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钻井液流变性对转盘钻井钻柱耦合振动抑制的参数影响研究

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机械工程学报 2024年第5期60卷 183-195页

作者：陈益丽柳军梁爽西南石油大学机电工程学院成都610500 成都大学机械工程学院成都610106

当钻头钻进时,环空内的钻井液因混合大量岩屑会表现出较强的非牛顿流变性,对钻柱振动行为产生较大影响。采用Hamilton变分原理建立了转盘钻井钻柱纵-横-扭耦合(Axial-lateral-torsional coupling,ALTC)非线性动力学模型,模型充分考虑了... 详细信息

当钻头钻进时,环空内的钻井液因混合大量岩屑会表现出较强的非牛顿流变性,对钻柱振动行为产生较大影响。采用Hamilton变分原理建立了转盘钻井钻柱纵-横-扭耦合(Axial-lateral-torsional coupling,ALTC)非线性动力学模型,模型充分考虑了钻柱结构阻尼、钻井液非牛顿流变阻尼、钻头-岩石互作用及钻柱-井壁接触等因素的影响。提出一种瑞利阻尼矩阵计算方法,采用纵、横、扭、纵-横、横-扭、纵-扭阻尼矩阵联合求得纵-横-扭耦合阻尼矩阵,实现了在钻柱ALTC振动阻尼中考虑钻井液的影响。采用有限元法结合Newmark-β法实现了系统非线性振动模型的离散及求解,并借助现场实测数据验证了模型的有效性。利用模型探究了钻井液流变参数对钻柱ALTC振动响应的影响机理,结果表明:较大的钻井液屈服应力和稠度系数(τ_(Hy)=7,k=5),及较小的幂律指数(n=0.2)可更好地抑制钻柱系统纵向振动,降低跳钻风险;较大的钻井液屈服应力和稠度系数(τ_(Hy)=7,k=5),幂律指数n=0.8可更好地抑制钻柱系统横向振动,保持井眼直径;较大的稠度系数和幂律指数(k=5,n≥0.8)可更好抑制钻柱系统粘滑振动,提高机械钻速。研究结果可为优化钻柱及钻井液参数,降低钻柱有害振动,提高钻井效率提供理论支撑。

关键词：转盘钻井钻柱振动耦合振动钻井液流变性粘滑振动

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静置工况条件下掺氢天然气浓度分布规律

天然气工业 2024年第2期44卷 145-155页

作者：李敬法宇波苏越刘翠伟李玉星北京石油化工学院机械工程学院中国石油大学(北京)机械与储运工程学院中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院

利用天然气管道进行掺氢输送已成为氢能及天然气输送领域的热点和重点,但当前业界对于掺氢天然气在管道输送和停输静置过程中是否会自发分层一直存在较大争议。为了厘清该问题,以掺氢天然气在管道中静置这一极端工况为例,基于热力学能... 详细信息

利用天然气管道进行掺氢输送已成为氢能及天然气输送领域的热点和重点,但当前业界对于掺氢天然气在管道输送和停输静置过程中是否会自发分层一直存在较大争议。为了厘清该问题,以掺氢天然气在管道中静置这一极端工况为例,基于热力学能量最小原理,推导了在重力场作用下掺氢天然气浓度分布数学模型,并采用Peng-Robinson真实气体状态方程对该数学模型进行了求解,最后研究了甲烷—氢气二元组分混合气体在4种典型场景高度和5种掺氢比下氢浓度随高度的分布规律。研究结果表明:(1)在重力影响下管道顶部和底部的氢浓度存在差异,但其受高度差的影响显著,对于米级的水平管道、几十米级的一般城镇楼宇天然气立管、百米级的高层楼宇天然气立管,氢浓度随高度变化的差异微小,可完全忽略氢分层;(2)对于千米级大落差的掺氢天然气管道,当掺氢比不超过20%时,氢分层仍可忽略,但当掺氢比很高时(例如50%)管道顶部和底部的氢浓度差将超过1%,此时需考虑工程实际情况评估能否忽略氢分层;(3)西气东输某管道考虑真实气体组成、掺氢比20%、管道落差200 m时,各气体组分的浓度随落差高度的分布规律揭示了在实际工程中此类落差高度的掺氢天然气氢分层可忽略。结论认为,对于掺混均匀的掺氢天然气在静置这种最容易发生分层的极端工况下,如果不存在千米级极端大落差和极端大掺氢比,掺氢天然气管道分层现象可完全忽略;该认识从理论上厘清了目前关于掺氢天然气分层现象的争议,对掺氢天然气管道安全输送具有重要指导意义。

