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油井射孔段管柱对爆炸冲击载荷动态响应研究

作　者: 周海峰
导　师: 马峰
学　校: 北京理工大学
专　业: 兵器科学与技术
关键词: 石油射孔存储测试系统动态响应管柱损伤
分类号: TE355
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

射孔作业是油气井开采过程中的必要环节，为了提高采油效率，射孔器材的威力越来越强，射孔过程中产生的高冲击过载也随之增加，过高的冲击载荷已成为油井完井过程中管柱系统发生变形、弯曲、断裂并造成油井事故的主要因素。以射孔枪为主要组成部分的射孔段管柱在射孔弹爆炸冲击作用下的动态响应问题便成为涉及到油气井高效生产的个核心问题。本文针对射孔段管柱爆炸冲击作用下的载荷输出进行了研究，通过试验和动力学仿真等手段获得了不同射孔工况下爆炸载荷在射孔段管柱内的输出特征和加载规律，并进行了管柱动态响应规律的研究。具体研究工作如下：（1）针对射孔段管柱特有的结构和工作原理利用爆轰物理和应力波理论进行了相应的理论分析，得出了爆轰波在射孔段管柱内的传播规律和对管柱的损伤形式。（2）设计加工了可适用于高温高压环境下高冲击过载测试的动态存储测试系统，利用该系统按照不同射孔工况对射孔段管柱的动态载荷进行了试验测试，获得了射孔段管柱在轴向、径向以及环向方向上的动态加速度数据，以及枪体外环动态压力数据。（3）建立了射孔段管柱在爆炸冲击作用下的数值计算模型，利用有限元分析软件Ls-dyna模拟计算了127型射孔枪在60度射孔相位下的射孔过程，得到了枪体结构的动态响应规律；利用静力学分析软件workbench分析了油井管柱在不同形式载荷作用下的动态承载及变形特征。（4）结合试验和数值计算结果，系统地分析了127射孔枪和89射孔枪在不同射孔相位和不同装药量条件下枪管的轴向、径向和周向加速度的变化规律以及枪管的位移速度变化规律，此外，还分析了射孔段管柱外环压的变化情况。通过本文研究工作，提供了利用试验和数值仿真手段分析研究爆炸冲击载荷作用下射孔段管柱的动态响应规律的方法和手段，初步揭示了爆炸作用下射孔段管柱载荷输出规律，为进步研究改善射孔工艺、提高射孔效率、减少射孔事故提供重要的研究支撑。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-12
第1章绪论  12-18
  1.1 选题背景与意义  12-13
  1.2 国内外研究现状与发展趋势  13-16
    1.2.1 油井管柱失稳和损伤研究现状  13-14
    1.2.2 射孔段管柱爆炸冲击响应力学研究现状  14-16
  1.3 本论文主要研究工作  16-18
第2章爆炸冲击载荷下管柱动态响应理论分析  18-34
  2.1 引言  18
  2.2 柱面波传播理论  18-24
  2.3 射孔枪应力分析  24-27
    2.3.1 几何变形关系  24-25
    2.3.2 物理方程  25-26
    2.3.3 射孔枪分别在内压和外压作用下的受力情况  26-27
  2.4 不同加载条件下管柱力学行为数值模拟研究  27-33
    2.4.1 径向力作用下管柱静力学分析  28-29
    2.4.2 轴向力作用下管柱静力学分析  29-31
    2.4.3 扭转力作用下管柱静力学分析  31-32
    2.4.4 复合载荷作用下管柱静力学分析  32-33
  2.5 小结  33-34
第3章射孔段管柱动态响应存储测试系统设计  34-55
  3.1 引言  34
  3.2 测试系统总体方案  34-35
    3.2.1 测试目的及测试参数  34
    3.2.2 测试系统设计方案  34-35
  3.3 压力传感器及储存测试系统结构设计  35-45
    3.3.1 压力测试原理  35-36
    3.3.2 压力传感器的设计与标定  36-37
    3.3.3 压力测试系统电子电路及支持软件子系统设计  37-42
    3.3.4 传感器量程选择及测点的布置  42-43
