4 测试管柱的力学分析

4 测试管柱的力学分析

测试管柱在井筒中要受到各种外力的作用，如内外压力、重力、井壁的反力等的作用。这些作用力与温度共同作用在测试管柱上，造成管柱的变形，如拉伸变形和屈曲变形等，以及在测试管柱中产生内力，如轴向力、弯矩等。如果这些变形或内力过大，就可能对测试管柱产生损坏。

在不同的操作中，这些外力是不同的。因而，各种工况所产生的内力也不尽相同。例如，下放测试管柱时，测试管柱受的外力为重力和完井液对管柱的浮力，上部则由钻机大钩吊着；在坐封时，大钩逐步加上钻压，即松弛力，使封隔器坐封；在开井时，测试管柱中有天然气流过，因而测试管柱内外压力会发生变化，此外，测试管柱的温度变化会使管柱伸长。因此，在分析时必须根据不同工况进行具体分析。

管柱在受到外力作用时产生变形，根据不同的内力，变形有所不同。众所周知，当管柱的轴向力是受拉时，管柱只是伸长，而当管柱的轴向力是受压时，除了轴向缩短外，对于这种长细比很大的管柱，管柱还会产生屈曲变形。屈曲变形反过来又会影响内力。

因此，对测试管柱在井筒中的力学分析有助于合理地设计测试管柱及其测试操作。在本章中，我们研究井眼中管柱的受力分析、受压部分的屈曲分析和测试管柱的强度分析。

4.1 测试管柱各工况的受力分析

在地层测试过程中，需要进行测试管柱的下放（简称为下钻）、用低比重流体替代测试管柱中的流体（简称为低替）、封隔器坐封（简称为坐封）、打开井口关井阀诱喷（简称为开井）、井下关井阀关井（简称为1关）、井口关井阀关井（简称为2关）、高比重泥浆循环压井（由井口油管将高比重泥浆压入，从环形空间流出；简称为循环）或高比重泥浆反循环压井（由井口环形空间将高比重泥浆压入，从油管流出；简称为反循环）和压裂与酸化（简称为高挤酸）等操作。在这些操作中，测试管柱受力是不

一样的。下面我们根据不同工况分析测试管柱的受力情况。 4.1.1 下钻完 测试管柱在下放的过程中，井眼中存在有完井液。测试

管柱此时受有重力、悬挂力和液体的作用力（浮力）。

设井眼垂直，测试管柱全长为l ，从井口沿井眼中心垂直向下建立坐标系，深度坐标为z ，参见图4－1。

重力均匀作用在测试管柱整个深度范围，微长d z 的管

柱所受的重力d Q 为

z g Q d d ρ= (4－1) 式中： ρ为单位长度测试管柱的质量，kg/m ；

g 为重力加速度，m/s 2。

悬挂力P 直接作用在测试管柱的顶部。悬挂力的大小按下式计算

Vg Lg P γρ-= (4－2) 式中： γ为完井液密度，kg/m 3；

L 为测试管柱长度，m 。 V 为测试管柱浸入井筒完井液的体积，m 3。

浮力与测试管柱的下放深度成正比。当下放到深度z = l 时，测试管柱受的浮力F b 作用在测试管柱的底部，其大小为

glA F γ=b (4－3) 式中： A 为测试管柱底部的面积，m 2。

对于组合测试管柱，即由不同截面积组成的测试管柱，各段管柱分别计算该段管柱的浮力。假设组合管柱的某一分界面位于深度z = l 1的地方，则应在此分界面上加上一个向上的集中力F 1

图4－1 下钻测试管柱受力图

)(2111A A gl F -=γ (4－4) 式中： A 1为组合管柱分界面以上段底部的面积，m 2；

A 2为组合管柱分界面以下段顶部的面积，m 2。

4.1.2 低替

进行低比重液体替换操作时，测试管柱仍然是由大钩悬挂，作用在测试管柱上的重力不变。悬挂力P 由平衡方程计算出。

低替时，从井口油管内将低比重液体压入井中，井中多余完井液从井口的环空处流出。低替载荷最大时是低替完成的时候。此时，在测试管柱内充满低比重液体，环空中则仍有完井液占据。测试管柱在井底的压力应等于环空在井底的压力。由于测试管柱中低替液比重小于完井液的比重，在测试管柱的井口必须加上压力p

gl p )(21γγ-=

(4－5) 式中： γ 1为完井液的密度，kg/m 3；

γ 2为低替液的密度，kg/m 3；

假设组合管柱的某一分界面位于深度z = l 1的地方，则应在此分界面上加上一个向上的集中力F 1

2121111')('A p gl A gl F +-=γγ (4－6) 式中： )('22211O O r r A -=π，m 2；1O r 和2O r 分别为测试管柱分界面上段的外半径和下段外半径，m 。)('2221i 2i r r A -=π，

m 2；1i r 和2i r 分别为测试管柱分界面下段的外半径和上段

外半径，m 。

图4－2测试管柱坐封受力图

4.1.3 坐封

坐封是在低替之后进行的操作。坐封操作时，通过旋转测试管柱使封隔器动作，再将大钩往下放，封隔器坐封。大钩松弛力越大，封隔器坐封力也越大。作用在测试管柱上的载荷除了低替的载荷外，还有封隔器上作用有坐封力。在封隔器以下的测试管柱的重量已经通过封隔器传递到套管上，因此，对封隔器以上的测试管柱已经不再起作用。坐封后，封隔器成为固定支点，坐封以后各操作封隔器以上测试管柱的变形以此为基准计算。

一般来说，封隔器坐封力大小与井口松弛力的大小并不相同，原因是大钩在下放的过程中，下部的管柱因受压而进入螺旋屈曲，测试管柱与井壁接触，一部分力被摩擦力抵消。在计算封隔器坐封力时，必须考虑测试管柱的螺旋屈曲。封隔器的坐封力与井口松弛高度的距离的关系在下节中导出。

4.1.4 射孔

坐封之后，通过油管加压或通过环空加压进行射孔，建立起油层与测试管柱之间的通道，诱导油气由测试管柱喷出。

射孔操作与坐封操作不同的是，在射孔时，在井口测试管柱中或在环空中施加井口压力。该压力的大小必须能使射孔枪动作。

4.1.5 开井

射孔之后，建立起油气流的通道。储油层的油气流在地层压力的驱动下流入封隔器下套管口袋中，并经由测试管柱流出。如第三章所述，流体在流过测试管柱时，压力和温度要发生变化，变化的规律由一组非线性微分方程描述。

开井后在测试管柱上，外部压力仍然维持坐封时的状态，测试管柱的内部压力和测试管柱的温度需要用数值方法求出（见第三章）。测试管柱内流体的压力和温度变化使得测试管柱的变形产生变化。

4.1.6 井下关井阀关井

开井以后第一次关井一般采用井下关井阀关井。通过在井口的环空加压使得井下关井阀动作，从而达到关井的目的。

关井后，地层油气流通过测试管柱流出井口的途径被阻断，测试管柱中的流体密度仍然保持开井时的密度，井口测试管柱压力减为零。由于流量减为零，井底的流压逐渐增加，作用在关井阀上的压力将使封隔器受很大的向上的力。

