临界解。求解出了在不同空间状态下连续油管所受的正压力、剪切力和弯矩力。(3)压裂管柱应力、伸长(缩短)及可下入性分析。应用第四强度理论分析了连续油管的应力。充分考虑了轴向载荷的拉伸或压缩、热伸长、因液压力而伸长、由于螺旋弯曲而缩短的情况下,分析了连续油管总的伸长量。分析了压裂工具所能通过的最大井眼曲率。(4)在理论分析和建立的数学模型的基础上,利用VB计算机语言开发出连续油管水力喷射压裂管柱受力分析软件。(5)连续油管的冲蚀分析。基于软件FLUENT,利用DPM模型对连续油管水力压裂作业过程中连续油管的冲蚀进行数值模拟研究,重点研究压裂加砂作业时绞车处缠绕连续油管及造斜段及鹅颈架处的冲蚀机理。

关键词：连续油管水力喷射软件开发受力分析冲蚀分析

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多注入头压裂井口的冲蚀分析

中外能源 2018年第2期23卷 60-63页

作者：陈辽望中国石油辽河油田公司钻采工艺研究院

近年来随着体积压裂的深入,压裂规模向＂万方液、千方砂＂发展,但压裂井口仍采用常规压裂井口。常规压裂井口采用四通结构,大方量、高排量压裂液从三端注入施工,其液体流向会对井口四通相贯线部位及下方管壁产生严重冲蚀,井口出现渗漏,... 详细信息

近年来随着体积压裂的深入,压裂规模向＂万方液、千方砂＂发展,但压裂井口仍采用常规压裂井口。常规压裂井口采用四通结构,大方量、高排量压裂液从三端注入施工,其液体流向会对井口四通相贯线部位及下方管壁产生严重冲蚀,井口出现渗漏,影响施工安全。为此提出了一种新型多注入头压裂井口。多注入头压裂井口采用六通结构,注入方式为45°角四端注入,压裂液进入井口后流道发生改变,压裂液相互冲击减弱。采用FLUENT软件对新型多注入井口进行冲蚀模拟分析,结果表明,其冲蚀的区域主要为从六通相贯线处到下方管壁处。应用此压裂井口进行现场施工试验,施工过程中井口无渗漏,施工后对井口进行检测,发现检测结果与冲蚀模拟结果基本吻合。相比于常规压裂四通井口,新设计的多注入头压裂六通井口能显著降低压裂液对井口的冲蚀,提高井口的使用寿命。

关键词：压裂井口多注入头六通结构冲蚀分析

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金属波纹管流固耦合及疲劳分析

金属波纹管流固耦合及疲劳分析

作者：郭勇新疆大学

学位级别：硕士

机械密封又称端面密封,通过弹性元件预紧、补偿端面密封副,起到轴向端面密封的作用。机械密封可以有效的减少机器的内漏、外漏和穿漏;减少摩擦损失;提高机器的可靠性并且节约原材料、安全环保,从而广泛用于机泵阀、反应釜、离心机等旋... 详细信息

机械密封又称端面密封,通过弹性元件预紧、补偿端面密封副,起到轴向端面密封的作用。机械密封可以有效的减少机器的内漏、外漏和穿漏;减少摩擦损失;提高机器的可靠性并且节约原材料、安全环保,从而广泛用于机泵阀、反应釜、离心机等旋转机械中。在石油化工行业中,机械密封的使用向高温、高速、高压和大直径等高参数工况介质发展,波纹管作为机械密封装置中的弹性元件,要克服辅助密封、传动件的摩擦及动环等的惯性,使密封副端面紧密贴合保证良好的密封性。为了保证设备正常、安全运行,因此需要对波纹管进行研究。本文以S型金属焊接波纹管为研究对象,针对流固耦合作用下,旋转波纹管共振失效和径向振动使波纹管疲劳失效问题,分别建立了波纹管和密封腔流场模型,并采集了波纹管旋转时的径向位移信号。对流场采用k-ε湍流模型和离散项DPM模型,模拟分析了固液混合流场;对波纹管进行了动力学模态平衡方程求解及振动疲劳分析;对径向振动位移信号采用频域二次微分和短时傅里叶变换的方法编辑信号。通过对流场的分析得到了密封腔内的介质对密封腔壁面及波纹管外表面的压力场分布;得到了不同工作状态下,固体颗粒对密封腔内壁和波纹管外表面的冲蚀率分布;得到了固体颗粒在流场中的运动轨迹以及机械密封工作前后,流场内固体颗粒的逃逸量、运动状态的变化。将得到的流场内压强作用于波纹管外表面,分析了不同转速下的波纹管在预应力和流场作用下的自振频率、等效应变等,表明波纹管模态在外部流场作用下变化较明显,预应力几乎不改变波纹管固有频率;流场压强恒定时,转速和预应力增大,波纹管等效应变减小;随着流体进口压强增大,波纹管的最大等效应变和应力增大。处理径向位移振动信号,将得到的编辑信号与原始信号分别加载至波纹管径向,得到了编辑信号与原始信号对波纹管疲劳损的伤影响、损伤分布云图、不同转速下波纹管承受的不同范围的应力循环次数,结果表明通过短时傅里叶变换得到的编辑信号有效的保留了损伤片段并且缩减了信号的长度;随着转速的增大,波纹管所受径向大应力循环次数减少。