关键词：掺氢天然气氢分层掺氢比能量最小原理静置工况

采油单螺杆泵动态力学特性及疲劳寿命预测研究

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中国机械工程 2024年

作者：祖海英孙金山叶卫东李大奇东北石油大学机械科学与工程学院

针对常规采油螺杆泵定子橡胶疲劳失效的问题，以油田常用的GLB120-27型单螺杆泵为研究对象，开展了50℃油浸工况定子橡胶材料疲劳试验，获取了橡胶材料的疲劳性能参数，并构建了疲劳寿命预测模型。运用ABAQUS软件对螺杆泵进行动态力学... 详细信息

针对常规采油螺杆泵定子橡胶疲劳失效的问题，以油田常用的GLB120-27型单螺杆泵为研究对象，开展了50℃油浸工况定子橡胶材料疲劳试验，获取了橡胶材料的疲劳性能参数，并构建了疲劳寿命预测模型。运用ABAQUS软件对螺杆泵进行动态力学特性有限元分析，基于数值模拟得到的应力应变响应结果和定子橡胶材料单轴拉伸试验应力-应变拟合表达式，计算疲劳危险位置点应变能释放率的范围。利用构建的疲劳寿命预测模型，对不同过盈量条件下的螺杆泵进行了疲劳寿命预测研究。结果表明随着过盈量的增加疲劳寿命呈指数函数下降，通过与某采油厂近5年单螺杆泵平均工作寿命对比，基于裂纹扩展方法预测得到的螺杆泵定子橡胶疲劳寿命，可以满足工程预测精度要求。

关键词：螺杆泵动态力学特性定子橡胶疲劳寿命预测

基于半隐式法的超短半径水平井井筒内管柱非线性屈曲分析

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计算力学学报 2024年

作者：罗敏崔文磊徐亭亭李巧珍东北石油大学机械科学与工程学院

井筒内管柱受轴向载荷作用容易发生螺旋屈曲，导致管柱下入困难，螺旋屈曲严重时可发生自锁，甚至对管柱自身造成破坏。在静力学求解管柱屈曲时，容易出现计算不收敛和结果不稳定问题，而用动力学求解时，则会导致计算时间长和计算效率... 详细信息

井筒内管柱受轴向载荷作用容易发生螺旋屈曲，导致管柱下入困难，螺旋屈曲严重时可发生自锁，甚至对管柱自身造成破坏。在静力学求解管柱屈曲时，容易出现计算不收敛和结果不稳定问题，而用动力学求解时，则会导致计算时间长和计算效率低的问题。为此，将隐式求解和显式求解的优点相结合，提出井筒内管柱非线性屈曲分析的半隐式法，在保证计算效率的同时，解决了管柱屈曲分析的收敛和稳定性问题。通过算例验证了半隐式方法的有效性。基于半隐式法建立了超短半径水平井井筒内管柱屈曲的有限元分析模型，分析了管柱在井筒内的屈曲形态、横向位移和接触压力等。研究结果表明：管柱发生螺旋屈曲之前先发生三维横向屈曲，且发生三维横向屈曲的临界载荷大于发生螺旋屈曲的载荷，在发生三维横向屈曲后，很容易演变为螺旋屈曲。管柱等效应力最大值为359MPa，塑性应变最大值为0.234，管柱屈曲程度越严重，管柱轴向载荷传递效率越小。

关键词：半隐式法管柱非线性屈曲有限元法超短半径水平井

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锥形阶梯流管无阀压电泵仿真及实验

振动．测试与诊断 2024年第3期44卷 602-607,626页

作者：孙业明李驹苏天一王俊尧李瑞鹏东北电力大学机械工程学院吉林132012

针对锥形流管无阀压电泵输出流量小、回流流量多等问题,结合锥形流管和溢流坝阶梯式结构的阻流作用,研制了一种锥形阶梯流管无阀压电泵。对锥形阶梯流管的流阻特性进行了理论分析,利用有限元软件对锥形阶梯流管无阀压电泵和锥形无阶梯... 详细信息