4.1.7井口关井阀关井

当最后关井时，采用井口关井阀进行关井操作。关井后，井中测试管柱中的流体密度仍然保持开井时的密度。由于流量为零，井口的压力进一步升高，直到井底的流压恢复到地层压力。

4.2 考虑摩擦井眼中杆柱屈曲方程的建立

4.2.1 无摩擦井眼中管柱的屈曲方程

假设测试管柱和井眼内壁摩擦力可以忽略，管

柱是均匀的（无接头），井眼垂直，管柱无初始弯

曲内力。

设井眼中心线向下为x 轴，y 轴、z 轴如图4

－3所示，井眼的半径为c R ，杆柱的半径为t R ，杆

柱受压发生螺旋屈曲后，其轴线上任一点必在以井眼中心为轴线，半径为t c R R r -=的圆柱面上，圆柱面的矢径为

k j i r θθcos sin )(r r x x ++= (4－7)

微元体x d 作用有内力++=j i R y x F F x )(k z F ，内力矩i M x M x =)(k j z y M M ++及

图4－3 井眼与测试管柱的几何关系z

分布外力f

k j i f θθμcos sin )(N N q N +--=

(4－8) 其中： q 为单位长度杆柱重量(N/m)；

N 为井壁对杆柱的法向支反力(N/m)。

微元体的静力平衡方程为 f R

=x d d ，x x d d d d r

R M

⨯=

(4－9) 即 q N x F -=μd d x ，θsin d d y N x F -=，θcos d d z

N x F

=

(4－10) x F F r x M d d )cos sin (d d z y x

θ

θθ-=

(4－11) x r F F x M d dcos

d d x z y θ

+=

(4－12) y x z

d dsin d d F x r F x M -=θ

(4－13) 式(4－10)中： μ为管柱与井筒内壁之间的滑动摩擦系数。

井眼的约束使屈曲变形仍在弹性小变形范围内，梁假设仍起作用，因此

2222y d cos d d d x EJr x z EJ M θ

-==

(4－14) 2222z d sin d d d x EJr x y EJ M θ

-=-=

(4－15)

上二式中：E 为管柱材料的弹性模量，MPa ；

J 为管柱的截面惯性模量，m 4。

根据方程(4－10)至(4－15)，用Maple 软件，可导出杆柱在垂直井眼中的屈曲方程， Maple 程序如下：

mz:=-EJ*r*diff(sin(th(x)),x$2);

Fy:=-diff(mz,x)+Fx(x)*r*diff(sin(th(x)),x);

my:=-EJ*r*diff(cos(th(x)),x$2);

Fz:=diff(my,x)-Fx(x)*r*diff(cos(th(x)),x);

N:=diff(Fz,x)*cos(th(x))-diff(Fy,x)*sin(th(x));

simplify(N);

dFz:=diff(Fz,x);

eq:=dFz-N*cos(th(x));

simplify(eq);

运行后，得到垂直井眼中的屈曲方程： 0d d d d 6d d d d d d d d 22244x 22x =⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛x x x EJ x x F x F θθθθθ (4－16)

反力N 的表达式为 ⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅+⎪⎭⎫ ⎝⎛=4222332d d d d 3d d d d 4d d x x x x EJ x F r N x θθθθθ (4－17)

以及弯矩M 的表达式 22242z 2y d d d d ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=+=x x EJr M M M θθ (4－18)

在方程(4－16)中，如果假设轴向力为常量，则方程左边的第二项为零，屈曲方程可简化为： 0d d d d 6d d d d 2224422=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛x x x F EJ x x θθθθ (4－19)

4.2.2 有摩擦屈曲方程的解

根据方程(4－19)，Lubinski 等得出了井眼中管柱的等重、与井壁无摩擦的螺旋屈曲解[1]。 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧<>⎪⎭⎫ ⎝⎛-=qL F EJq r

F qL F qL L F EJ r u 0200028,214 (4－20)

式中： F 0为管柱的轴向载荷，N ；

L 为管柱的长度，m 。

摩擦力在井眼中杆柱的屈曲中起着重要作用，为了在计算中考虑摩擦力，我们进行以下的近似计算：设杆柱与井眼壁的接触力仍可用Lubinski 解，即 ⎪⎩⎪⎨⎧<>-=0)(,00)(),(4)(2x F x F x F EJ r x W n (4－21)

设杆柱的中性点为坐标原点，向下为正，现考虑几种不同的加载工况。

4.2.2.1 上部加载

在由上部加载情况下，可以得到如下方程： q EJ x rF x x F -=4)(d )(d 2x x μ (4－22) 设x 21F EJq

r y μ=，上述方程化为 1d d 22-=y x y rq EJ μ (4－23)

分离变量，得

x y y rq EJ d 1d 22=-μ (4－24) 两边积分，得出 C x y y rq EJ +=-+11ln μ (4－25) 式中，C 为积分常数，由边界条件确定。当1>y 时，即r EJq F μ2

x >，解出y 并代入，得 ()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=C x EJ rq r qEJ x F μμ21coth 2)(x (4－26)

当1

EJq F μ2x <，解出y 并代入，得 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=C x EJ rq r qEJ x F μμ21tanh 2)(x (4－27)

相应于1>y 时，轴向力引起的缩短为 ()()121sinh ln 4d 21coth 2C C x EJ rq r J A x C x EJ rq r qEJ EA l +⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=∆⎰μμμμ (4－28)

相应于1

⎫ ⎝⎛+=∆⎰μμμμ (4－29)

相应于1

⎫ ⎝⎛+=∆⎰μμμμ (4－30)

管柱刚下到垂直井眼中时，整个管柱处于拉伸状态，管柱与井壁没有摩擦。当封隔器坐封后，如果给管柱加一定的钻压，管柱的一部分会因为受压而进入螺旋屈曲，此时，1

q W L q L /)(B T N -⋅= (4－31)

式中：L T 为管柱的全长；W B 为加的钻压。

作为例子，假定套管内径D ci = 127mm ，油管外径D to = 88.9mm ，油管内径D ti = 70.2mm ，油管全长为4000m ，井中的液体比重为1；在地面下放油管坐封并加上钻压，钻压为400KN ，中性点以下的管柱的轴向压力如图4－4所示。随着摩擦系数的增加，能加到封隔器上的载荷越小。摩擦系数较大时，距离中性点较远的受压段油管的轴向力随深度变化不大；摩擦系数减小，加到封隔器上的载荷增大。当摩擦系数为零时，井口的松弛力全部由封隔器承担，这时，管柱的轴向力为一直线。

井深/m 管柱轴向载荷/104N

图4－4 钻压状态下不同摩擦系数下的轴向载荷 现考虑另一种情况，如果在井口管柱加大松弛力直到的悬挂力为负，即井口管柱不是悬挂而是在油管的顶部施加向下的载荷，此时，1>y 。假设油管顶部加压为

200KN 。油管轴向力如图4－5所示，可以看出，底部的轴向力与顶部载荷关系不大，只与摩擦系数有关；顶部的轴向力变化很快，顶部的压力很难传递到井中。摩擦系数越大，顶部压力传递的衰减越厉害。

