基于内聚力模型的压裂泵泵头体裂纹扩展规律研究

论文摘要

现阶段,我国每年探明的油气储量的70%为非常规资源。由于非常规油气具有低孔低渗低压的特点,故广泛采用“水平井+水力压裂”的技术进行开采。压裂泵作为水力压裂技术的核心部分,工作时需要提供大排量、高压力的压裂液。泵头体在交变循环的高压压裂液作用下常发生断裂失效,制约了非常规油气开发进程,如何提高压裂泵泵头体疲劳寿命成为当前的热点研究问题。因此,研究压裂泵泵头体裂纹扩展规律具有十分重要的理论和工程实际意义。本文以5ZB-2800型压裂泵液力端的泵头体为研究对象,以内聚力模型理论为基础,依据泵头体材料的断裂韧度实验,标定了泵头体材料的内聚力参数,系统的研究了单调载荷作用下的启裂载荷、裂纹前缘形貌、损伤分布,编写了循环内聚力子程序,提出了泵头体有限元简化模型,针对压裂泵的工作特性及失效形式,确定了疲劳载荷谱及初始裂纹形式,对泵头体的疲劳裂纹扩展速率、疲劳损伤累积进行了深入地研究。主要研究内容及成果如下:（1）采用双线性牵引分离准则,基于试样裂纹扩展过程中的柔度曲线,得到了30CrNi2MoV的内聚力模型参数为:断裂能Gc=142.43 kJ·m-2,界面强度Tmax=4019.59 MPa,界面刚度K≥106N/mm3。（2）单调载荷作用下泵头体材料的启裂载荷与裂纹初始长度呈负相关,与模型厚度呈正相关;裂纹前缘的形貌与模型厚度直接相关,随着厚度的增大,裂纹前缘形状从直线逐渐演变为椭圆形;随着裂纹的继续扩展,裂纹前缘又逐渐向直线演化;裂纹前缘的损伤区尺寸约为1.63 mm,且位于裂纹前缘中部的损伤累积速度快于裂纹前缘两侧。（3）引入疲劳损伤演化方程编写了循环内聚力子程序,对比实验结果验证了子程序的可靠性。结果表明,疲劳裂纹损伤累积速度及疲劳裂纹扩展速率与应力比呈负相关,与峰值载荷载荷呈正相关。（4）位于排出腔的裂纹扩展速度快于位于堵头腔的裂纹,位于裂纹前缘中部的扩展速度最慢;裂纹半径越大,疲劳裂纹扩展速度越快;初始裂纹尺寸小于对应工况下的临界尺寸时,压裂液的压力并不是驱动疲劳裂纹扩展的主要因素。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究意义及其背景
•   1.2 压裂泵泵头体失效影响因素研究现状
•   1.3 压裂泵疲劳断裂研究现状
•   1.4 疲劳裂纹扩展预测研究现状
•   1.5 本文主要研究内容
• 第2章 内聚力模型理论
•   2.1 断裂力学理论
•   2.2 内聚力模型
•   2.3 本章小结
• 第3章 泵头体材料内聚力参数标定
•   3.1 泵头体材料断裂韧度
•   3.2 CT试样裂纹扩展仿真
•   3.3 本章小结
• 第4章 CT试样单调载荷裂纹扩展规律
•   4.1 初始裂纹长度对裂纹扩展行为的影响
•   4.2 厚度对裂纹扩展行为的影响
•   4.3 CT试样裂纹前缘损伤分布及演化
•   4.4 本章小结
• 第5章 压裂泵泵头体疲劳裂纹扩展分析
•   5.1 研究对象
•   5.2 循环内聚力模型及UMAT子程序
•   5.3 泵头体材料CT试样疲劳裂纹扩展分析
•   5.4 泵头体疲劳裂纹扩展分析
•   5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 本文创新点
•   6.3 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 魏超

导师: 周思柱,张思

关键词: 泵头体,内聚力模型,损伤累积,疲劳裂纹扩展

来源: 长江大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 石油天然气工业

单位: 长江大学

基金: 国家自然科学基金项目“非常规油气压裂泵头体裂纹扩展规律研究”

分类号: TE934.2

总页数: 87

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