针对锥形流管无阀压电泵输出流量小、回流流量多等问题,结合锥形流管和溢流坝阶梯式结构的阻流作用,研制了一种锥形阶梯流管无阀压电泵。对锥形阶梯流管的流阻特性进行了理论分析,利用有限元软件对锥形阶梯流管无阀压电泵和锥形无阶梯无阀压电泵进行了流场仿真对比,制作了锥形阶梯流管无阀压电泵实验样机,测量不同频率和驱动电压下两种泵的流量。实验结果表明:当驱动电压峰峰值为180 V、驱动频率为18 Hz时,锥形无阶梯流管无阀压电泵流量最大为6.20 ml/min,锥形阶梯流管无阀压电泵输出流量最大为8.04 ml/min,与锥形无阶梯流管无阀压电泵相比泵最大输出流量提升了29%,验证了锥形阶梯流管无阀压电泵能有效抑制锥形流管中的回流现象,且相比于无阶梯流管无阀压电泵具有更好的输出流量。

关键词：无阀压电泵锥形阶梯流管有限元仿真流量实验

基于改进经验小波变换的海洋平台结构模态参数自动识别方法

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振动与冲击 2024年第7期43卷 196-204页

作者：冷建成刁凯欣庞哲冯慧玉东北石油大学机械科学与工程学院黑龙江大庆163318 东北石油大学三亚海洋油气研究院海南三亚572025

针对经验小波变换(empirical wavelet transform,EWT)方法在处理低信噪比信号中频谱分割边界容易产生误判的问题,提出了一种改进经验小波变换(improved empirical wavelet transform,IEWT)的结构模态参数自动识别方法。首先计算信号的... 详细信息

针对经验小波变换(empirical wavelet transform,EWT)方法在处理低信噪比信号中频谱分割边界容易产生误判的问题,提出了一种改进经验小波变换(improved empirical wavelet transform,IEWT)的结构模态参数自动识别方法。首先计算信号的互功率谱矩阵,采用奇异值分解(SVD)及尺度空间(SSPP)方法确定频谱的分割边界,将信号分解为若干固有模态函数(IMF)分量,再结合随机减量技术(RDT)和希尔伯特变换(HT)实现模态参数的自动识别。使用IEWT方法对自由振动响应信号及ASCE Benchmark模型信号进行模态参数识别,并分别与EWT方法、基于自回归功率谱的经验小波变换(AR-EWT)方法及小波变换(WT)方法进行对比,结果表明IEWT方法能够自适应确定频谱分割边界,对结构的频率及阻尼比等模态参数具有较高的识别精度;进一步将该方法应用到实验室海洋平台模型的模态参数识别中,证明该方法可用于复杂噪声环境下的低频结构的模态参数识别。

关键词：经验小波变换(EWT) 奇异值分解(SVD) 尺度空间模态参数自动识别海洋平台

储气库注采管柱屈曲后表面半椭圆裂纹力学分析

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塑性工程学报 2024年第6期31卷 208-216页

作者：张强张罡郭爽赵栋吕磊东北石油大学机械科学与工程学院黑龙江大庆163318

采用有限元方法,研究了注采管柱屈曲后表面半椭圆裂纹的应力强度因子K_(Ι)和J积分。首先,由于储气库注采管柱是长直圆管结构,通过建立含外表面裂纹直管的有限元模型,对其进行有限元验证。然后,基于子模型法,建立了管柱屈曲后裂纹力学... 详细信息

采用有限元方法,研究了注采管柱屈曲后表面半椭圆裂纹的应力强度因子K_(Ι)和J积分。首先,由于储气库注采管柱是长直圆管结构,通过建立含外表面裂纹直管的有限元模型,对其进行有限元验证。然后,基于子模型法,建立了管柱屈曲后裂纹力学计算模型,计算了屈曲后不同裂纹形状参数、裂纹相对深度和轴线夹角下的应力强度因子K_(Ι)和J积分,分析了管柱不同螺距数对K_(Ι)和J积分的影响规律。结果表明,有限元法在计算应力强度因子时精度较高,造成有限元法误差明显的主要因素是网格尺寸和裂纹前缘网格划分份数;管柱螺旋屈曲后,K_(Ι)和J积分随裂纹形状参数的增加而减小,随裂纹相对深度的增加而增大;随着注采管柱屈曲螺距数以及轴线夹角的增加,K_(Ι)和J积分均呈增长趋势,且裂纹为周向裂纹时的增长速率最大。