井深/m

图4－5 油管顶部加压下不同摩擦系数下的轴向载荷

4.2.2.2 底部加载

在由底部加载情况下，可以得到如下方程： q EJ

x rF x x F +=4)

(d )(d 2x x μ (4－32)

设x 2

1F EJq

r

y μ=

，上述方程化为

1d d 2

2+=y x

y

rq EJ μ (4－33)

分离变量，得

x y y

rq EJ d 1

d 2

2=+μ

(4－34)

两边积分，得出

C x y rq

EJ

+=arctan 2

μ (4－35)

轴向力引起的缩短为

()()1

21cos ln 4d 21tan 2C C x EJ

rq r J A x C x EJ rq r qEJ EA l +⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+=

∆⎰μμμμ (4－36)

屈曲引起的缩短为

()⎰⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+=∆x C x EJ rq EJ r l d 21tan 42

μ (4－37)

如果从管柱底部向上加载200KN ，油管轴向力如图4－6所示，可以看出，摩擦系数越大，中性点越深。

管柱轴向载荷/10N

井深/m

图4－6 油管底部向上加载时不同摩擦系数下的轴向载荷

如果从管柱底部向上加载分别为200KN 、400KN 、600KN 、800KN ；摩擦系数为0.2；油管轴向力如图4－7所示。

-80

-70-60

-50-40-30-20-100

4000

39003800370036003500

3400管柱轴向载荷/104N

井深/m

图4－7 油管底部向上加不同载荷时的轴向载荷

油管底部加200KN 时，中性点深度为3500m ，当加到800KN 时，中性点深度仅为3400m 。这表明，底部加压时，影响的是距离底部不远的地方。

从工程实际来看，底部加载类似于井下封隔器滑动，井底压力直接作用在管柱底部，巨大的压力可能使井底几百米的管柱出现永久变形。

4.2.2.3 多段井筒和多段管柱轴向力计算

完井与地层测试中，往往管柱是复合管柱，即由不同尺寸的油管组合的管串，油层套管也不是直接接到井口，而是用套管挂挂接在前一次下的套管上（右图），这样就形成了多段井筒和多段管串的情况。

计算轴向力时，必须将井段分成很多段，

每一段具有同一套管内径、同一油管尺寸。在每一段中就可以应用上面导出的公式计算轴向力。在两段连接处考虑连接条件。

4.3 屈曲方程的精确解

4.3.1 无因次化

由于方程(4－19)是一个非线性的常微分方程，一般来说，可能没有解，也可能有一个解，也可能有许多解，2002年，Mitchell 得到了方程(4－19)另外一些解析解[2]。其中一个解具有一定的物理意义，我们下面导出该解。

为了求解这个方程，将方程作无因次处理，设无因次长度ξ

x EJ

F x

=

ξ (4－13)

方程(4－19)化为

图 某井的套管程序

0d d d d 2d d d d 3

33=⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-ξθξθξθξ

(4－14)

反力(4－17)化为

⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=

4

2223322

x d d d d 3d d d d 4d d ξθξθξθξθξθEJ

rF N (4－15)

设无因次反力为2

x c rF NEJ N =

4

22

2332

c d d d d 3d d d d 4d d ⎪⎪⎭⎫

⎝

⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ξθξθξθ

ξθξθN (4－16)

类似的，设无因次弯矩为r

F M

M x =

c

2

224

c d d d d ⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ξθξθM

(4－17)

4.3.2 精确解 [2]

设ξ

θ

d d =

u ，方程(4－14)变为

0C )12(d d 222=+-+-u u u

ξ

(4－18)

式中C 为积分常数，方程(4－16)简化为

42

222

c d d 3d d 4u u u u u N -⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛++=ξξ (4－19)

用雅可比椭圆函数

))((sn )(m u φβξαβξ+= (4－20)

其中α，β和φ均为常数，代入方程(4－18)，得

m =2α，m

+=

11

2β，0C = (4－21)

设2k m =，得解为

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛++=k k k k u ,1sn 1222

ξ (4－22)

积分上式，得

()()[]k k k k ,cn ,dn ln βξβξθ-=

(4－23)

式中的dn 和cn 均为雅可比椭圆函数。

4.3.3 精确解的分析

4.3.3.1 变形形状

为了求出精确解的形状，假设99999.0=k ，r = 0.7，管柱外半径r 1 = 0.7；用Matlab 计算并绘出杆柱在井眼中的立体图，程序如下：

clear;

M=0.99999;U1=0:0.5:30;r=0.7;r1=0.5;nd=40; U=U1/sqrt(1+M);

[SN,CN,DN] = ellipj(U,M); Th=log(DN-sqrt(M)*CN); [X,Y ,Z] = cylinder(r+r1,50); Z=Z*30/1.4; surf(X,Y ,Z);

左右旋

交界点

图4－8精确解管柱屈曲形状

alpha(.5);

shading interp;

axis off;

[m,n]=size(U1);

for i=1:n

for j=1:nd

x((i-1)*nd+j)=r*cos(Th(i))+r1*cos(2*j*pi/nd);

y((i-1)*nd+j)=r*sin(Th(i))+r1*sin(2*j*pi/nd);

z((i-1)*nd+j)=U(i);

if(i~=n)

if(j ~= nd)

f((i-1)*nd+j,:)=[(i-1)*nd+j (i-1)*nd+j+1 i*nd+j+1 i*nd+j];

else

f((i-1)*nd+j,:)=[(i-1)*nd+j (i-1)*nd+1 i*nd+1 i*nd+j];

end

end

end

end

vt = [x' y' z'];

hold on;

patch('Faces',f,'Vertices',vt,'FaceVertexCData',0.5,'FaceColor','flat');

立体图中可以看出，与Lubinski解不同的是：Lubinski解在整个屈曲管柱长度都是螺旋形状，雅可比椭圆函数的解是周期性的，在井中左旋和右旋交替，在图中指出了由左旋改变成右旋的交界点，左右旋的长度与常数M的大小有关，M越大，螺旋圈数越多，但其周期随参数M的增加而增大，当M趋于1时，精确解趋于Lubinski解。因此，Lubinski解是精确解的特殊形式。

4.3.3.2反力计算

根据(4－22)式，结合(4－19)式，可用Maple 导出反力，Maple 程序如下： u:=k/sqrt(1+k^2)*JacobiSN(z/sqrt(1+k^2),k); N:=u^2+4*u*diff(u,z$2)+3*(diff(u,z))^2-u^4; simplify(N);

运算结果为：

()

2

22

2

22422

)

1(,1sn 16,1sn 103k k k k k k k k N c +⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=ξξ (4－24)

当99999.0=k 时，无因次反力如图4－9所示。反力在大部分区域为常值0.25，与Lubinski 解一致。反力在一小部分区域为负值，这与实际假设是不符的，因此在这一部分区域，解是不正确。在另一小部分区域中，反力的值很大，约为0.75，是平均反力的三倍，这个区域是杆柱螺旋角变化为0的点的附近。 2、杆柱缩短计算

由于屈曲，可引起杆柱的缩短，在屈曲段的缩短量由下式确定：

⎰⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛=

∆l B r EJ F l 02

2d d d 2

1ξξ

θ (4－25)

B l ∆与k 值有关，图3是不同k 值的缩短值B l ∆与ξ的关系，随k 值的增加，屈曲缩短值增加，Lubinski 解的缩短值最大。这意味着当k 较小时，管柱比较硬，变形比较小，在计算变形时必须考虑这种影响。

0102030

40-0.2

0.00.20.4

0.60.8N c

ξ

图4－9 无因次反力图

∆L ξ

ξ

图4-10 不同k 值时管柱的屈曲引起的缩短

参考文献

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JPT (June 1962) 655; Trans., AIME, 225.

