發(fā)布時(shí)間：2020-10-27 15:22

　　 現(xiàn)階段,我國每年探明的油氣儲(chǔ)量的70%為非常規(guī)資源。由于非常規(guī)油氣具有低孔低滲低壓的特點(diǎn),故廣泛采用“水平井+水力壓裂”的技術(shù)進(jìn)行開采。壓裂泵作為水力壓裂技術(shù)的核心部分,工作時(shí)需要提供大排量、高壓力的壓裂液。泵頭體在交變循環(huán)的高壓壓裂液作用下常發(fā)生斷裂失效,制約了非常規(guī)油氣開發(fā)進(jìn)程,如何提高壓裂泵泵頭體疲勞壽命成為當(dāng)前的熱點(diǎn)研究問題。因此,研究壓裂泵泵頭體裂紋擴(kuò)展規(guī)律具有十分重要的理論和工程實(shí)際意義。本文以5ZB-2800型壓裂泵液力端的泵頭體為研究對(duì)象,以內(nèi)聚力模型理論為基礎(chǔ),依據(jù)泵頭體材料的斷裂韌度實(shí)驗(yàn),標(biāo)定了泵頭體材料的內(nèi)聚力參數(shù),系統(tǒng)的研究了單調(diào)載荷作用下的啟裂載荷、裂紋前緣形貌、損傷分布,編寫了循環(huán)內(nèi)聚力子程序,提出了泵頭體有限元簡(jiǎn)化模型,針對(duì)壓裂泵的工作特性及失效形式,確定了疲勞載荷譜及初始裂紋形式,對(duì)泵頭體的疲勞裂紋擴(kuò)展速率、疲勞損傷累積進(jìn)行了深入地研究。主要研究內(nèi)容及成果如下:(1)采用雙線性牽引分離準(zhǔn)則,基于試樣裂紋擴(kuò)展過程中的柔度曲線,得到了30CrNi_2MoV的內(nèi)聚力模型參數(shù)為:斷裂能G_c=142.43 kJ·m~(-2),界面強(qiáng)度T_(max)=4019.59 MPa,界面剛度K≥10~6 N/mm~3。(2)單調(diào)載荷作用下泵頭體材料的啟裂載荷與裂紋初始長度呈負(fù)相關(guān),與模型厚度呈正相關(guān);裂紋前緣的形貌與模型厚度直接相關(guān),隨著厚度的增大,裂紋前緣形狀從直線逐漸演變?yōu)闄E圓形;隨著裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展,裂紋前緣又逐漸向直線演化;裂紋前緣的損傷區(qū)尺寸約為1.63 mm,且位于裂紋前緣中部的損傷累積速度快于裂紋前緣兩側(cè)。(3)引入疲勞損傷演化方程編寫了循環(huán)內(nèi)聚力子程序,對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了子程序的可靠性。結(jié)果表明,疲勞裂紋損傷累積速度及疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力比呈負(fù)相關(guān),與峰值載荷載荷呈正相關(guān)。(4)位于排出腔的裂紋擴(kuò)展速度快于位于堵頭腔的裂紋,位于裂紋前緣中部的擴(kuò)展速度最慢;裂紋半徑越大,疲勞裂紋擴(kuò)展速度越快;初始裂紋尺寸小于對(duì)應(yīng)工況下的臨界尺寸時(shí),壓裂液的壓力并不是驅(qū)動(dòng)疲勞裂紋擴(kuò)展的主要因素。
【學(xué)位單位】：長江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TE934.2
【部分圖文】：

1.1 研究意義及其背景統(tǒng)計(jì)，目前我國每年探明的油氣儲(chǔ)量的 70%為頁巖油、頁巖氣等壓等特點(diǎn)的非常規(guī)能源。隨著美國的非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的大力發(fā)局于 2016 年印發(fā)了我國頁巖氣發(fā)展規(guī)劃，規(guī)劃中明確指出水平井多評(píng)價(jià)及壓裂裝備的攻關(guān)研究為現(xiàn)階段的重點(diǎn)任務(wù)。由于水平井鉆井術(shù)能夠提高非常規(guī)油氣的采收率，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定增產(chǎn)的目的，因而被普傳統(tǒng)的壓裂相比，非常規(guī)壓裂的節(jié)奏更快、作業(yè)時(shí)間更長、工況更壓裂設(shè)備的疲勞壽命大幅降低。壓裂泵是壓裂機(jī)組中最為重要的設(shè)能直接決定了水力壓裂作業(yè)的成敗。泵頭體作為壓裂泵的關(guān)鍵部件字相貫孔結(jié)構(gòu)的液缸組成�，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，壓裂泵在大排量、高壓泵頭體單缸內(nèi)腔相貫線處存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，由于加工、腐蝕等處可能會(huì)存在微小缺陷，上述微小缺陷在交變應(yīng)力作用下，會(huì)逐漸可見裂紋直至泵頭體完全貫穿失效，如圖 1 所示。

(a) I 型（張開型） （b）II 型（滑開型） （c）III 型（撕開型）圖 2-1 基本斷裂模式Fig.2-1 Basic fracture models（1）箭頭所指方向?yàn)闃?gòu)件所受載荷的方向，當(dāng)載荷方向與裂紋面法向及裂紋展方向垂直時(shí)，該裂紋為 I 型斷裂模式；（2）當(dāng)載荷方向與裂紋擴(kuò)展方向平行且與裂紋擴(kuò)展方向同向，構(gòu)件為 II 型斷模型；（3）當(dāng)載荷方向與裂紋面平行但與裂紋擴(kuò)展方向垂直時(shí)，構(gòu)件為 III 型斷裂式。在實(shí)際工程中，為了滿足不同的需要，構(gòu)件的結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜，且所受載形式并不單一，因此構(gòu)件的斷裂模式通常認(rèn)為是上述三種基本類型組合而成的合型裂紋。預(yù)測(cè)裂紋的擴(kuò)展及描述裂尖的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)主要有兩大理論：一為以線彈性理為基礎(chǔ)的線彈性斷裂力學(xué)，目前線彈性斷裂理論已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，對(duì)于預(yù)脆性斷裂及裂尖小范圍屈服的裂紋擴(kuò)展問題有很好的效果；另一理論則是考慮

圖 2-2 裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)Fig.2-2 Stress filed of crack tip裂模式的裂尖附近的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)在形式上表達(dá)：(I) (I)I( )2πσ =θij ijKfr(I) (I)I( )π=θi iru K g )為圖 2-2 中的各應(yīng)力分量；ui(i=1,2,3)代表三個(gè)標(biāo)（I）代表 I 型斷裂模式。fij(θ)和 gi(θ)為以近似表達(dá)式中，由于存在 r-1/2奇異性，在 r=0實(shí)際情況嚴(yán)重不符，因此不適宜用應(yīng)力值評(píng)價(jià)子 K 是有限的，且與裂紋尺寸、載荷大小及強(qiáng)度。因此在以線彈性斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的疲勞
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