关键词：有限元注采管柱裂纹螺旋屈曲应力强度因子 J积分

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螺旋缝隙泄漏双向流固耦合方法

排灌机械工程学报 2024年第6期42卷 556-562页

作者：叶卫东王波波祖海英李恒岩张恩来汪旭东北石油大学机械科学与工程学院黑龙江大庆163318

针对螺杆泵泄漏机理,利用数值模拟加数据拟合方法,提出了一种针对螺杆泵螺旋微小缝隙泄漏的双向流固耦合模拟方法.利用此方法,对比了单向流固耦合和双向流固耦合方法在螺杆泵泄漏计算结果的偏差,计算结果表明,间隙越小偏差越大,间隙为0.... 详细信息

针对螺杆泵泄漏机理,利用数值模拟加数据拟合方法,提出了一种针对螺杆泵螺旋微小缝隙泄漏的双向流固耦合模拟方法.利用此方法,对比了单向流固耦合和双向流固耦合方法在螺杆泵泄漏计算结果的偏差,计算结果表明,间隙越小偏差越大,间隙为0.500 mm时两结果相差20.3%,说明螺杆泵这种刚柔配合螺旋缝隙泄漏必须利用双向流固耦合求解才能获得准确结果.随后利用双向流固耦合方法对三维螺杆泵模型进行有限元分析求解,研究了初始间隙、流体介质黏度、螺杆泵单级腔室压差、进出口压力对螺杆泵泄漏的影响.结果显示:泄漏量随初始间隙的增大而增大,随流体介质黏度的增大而减少;进出口压力变化对螺杆泵泄漏影响很小,可以忽略;腔室间的压差造成橡胶定子变形形成间隙,间隙随着压差增大呈线性增大.最后利用双向流固耦合方法计算了不同举升压力螺杆泵的容积效率,与试验结果对比误差在±5%以内.

关键词：螺旋缝隙泄漏双向流固耦合容积效率螺杆泵

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Cu(110)晶面催化还原CO_(2)制备甲酸机理的第一性原理研究

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功能材料 2024年第4期55卷 4102-4110页

作者：张旭昀汤静常庆王勇谭秀娟东北石油大学机械科学与工程学院黑龙江大庆163000

铜基催化剂是一种高效还原CO_(2)为甲酸的绿色催化剂,明确不同晶面的还原机理对催化剂的设计及开发具有重要指导意义,但Cu(110)晶面的催化机理尚不明确。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对Cu(110)表面的还原机理进行了研究,系统... 详细信息

铜基催化剂是一种高效还原CO_(2)为甲酸的绿色催化剂,明确不同晶面的还原机理对催化剂的设计及开发具有重要指导意义,但Cu(110)晶面的催化机理尚不明确。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对Cu(110)表面的还原机理进行了研究,系统研究了不同中间产物的吸附相关性质并探讨了相关的吸附机理。吸附能结果表明,CO_(2)在Cu(110)表面无法发生化学吸附,而^(*)COOH、^(*)HCOO、HCOOH分子和H原子的最稳定吸附位点分别为长桥位点、短桥位点、顶位点和HCP位点。布居数结果表明,^(*)HCOO和HCOOH分子在吸附过程中与Cu(110)表面的Cu原子形成离子键,H原子和Cu原子之间存在氢键作用,^(*)COOH分子中的C和Cu原子形成共价键。此外,电子态密度结果表明^(*)HCOO基团和Cu原子之间形成O—Cu键,^(*)COOH基团中的C和Cu原子形成C—Cu键,HCOOH分子中的O和Cu原子形成O—Cu键。相比于^(*)COOH/Cu(110)体系,^(*)HCOO/Cu(110)吸附体系的电荷密度、电荷转移量和成键能力均较强,说明CO_(2)在Cu(110)还原过程中中间体^(*)HCOO更稳定,合成路径属于更加高效的:CO_(2)→^(*)HCOO→HCOOH路径。

关键词：电催化二氧化碳还原甲酸第一性原理铜基催化剂