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[3] Mitchell, R.F. Comprehensive Analysis of Buckling with Friction. SPE Drilling & Completion,

Sept. 1996:178~184

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2000) 162.

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33~35

[6] 高宝奎，高德利. 高温高压井测试管柱变形增量计算模型. 天然气工业，2002,22(6)：52~54 [7] 张福祥，高国华，王宇，周晓军. 垂直井螺旋弯曲管柱的摩擦和自锁分析. 石油学报，2000，

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[8] 李钦道,谢光平,张娟. 不能移动封隔器管柱变形受力分析－封隔器管柱受力分析系统讨论之

五. 钻采工艺，2002，25(2)：53~57

[9]井下作业技术数据手册《井下作业技术数据手册》编写组编.，北京: 石油工业出版社, 2000.

汽车转向管柱溃缩量设计

汽车转向管柱溃缩量设计 一、溃缩结构选择 汽车转向管柱的溃缩结构应具有以下特点： 1.能够在冲击载荷下产生预定范围内的溃缩，以吸收能量并降低对乘员的冲击。 2.保证在正常使用条件下具有足够的强度和刚度，以提供稳定的转向性能。 3.能够在多次冲击下保持稳定的性能，以避免在多次事故中失效。 二、溃缩材料选择 汽车转向管柱的溃缩材料应具有以下特点： 1.具有较高的强度和韧性，以便在冲击载荷下能够吸收足够的能量。 2.具有较好的耐腐蚀性，以适应汽车使用环境。 3.具有较低的密度，以减轻转向管柱的总质量。 三、溃缩力学分析 汽车转向管柱的溃缩力学分析应包括以下内容： 1.分析在冲击载荷下，转向管柱的应力分布、变形情况以及能量吸收能力。 2.根据分析结果，优化转向管柱的结构设计和材料选择，以提高其溃缩性能。 3.预测转向管柱在正常使用条件下的强度和刚度，以确保其能够提供稳定的转向性能。

四、溃缩耐久性评估 汽车转向管柱的溃缩耐久性评估应包括以下内容： 1.通过试验和仿真分析，评估转向管柱在多次冲击下的性能稳定性。 2.测试转向管柱在不同温度和湿度条件下的性能表现，以评估其耐候性。 3.针对关键部位进行疲劳强度分析，以确定其能够承受长期使用中的交变载荷。 五、溃缩安全性验证 汽车转向管柱的溃缩安全性验证应包括以下内容： 1.通过模拟实际事故场景的试验，验证转向管柱在冲击载荷下的溃缩吸能效果。 2.对转向管柱进行安全性评估，包括对其在事故中对乘员保护效果的评价。 3.根据评估结果，优化转向管柱的设计，以提高其在事故中的安全性。 六、溃缩舒适性考量 汽车转向管柱的溃缩舒适性考量应包括以下内容： 1.在进行结构设计时，考虑对冲击载荷的缓冲效果，以降低对乘员的冲击。 2.选择具有良好手感的材料，以提供舒适的握感。 3.优化转向管柱与座椅的接触部分设计，以提高整体的舒适性。

管柱力学

第一章管柱结构及力学分析 1.1水平井修井管柱结构 1.1.1修井作业的常见类型 修井作业的类型很多，包括井筒清理类的、打捞落物类的、套管修补类的。 1）井筒清理类 （1）冲砂作业。 （2）酸化解堵作业。 （3）刮削套管作业。 2）打捞类 （1）简单打捞作业。 （2）解卡打捞作业。 （3）倒扣打捞作业。 （4）磨铣打捞作业。 （5）切割打捞作业。 3）套管修补类 （1）套管补接。 （2）套管补贴。 （3）套管整形。 （4）套管侧钻。 在各种修井作业中，打捞作业约占2/3以上。井下落物种类繁多、形态各异，归纳起来主要有管类落物、杆类落物、绳类落物、井下仪器工具类落物和小零部件类落物。1.1.2修井作业的管柱结构 1）冲砂：前端接扶正器和冲砂喷头。

图1 冲砂管柱结构2）打捞：直接打捞，下常规打捞工具。 图2 打捞管柱结构3）解卡：水平段需下增力器和锚定器。 图3 解卡管柱结构

4）倒扣：水平段需下螺杆钻具和锚定器。 图4 倒扣管柱结构5）磨铣：水平段需下螺杆钻具、锚定器和铣锥。 图5 磨铣管柱结构6）酸化：分段酸化需下封隔器。 图6 分段酸化管柱结构

1.1.3刚性工具入井的几何条件 在水平井打捞施工中，经常使用到大直径、长度较大的工具，工具能否顺利通过造斜率较大的井段是关系到施工的成败关键，对刚性工具，如果工具过长或工具支径过大，工具通过最大曲率处将发生干涉。 对于简单的圆柱形工具，从图7可以得出工具通过最大曲率井段的极限几何关系为： 22)d 2/D R (2)/D (R 2L +--+= 式中：L —工具长度；R —曲率半径；D —套管直径；d —工具直径。 图7 简单工具入井极限几何关系 图8 刚性工具串入井极限几何关系 对于复杂外形的工具或刚性工具串，从图8可以得出工具通过最大曲率井段的极限几何关系为： 222212)2 d 2d 2D R ()2D R ()2d 2d 2D R ()2D (R L ++--++++--+ = 式中：L —工具长度；R —曲率半径；D —套管直径；d —工具中部直径；d 1—工具上端直径；d 2—工具下端直径。 1.2修井管柱力学分析 1.2.1修井管柱工况分析 1）修井作业管柱受力类型 （1）上提或下放作业。 上提下放过程中，管柱可能受到的力有：套管压力、油管压力、大钩拉力、重力、浮力、接触反力、摩擦力、抽吸作用力、惯性力。