关键词：金属焊接波纹管冲蚀分析模态短时傅里叶变换疲劳损伤

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隔河岩大坝消力池的运行和维修

人民长江 2000年第7期31卷 36-38页

作者：吴晓铭清江水电开发有限责任公司湖北宜昌443002

隔河岩大坝消力池设计新颖、运行条件复杂 ,在运行过程中加强监测和管理是十分重要的。根据消力池运行情况、水力学原型观测成果以及抽水检查情况 ,分析了造成局部冲蚀破坏的原因 ,有针对性地提出了各部位的修补处理方案 ,修补后的消力... 详细信息

隔河岩大坝消力池设计新颖、运行条件复杂 ,在运行过程中加强监测和管理是十分重要的。根据消力池运行情况、水力学原型观测成果以及抽水检查情况 ,分析了造成局部冲蚀破坏的原因 ,有针对性地提出了各部位的修补处理方案 ,修补后的消力池 ,经受了几次泄洪的考验 ,运行安全。该消力池为今后类似工程的设计、检修提供了参考。

关键词：消力池冲蚀分析运行情况水电站维修大坝

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气体钻井排屑管缓冲弯头设计与分析

模具制造 2023年第6期23卷 140-142页

作者：贺亚利胜利油田胜机石油装备有限公司山东东营257000

排屑管线,特别是管线弯头刺漏是气体钻井使用过程中的普遍现象。排屑管线刺漏不仅会造成作业中断、降低钻井时效,而且管线更换耗费人力物力,当钻遇天然气或硫化氢时甚至易引发火灾或人员中毒事故。为了提高排屑管线弯头的使用寿命,本文... 详细信息

排屑管线,特别是管线弯头刺漏是气体钻井使用过程中的普遍现象。排屑管线刺漏不仅会造成作业中断、降低钻井时效,而且管线更换耗费人力物力,当钻遇天然气或硫化氢时甚至易引发火灾或人员中毒事故。为了提高排屑管线弯头的使用寿命,本文提出了一种气体钻井排屑管缓冲弯头并进行了冲蚀分析,为气体钻井排屑弯头提供了一种可行的实施方案。

关键词：气体钻井排屑管线缓冲弯头冲蚀分析

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南海某海底管道腐蚀原因分析

全面腐蚀控制 2013年第8期27卷 33-37页

作者：贾旭常炜黄俊柳歆矫滨田余晓毅中海油研究总院北京100027

海底管道发生泄漏的原因有多种,例如外力损伤、内部腐蚀等。南海某油田海底管道在投产几年后发生了腐蚀泄漏,通过对海底管道泄漏前的生产数据进行管道失效长度分析、冲蚀分析和腐蚀速率模拟计算,给出了该管道发生腐蚀泄漏的原因,为以后... 详细信息

海底管道发生泄漏的原因有多种,例如外力损伤、内部腐蚀等。南海某油田海底管道在投产几年后发生了腐蚀泄漏,通过对海底管道泄漏前的生产数据进行管道失效长度分析、冲蚀分析和腐蚀速率模拟计算,给出了该管道发生腐蚀泄漏的原因,为以后海底管道的安全运行提供借鉴。

关键词：海底管道管道泄漏腐蚀速率管道失效长度冲蚀分析

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基于数值模拟的水下发球管汇系统流动与冲蚀

科学技术与工程 2023年第17期23卷 7317-7325页

作者：鞠朋朋柳英明王长涛张欢王雪媛何鑫海洋石油工程股份有限公司设计院天津300461 中国石油大学(北京)机械与储运工程学院北京102249

水下发球系统具有作业成本低、无需长时间停井的优势,应用前景广泛。发球管汇系统管道结构复杂,管道内流场变化规律不清,出砂现象严重,在发球过程中会出现高流速,易发生冲蚀。基于某水下发球管汇系统,应用计算流体力学(computational fl... 详细信息

水下发球系统具有作业成本低、无需长时间停井的优势,应用前景广泛。发球管汇系统管道结构复杂,管道内流场变化规律不清,出砂现象严重,在发球过程中会出现高流速,易发生冲蚀。基于某水下发球管汇系统,应用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的方法进行流场计算及冲蚀分析。结果表明,管内流速分布不均,弯管与T形管区域存在偏流;气液两相分布较为均一,但在竖直管段存在积液。对比冲蚀模型的计算结果,发现Generic与DNV模型计算结果相对准确;颗粒冲蚀速率较大的位置主要分布在含液区域或气液界面处,且竖直管段的冲蚀速率比水平管段更大;当颗粒含量为10×10^(-6) kg/m^(3)时,颗粒直径为100μm时,最大冲蚀速率为0.21 mm/a;最大冲蚀速率随着砂颗粒含量的增大、含砂量的增大而增大;且随着砂粒直径的增大,冲蚀区域愈趋向集中。管内流速高,长时间运行时冲蚀现象严重,需加强关键冲蚀区域的防护措施,提高腐蚀裕量,以保障管汇系统的安全运行。

关键词：计算流体力学水下发球系统多相流流场分析冲蚀分析