    3.3.5 压力传感器的安装工艺  43-45
  3.4 加速度传感器选型及储存测试系统设计  45-48
    3.4.1 加速度测试原理及传感器选型与标定  45-46
    3.4.2 加速度测试系统电子电路及支持软件子系统设计  46-47
    3.4.3 测点的布置及量程选择  47
    3.4.4 加速度传感器安装工艺  47-48
  3.5 测试系统壳体设计  48-54
    3.5.1 压力连接头设计  48-49
    3.5.2 加速度连接头设计  49-50
    3.5.3 缓冲连接件设计  50-51
    3.5.4 保温套连接件设计  51
    3.5.5 保温套设计  51-52
    3.5.6 电路板支架设计  52
    3.5.7 壳体外套设计  52-53
    3.5.8 壳体后端盖设计  53
    3.5.9 壳体及测试系统硬件的安装顺序  53-54
  3.6 小结  54-55
第4章射孔段管柱对爆炸载荷动态响应试验研究  55-90
  4.1 引言  55
  4.2 射孔段管柱动态载荷综合测试系统安装调试及标定  55-57
    4.2.1 测试装置的安装  55-56
    4.2.2 测试系统的标定  56-57
  4.3 动态储存测试系统地面模拟试验  57-60
    4.3.1 试验工况  57
    4.3.2 试验过程  57-59
    4.3.3 试验结果  59-60
  4.4 井下射孔段管柱对爆炸载荷动态响应试验研究  60-64
    4.4.1 试验工况  60-61
    4.4.2 试验过程  61-63
    4.4.3 现场试验结果  63
    4.4.4 试验补充  63-64
  4.5 试验数据处理  64-78
    4.5.1 加速度数据处理  64
    4.5.2 模态分析  64-66
    4.5.3 模态频率选择  66-67
    4.5.4 集中滤波处理  67-71
    4.5.5 积分处理  71-75
    4.5.6 射孔段管柱受力  75-78
  4.6 试验结果分析  78-88
    4.6.1 射孔枪长度对轴向、径向过载峰值的影响  78-79
    4.6.2 射孔相位对测点 1 和 2 方向过载峰值的影响  79-80
    4.6.3 射孔枪长度对位移变化的影响  80-81
    4.6.4 管柱位移变化规律分析  81-84
    4.6.5 射孔段管柱外环压对管柱强度的影响  84-85
    4.6.6 枪体所受轴向冲击对管柱强度的影响  85-86
    4.6.7 射孔段管柱所受扭转力分析  86-88
  4.7 小结  88-90
第5章爆炸冲击下射孔段管柱动态响应数值模拟研究  90-111
  5.1 引言  90
  5.2 数值模拟程序功能及理论  90-93
    5.2.1 数值模拟程序  90-91
    5.2.2 单元特性  91-92
    5.2.3 接触分析  92
    5.2.4 沙漏控制  92-93
    5.2.5 材料失效和破坏  93
    5.2.6 应力波与人工粘性控制  93
  5.3 数值仿真模型建模方法研究  93-102
    5.3.1 网格模型划分方法  93-96
    5.3.2 60 度相位多枚射孔弹射孔模型  96-99
    5.3.3 仿真模型  99
    5.3.4 材料本构模型及参数  99-102
  5.4 60 度相位多枚弹作用动力学响应仿真结果分析  102-110
    5.4.1 射孔枪壁响应动力学过程  102-103
    5.4.2 射孔枪头部响应动力学过程  103-110
  5.6 小结  110-111
结论  111-113
参考文献  113-116
攻读硕士期间发表的论文与学术成果清单  116-117
致谢  117

油井射孔段管柱对爆炸冲击载荷动态响应研究

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