水平井钻柱摩阻、摩扭分析

水平井钻柱摩阻、摩扭分析 张宗仁 一、文献调研与综述 在水平井中，由于重力的作用，钻具总是靠着井壁（或套管）的，其接触面积就比直井大很多所产生的摩擦力和扭矩将会大大的增加。对管柱的摩擦阻力和轴向拉力研究计算，保证钻井管柱（钻柱或则套管，油管）的顺利上提和下放。如今，国内外已经有很多关于磨阻计算的力学模型，主要分为两大类：一类为柔杆模型，另一类为柔杆加刚性模型。 1．1约翰西克柔杆模型： 约翰西克(Johansick)在1983年首次对全井钻柱受力进行了研究，为了研究的方便，在研究过程中.他作了以下几点假设: (1)钻柱与井眼中心线一致； (2)钻柱与井壁连续接触: (3)假设钻柱为一条只有重量而无刚性的柔索； (4)忽略钻柱中剪力的存在: (5)除考虑钻井液的浮力外忽略其他与钻井液有关的因素。 在此假设条件下，建立了微单元力学模型，根据单元的力学平衡，推导出如下的拉力、扭矩计算公式: 12 22 cos [(sin )(sin )]t T W N M Nr N T T W αμμθααα?=±?==?+?+ 式中： T:钻柱单元下端的轴向拉力，N ； Mt:钻柱扭矩，N.m ； N:钻柱与井壁的接触正压力，N ； W:钻柱在钻井液中的重量，N ； u:钻柱与井壁的摩擦系数； r:钻柱单元半径； a,△a,△θ:平均井斜角，井斜角增量，方位角增量;起钻时取“+”，下钻时取“-”。 1．2二维模型: Maida 等人对拉力、扭矩进行了平面和空间的分析，建立了应用于现场的二维和三维的数学模型。他建立的二维模型和三维模型如下: 111211111 **[(1)(sin sin )2(cos cos )] 1exp[()](exp[()](Ai Ai B i i B i i B B i i B i i i i i qR F A F C a A a C a A a A a a A a a l l a a μμμμμ-------=+--+-+=-=---i 起钻)下钻)R= 式中B μ为摩擦系数，li 计算点井深，FAi 为计算点轴向载荷，C1、C2为符

080505大庆油田高温深井试气井下管柱力学分析

大庆油田高温深井试气及其管柱特点简析 表1是与管柱力学计算有关的大庆油田高温深井试气基础数据，表2所示为大庆油田常用试气（压裂）井下管柱组合。由表可见，与传统的试井（Well Testing）作业及国内其它油田相比，大庆油田试气的主要特点为高温、深井、高压，且经常进行射孔、测试、压裂联作，因此，必须考虑上述特点，进行管柱力学分析。 此外，以前大庆油田试气井口主要为控制头，但随着APR测试工具的引入，也开始用采油树试气。而井下封隔器既有传统的PT封隔器、插管封隔器，也有可双向限位的封隔器，如JS—2、RTTS等。采油树、控制头及不同封隔器对管柱轴向变形的约束是不一样的，因此，进行管柱力学分析时，必须考虑井口和井底对管柱的约束，用“超静定”结构和非线性分析方法，迭代计算管柱受力和变形。 表1大庆油田高温深井试气管柱力学分析基础数据 表2大庆油田常用试气（压裂）井下管柱组合

一、大庆油田高温深井试气（压裂）井下管柱变形分析 为分析方便，计算压力时，以井口为坐标原点，向下以井眼轴线作为z 轴；计算轴向力、弯矩、接触力时，以井底为坐标原点，向上以井眼轴线作为x 轴。根据管柱力学分析惯例，为了综合反映内外流体对管柱轴向力及管柱轴向稳定性的影响，定义“等效轴力”)(x Fe ： )]x (A )x ()x (A )x ([)()(o o i i ρρ++=x F x Fe 经过分析，内压)(z p i 、外压)(z p o 、轴向力)(x F 、弯曲管柱与井壁的接触支反力)(x N 和弯矩)(x M 计算公式如下： 流动摩阻井口±+=Z )(i γi i p z p Z p )(p o o o γ+=井口z EI x Fe x x N 4) ()()(2δ= 2 ) ()()(x x Fe x M δ= 其中，)(x F —离井底高x 处管柱所受的“真实轴力”，井口i p —井口管内压力 ，i γ—管内流体比重，流动摩阻±—产出时加流动摩阻、注入时减流动摩阻（流动摩阻由流体力学分析提供），井口o p —井口环空压力，o γ—管外流体比重。 由于轴向力和轴向变形的计算需综合考虑结构超静定、摩擦力和自锁问题，分段迭代进行。因管柱轴向力又影响到螺旋弯曲变形的大小，因此，若下部管柱处于弯曲状态，其轴向力与轴向变形都需进行反复的迭代计算。 二、试气（压裂）井下管柱应力与强度分析 井下管柱上任意一点处的应力主要包括：内外压作用下产生的径向应力),(s r r σ和环向应力),(s r θσ；轴力作用产生的轴向拉、压应力)(s F σ；井眼弯曲和屈曲（包括正弦屈曲和螺旋屈曲）产生的轴向弯曲应力)(s M σ；剪力产生的横向弯曲应力)(s Q τ。由此可见，一般情况下管柱上的任一点的应力状态都是复杂的三向应力状态，在进行强度校核时必须按照第四强度理论进行应力校核。 2.1内外压产生的应力分析 根据材料力学厚壁圆筒理论可知，在内压p i (s)和外压p o (s)作用下管柱上任意一点

油气井杆管柱力学研究现状和发展方向

油气井杆管柱力学研究现状和发展方向 油气井杆管柱力学研究现状和发展方向： 随着能源需求的不断增长，油气领域的钻井活动也逐渐增加。在钻井中，井杆管柱是传递动力和承受负载的重要部分，其力学性能对钻井效率和安全性具有重要影响。因此，研究油气井杆管柱力学已经成为了一个热门的研究方向。 目前，油气井杆管柱力学研究主要集中在以下几个方向： 1. 材料力学和组织结构：油气井杆管柱主要由钢材制成，研究其材料性能和内部组织结构对管柱力学性能的影响是一个重要方向。通过改变材料组成和热处理工艺，提高井杆管柱的强度和韧性，以满足复杂工况下的需求。 2. 管柱受力分析和优化设计：对井杆管柱的受力分析和优化设计是油气井施工中的重要任务。通过建立管柱受力解析模型，考虑不同工况下的力学行为，优化井杆管柱的尺寸和参数，以提高其强度和稳定性。 3. 管柱失效机理和预测：了解油气井杆管柱的失效机理对于防止井杆失效和事故的发生至关重要。研究井杆管柱的疲劳、腐蚀和塑性失效机理，并通过分析和模拟预测井杆的寿命和失效形式，为工程实践提供参考。 4. 管柱动力响应和振动控制：井杆管柱在钻井过程中会受到不同频率和幅度的动力激励，导致振动问题。研究井杆管柱的动力响应和振动控制方法，可以提高钻井效率和安全性。例如，通过改变钻井参数和安装振动控制装置等，减小井杆振动对井口设备和结构的影响。 5. 基于数值模拟的管柱力学研究：随着计算机技术的快速发展，数值模拟成为了研究井杆管柱力学的重要手段。利用有限元、多体动力学等数值模拟方法，可以对井杆管柱的力学性能进行细致分析和模拟。通过数值模拟，可以预测井杆管柱的响应和效应，为实际工程提供依据。 在未来，油气井杆管柱力学研究的发展方向可能包括以下几个方面： 1. 新材料的应用：随着科学技术的进步，新型材料的开发和应用将会提高井杆管柱的性能。例如，高温合金、高强度钢材和复合材料等材料的研究和应用，可以提高井杆管柱的耐高温、抗腐蚀和抗疲劳性能。 2. 多尺度分析方法的研究：井杆管柱力学涉及不同时间和空间尺度的问题，研究多尺度分析方法，将有助于更全面的理解井杆管柱的力学性能。例如，从原子尺度到组织结构尺度的分析，可以揭示材料的微观力学行为。 3. 可靠性和寿命评估：在油气领域，对井杆管柱的可靠性和寿命评估非常重要。未来的研究可以进一步发展管柱寿命评估方法，将更多的参数和因素考虑进来，提高评估的准确性和可靠性。

石油钻采管柱力学第5章

第五章抽油杆柱力学分析及应用 在采油工程中，人工举升设备可分为有杆抽油设备和无杆抽油设备。有杆抽油设备主要由地面驱动设备(如抽油机)、抽油杆、抽油泵组成，这是应用最早、使用范围最广的一种举升设备，如油田上常见的游梁式抽油机等；无杆抽油设备的动力装置(如电机)主要位于井下、一般由电机、电泵组成，如潜油电泵采油设备等。 抽油杆是有杆抽油设备的重要部件[1]，抽油杆柱是由数十根或数百根抽油杆通过接箍连接而成，它将抽油机的动力传递给井下抽油泵。按照抽油杆的运动状态和匹配的抽油泵，可划分为往复泵抽油杆柱和螺杆泵抽油杆柱，其中往复泵抽油杆柱只做轴向运动、以传递轴向力为主，而螺杆泵抽油杆柱只做旋转运动、以传递扭矩为主。位于井下数千米长的抽油杆柱工作状态较为复杂，能否在满足采油工艺条件下安全可靠的长期工作一直是备受关注的技术问题。因此，国内外学者和技术人员为了提高抽油杆工作的可靠性和使用寿命，适应不同油气井的举升需要，主要从抽油杆制造和举升井应用两个方面开展研究，取得了大量研究成果。 在抽油杆的材料、结构和制造方面，随着国内外新材料的发明和应用，抽油杆型号和品种有了很大变化。在原有的Cc级、D级、K级和H级钢制抽油杆基础上，又出现了玻璃钢抽油杆、不锈钢抽油杆、铝合金抽油杆、石墨带抽油杆、非金属带状连续抽油杆、椭圆形截面连续抽油杆、钢丝绳抽油杆等。从结构上看出现了空心抽油杆，从功能上看出现了抗扭抽油杆。这些新型抽油杆的出现，极大地满足了不同油气井举升的需要，也为抽油杆柱的力学分析和工程应用带来了新课题。 在抽油杆举升井应用方面，主要是基于抽油杆柱的力学分析结果，结合人工举升工艺和杆柱失效等情况，开展了以下三个方面的研究和应用： （1）抽油杆柱力学分析与设计口[2-5]，确保井下抽油杆柱能够安全可靠的长期工作，避免杆柱和连接螺纹发生断裂失效事故。 （2）扶正器安放位置计算与杆管防偏磨技术[6-9]，合理的扶正器设计可以使杆管偏磨、摩擦阻力达到最佳平衡点(若扶正器太多必然引起摩阻力增大、采油耗能增加，若扶正器太少又起不到防偏磨效果)。 （3）抽油工况诊断与工艺参数优化[10-12]，通过杆管柱的受力和运动状态，由井口示功图诊断井下工况，仿真抽油杆柱工作状态或整个人工举升系统(包括抽油泵、抽油杆柱和抽油机)，优化举升工艺参数，使有杆采油系统到达最佳工作状态，实现安全、节能目标。 第一节往复泵抽油杆柱载荷计算与设计方法 根据往复泵抽油杆柱只做轴向运动、以传递轴向力为主的受力特征，本节将根据材料力学的拉压变形知识，分析其作用的各种外载荷，从而求得任意井深处抽油杆的轴向力，完成抽油杆柱的强度评价和设计。

四川盆地超深高压含硫气井测试管柱设计方法研究

四川盆地超深高压含硫气井测试管柱设 计方法研究 摘要：四川盆地川东北地区茅口-吴家坪组埋藏深（>6000m）,井底压力高（>140MPa），最大关井压力达到120MPa以上,平均压井泥浆密度在2.3g/cm3左右，硫化氢含量为微含-中含硫化氢，恶劣的工况，极易导致测试管柱断裂、窜漏、阀件无法打开，封隔器失封，造成测试失败，通过梳理国内外管柱安全设计标准，建立适合四川盆地超深高压含硫气井工况环境的安全系数标准，并以此为基础，结合施工酸压限压105MPa,环空操作RD阀、RDS阀环空压力，修正极限条件下的抗内压、抗外挤、空气中抗拉安全系数计算方法，形成适用于超深层海相探井APR测试管柱设计方法，确保了测试井各工况下管柱的安全。 关键词：茅口-吴家坪组；管柱安全；安全系数；测试管柱；超深层；海相探井 1引言 目前我国中浅层、深层大中型低渗致密砂岩气藏、碳酸盐岩气藏已处于生产中后期，产量逐渐递减，新的区块勘探难度加大、开采对象日趋复杂、优质资源减少，面对国民天然气年需求量逐年增加，突破更深储层勘探迫在眉睫；四川盆地作为我国天然气主要战略基地，已提出在2035年建立“西南气大庆”远景目标，四川已实现了陆相蓬莱镇组、沙溪庙、须家河以及海相雷口坡、飞仙关、长兴组的全面勘探开发，下步逐步向超深层茅口组-吴家坪组勘探。 四川盆地川东北地区茅口组-吴家坪埋藏深（>6000m）,井底压力高 （>140MPa），最大关井压力达到120MPa以上,平均压井泥浆密度在2.3g/cm3左右，硫化氢含量为微含-中含硫化氢。我们采用的完井测试管柱需在如此超深、超高压井况下完成座封、酸化、测试以及环空阀件开启等工序，测试管柱安全面临极大的挑战，需进行详细管柱结构力学分析，设计安全可靠的管柱结构。

4 测试管柱的力学分析

4 测试管柱的力学分析 测试管柱在井筒中要受到各种外力的作用，如内外压力、重力、井壁的反力等的作用。这些作用力与温度共同作用在测试管柱上，造成管柱的变形，如拉伸变形和屈曲变形等，以及在测试管柱中产生内力，如轴向力、弯矩等。如果这些变形或内力过大，就可能对测试管柱产生损坏。 在不同的操作中，这些外力是不同的。因而，各种工况所产生的内力也不尽相同。例如，下放测试管柱时，测试管柱受的外力为重力和完井液对管柱的浮力，上部则由钻机大钩吊着；在坐封时，大钩逐步加上钻压，即松弛力，使封隔器坐封；在开井时，测试管柱中有天然气流过，因而测试管柱内外压力会发生变化，此外，测试管柱的温度变化会使管柱伸长。因此，在分析时必须根据不同工况进行具体分析。 管柱在受到外力作用时产生变形，根据不同的内力，变形有所不同。众所周知，当管柱的轴向力是受拉时，管柱只是伸长，而当管柱的轴向力是受压时，除了轴向缩短外，对于这种长细比很大的管柱，管柱还会产生屈曲变形。屈曲变形反过来又会影响内力。 因此，对测试管柱在井筒中的力学分析有助于合理地设计测试管柱及其测试操作。在本章中，我们研究井眼中管柱的受力分析、受压部分的屈曲分析和测试管柱的强度分析。 4.1 测试管柱各工况的受力分析 在地层测试过程中，需要进行测试管柱的下放（简称为下钻）、用低比重流体替代测试管柱中的流体（简称为低替）、封隔器坐封（简称为坐封）、打开井口关井阀诱喷（简称为开井）、井下关井阀关井（简称为1关）、井口关井阀关井（简称为2关）、高比重泥浆循环压井（由井口油管将高比重泥浆压入，从环形空间流出；简称为循环）或高比重泥浆反循环压井（由井口环形空间将高比重泥浆压入，从油管流出；简称为反循环）和压裂与酸化（简称为高挤酸）等操作。在这些操作中，测试管柱受力是不

油气井杆柱力学

油气井杆管柱是石油钻采作业的脊梁和中枢神经。油气井杆管柱力学主要研究钻柱力学、井眼轨道控制、套管设计、有杆泵抽油系统等内容。对油气井杆管柱进行系统全面、准确的力学分析, 可以实现快速、准确、经济地控制油气井的井眼轨道；准确地校核各种杆管柱的强度, 优化杆管柱设计；优化油气井井眼轨道；及时、准确地诊断、发现和正确处理各类井下问题；优选钻采设备和工作参数。 燕山大学石油工程研究所教授、博士生导师李子丰等在国家“八五”重点科技攻关项目“石油水平井钻井成套技术”、国家“九五”重点科技攻关项目“侧钻水平井钻井采油配套技术”、“863”计划项目“旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究”和“海底大位移井钻井技术”、国家自然科学基金项目“防止热采井套管热破坏的固井新技术”等支持下，在建立油气井杆管柱力学理论体系研究方面取得多项重要创新性科学发现。 一、提出了油气井杆管柱动力学基本方程, 该方程统一了原有的油气井杆管柱力学分析领域的各种微分方程, 为油气井杆管柱的各种动静态力学分析奠定了基本理论基础 应油气田开发的迫切需要, 科学界自20世纪50年代以来针对油气井杆管柱的某些特殊问题已进行了较广泛、较深入的研究, 发表了数以百计的学术论文。特别是“七五”和“八五”期间国家组织的对定向丛式井和水平井的科技攻关, 使我国的油气井杆管柱力学研究水平大大提高。但所有的研究工作都是基于某项特殊需要而进行的。对某些问题，如动力问题和几何非线性问题研究较少。为此，需要对杆管柱动力学问题进行系统的研究, 建立统一的理论。

李子丰教授通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析，推导了用于对油气井杆管柱进行各种力学分析的几何方程、运动平衡方程和本构方程。由于油气井杆管柱动力学基本方程统一了现有一切油气井杆管柱力学分析的微分方程，现有的油气井杆管柱力学分析的微分方程都可由该动力学基本方程通过适当简化而得到，所以，该基本方程在石油钻采工程界具有广泛的应用。 二、建立了斜直井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型，指出了“虚构力”理论的错误 石油工程中的钻柱、套管柱、油管柱和抽油杆柱在井筒中工作时在某些井段经常处于压扭状态，发生正弦或螺旋屈曲。屈曲后，杆管柱内的应力急剧增加，与井壁的摩擦阻力增加，会发生自锁现象，严重时可发生强度破坏。 李子丰教授从油气井杆管柱动力学基本方程出发，推导了斜直井中受压扭细长杆管柱几何非线性屈曲的微分方程，建立了水平井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型，分析了无重受压扭圆杆管柱的螺旋屈曲,给出了螺旋屈曲管柱的力学分析方法。 通过对内外压力对管柱稳定性的影响研究发现，(1)传统的油井管柱稳定拉力或虚构拉力的计算公式是错误的；(2)内外压力对悬挂油井管柱的稳定性没有影响；(3)内外压力本身对两端固定的油井管柱的稳定性没有影响，两端固定后，内外压力的变化对油井管柱的稳定性有影响；封固后管柱的等效轴向力与封固时管柱的轴向力、材料泊松比、内压变化量、外压变化量和内外管截面积有关；(4)对于两端固定的油井管柱，内压增加降低管柱的稳定性，外压增加提高管柱的稳定性。 三、建立了油气井杆管柱的稳态拉力——扭矩模型 在油井作业中, 由杆管柱和井壁接触所产生的轴向阻力和扭矩损失对钻采作业有很大的影响, 甚至成为作业成败的关键。先进的拉力和扭矩模型, 尤其在与先进的地面扭矩、大钩载荷、井底扭矩和钻压的测量仪器结合使用时可以实现如下目的: (1) 优选井眼轨迹, 使整个杆管柱的摩擦阻力和扭矩损失最小; (2) 选择和校核地面设备, 优化杆管柱设计; (3) 监测井下问题; (4) 指导下套管作业; (5) 确定杆管柱与井壁的接触压力, 估计套管的磨损程度和键槽是否存在; (6) 决定是否改变泥浆性能; (7) 根据地面悬重计算钻头实际钻压。 李子丰教授依据油气井杆管柱动力学基本方程, 建立了定向井、水平井杆管柱稳态拉力—扭矩模型，并在下列领域得到了成功的应用：（1）钻柱强度分析和优选；（2）井下作业管柱力学分析；（3）井下岩屑床和其它复杂情况监测；（4）优选井眼轨道；（5）钻柱和套管减磨设计等。 四、建立了试油管柱力学分析的数学模型

深井生产作业管柱力学研究毕业论文

深井生产作业管柱力学研究毕业论文 目录 第一章前言 (3) 1.1研究目的及意义 (3) 1.2管柱力学研究历程 (4) 1.3深井管柱力学研究理论与方法 (11) 1.3.1基本理论 (11) 1.3.2求解方法 (12) 1.4研究内容及技术路线 (14) 1.4.1本文的主要研究内容： (14) 1.4.2技术路线 (15) 第二章深井油井管柱力学分析 (16) 2.1井筒温度、压力预测模型 (16) 2.1.1井筒温度场计算模型 (16) 2.1.2井筒压力场计算模型 (17) 2.1.3温度、压力预测模型程序编制（附录A） (20) 2.2带封隔器油井管柱基本效应 (21) 2.2.1活塞效应 (24) 2.2.2螺旋弯曲效应 (25) 2.2.3鼓胀效应 (29) 2.2.4温度效应 (31) 2.3深井油井管柱载荷计算 (33) 2.4深井油井管柱变形计算 (37) 第三章深井油井管柱安全校核 (43) 3.1油井光管柱应力校核 (43)

3.1.1油管安全系数确定 (43) 3.1.2抗外挤应力校核 (44) 3.1.3抗内压应力校核 (46) 3.1.4 丝扣连接屈服强度校核 (46) 3.2带封隔器油管柱安全校核 (47) 3.3第四强度理论校核 (48) 第四章实例计算 (52) 4.1 常用油管技术参数 (52) 4.2实例计算 (56) 4.2.1井筒压力、温度分布（500m为一段） (56) 4.2.2该油管柱轴向变形计算 (58) 4.2.3该油管柱载荷计算 (62) 4.2.4单向应力校核 (63) 4.2.5第四强度理论校核 (64) 第五章结论 (67) 参考文献 (68) 致谢 .......................................................................... 错误!未定义书签。附录 . (70)

石油工程管柱力学课程设计

石油工程管柱力学课程设计 1. 管柱力学基础 管柱力学是石油工程中不可或缺的一部分，它主要研究油井钻探和完井过程中 涉及到的钻杆、液压缸、连接器、钻头等部件在承受外力作用时的应力、变形及破坏规律。针对不同的井口工艺和操作要求，可以通过合理的管柱设计，来保障井口操作的顺利进行。 在管柱设计中，需要关注的主要参数有钢管壁厚、钢管外径、管长、管材质量等。此外，还需对井底温度、井深、地层的物理力学性质等因素进行综合分析，以确保管柱的安全性与可靠性。通常情况下，管柱的强度应该比作用力的强度要大，以保证管柱在工作时不会被破坏。 2. 管柱力学的综合应用 在实际油田开发过程中，除了对单根管柱的分析研究之外，还需要考虑不同管 柱连接方式之间的协调性和共同作用效果。常见的管柱连接方式包括非扭转型（NC）与扭转型（TC）两种，其中扭转型联接更适用于坚硬的井下环境中。另外，在深井钻探中，气阻效应也会对管柱的使用产生影响。 漏失控制也是需要关注的一个因素。管柱在钻探过程中可能会出现事故，比如 突发涌流和炸孔等，都会影响到工程的稳定进行。因此，在管柱设计中，也需要考虑在控制漏失的前提下如何维持作业效率。 3. 钻杆选择与设计 钻杆是立管钻井过程中的核心设备之一，它对钻井效率和作业质量的影响极大。在钻杆的选择中，需要考虑地质条件、钻井设备的特点、工程目标等因素。杆子的外形和长度、螺旋方向、杆组与组间的连接方式都是重要影响因素。

另外，钻杆的设计需要考虑其材料与热翘曲特性，以保证钻杆在挖掘过程中的稳定性和安全性。钢管的选择也需要根据不同条件考虑，比如高强度钢、高温钢和非钢材等。 4. 工程实践 在石油工程实践中，钻井作业中的管柱安全性与可靠性，是每个现场掘进工程师都需关注的重点问题。从杆组的选择和设计到现场杆组的测量和监控，都需要严格遵守工艺标准，保证现场工作的顺利进行。 结合工程实际案例，设计出合理的管柱方案是至关重要的。通过对工程数据的综合分析和应用管柱力学理论，可以更好地掌握现场钻掘过程中的动态变化，从而及时调整管柱设计和作业流程，保障钻掘作业的顺利进行。 总结 管柱力学是石油工程领域中的关键技术，它对石油勘探、发掘和加工都具有非常重要的意义。在未来，随着技术的发展和工程实践的深入，管柱力学理论和实践应用也将更加完善，为油田开发工作提供更为可靠的技术支持。

速度管柱工作原理(一)

速度管柱工作原理(一) 速度管柱工作原理 速度管柱是石油钻探中常用的一种工具，它可以用来测量钻头的下入 速度、回转速度、向下力和扭矩。下面我们来了解一下速度管柱的工 作原理。 什么是速度管柱 速度管柱由一根管道、测速模块、加速器和数据采集仪器组成。当钻 具下入地层时，地层内的流体会流过管道，在管道内形成一个压力差。加速器会将这个压力差转化为速度信号，传送给数据采集仪器，最后 形成速度、回转、力和扭矩等数据。 速度管柱的工作原理 流体流动原理 当钻头下入地层时，地层中的液体会从井底向上流动，同时也会从穿 过管柱的空间中流过。这种流体流动会在管柱中形成一个压力差，即 由前方流动到后方的压力差。 加速器的工作原理 为了测量这个压力差，速度管柱中的加速器会将这个差值转化为速度 信号。加速器通常有两种形式：一种是依赖弹簧原理的振荡法，另一 种则是利用转子和定子的摩擦来产生信号。无论哪种方式，都是通过 测量压力差来得到钻头下入的速度、回转速度、向下力和扭矩。 数据采集仪器的工作原理 测量到加速器传来的信号之后，速度管柱就需要将数据传递给数据采 集仪器进行处理。数据采集仪器可以根据测量出来的值来计算一系列 的钻井参数，例如井深、井斜、方位角和地层辨识等参数。

通过上述的分析，我们可以知道速度管柱是一种利用地层中流体流动和压力差原理来测量钻井参数的有效工具。这种工具在石油行业得到广泛应用，为石油开采提供了可靠的技术支持。 优点 速度管柱的优点主要有以下几点： •精度高：速度管柱的精确度可以达到0.1%。 •测量范围大：速度管柱可以测量从低速到高速的所有流体流动。•可靠性高：速度管柱不易受到干扰，而且在钻井过程中可以不断地进行测量，并且能够长时间工作。 缺点 速度管柱虽然在石油钻探中表现出了很好的优点，但是也有以下几个缺点： •价格昂贵：速度管柱的制造和维护都需要大量金钱投入。 •故障率高：速度管柱中涉及到的传感器、电子元件等易损件，如果使用寿命到期或者出现故障，需要进行更换或者维修，这会增加维护成本。 •受到温度和压力的限制：速度管柱是一种精密仪器，其使用条件需要被限制在一定的温度和压力范围内。 应用领域 速度管柱是一种在石油工业中广泛使用的测量设备，特别适用于以下几个领域： •钻井：速度管柱可以用来测量钻井参数，包括下入速度、回转速度、向下力和扭矩等。 •采油：速度管柱可以用来测量地层内的流体流动，以确定油井的产量。 •探测：速度管柱可以用来探测地下流体的流动情况，以确定通道的位置和大小。

深井注入管柱力学行为及应用

深井注入管柱力学行为及应用 深井注入管柱力学行为及应用是指在地下石油开采过程中，用于 完成注入作业的管柱。它在注入过程中以某种方式被注入在石油藏中，随后将作为承载和输送石油的结构，在井中长期处于操作状态。管柱 的设计和应用需要考虑到柱体、井下气体和注入液体的相互作用，以 及在极其恶劣环境下的应力和位移行为。下面分几个方面来阐述管柱 力学行为及应用。 第一步，管柱设计。深井注入管柱的设计比较复杂，涉及到多种 物理参数，例如压力、流量、温度、材料强度等。在设计过程中，需 要进行力学分析，使其具有足够的承载能力，同时满足流体力学等方 面的要求，保证其良好的口径和压降。 第二步，安装和测量。安装与管柱测量通常分为两个步骤。在安 装过程中，需要考虑到压力和温度等因素，以及管柱的安全性和可靠性。测量过程中需要关注机械张力、扭矩、温度和位移等参数，以获 得管柱完整性和安全性的保证。 第三步，管柱的运行和维护。管柱的运行和维护相当重要。为确 保管柱的性能不变，需要进行定期检修和维护。同时，还需要对新技术、新方法和材料进行评估和采用，以提高管柱的性能。 第四步，管柱的应用。在深井注入过程中，管柱的应用非常重要。它需要在极其恶劣的环境下，提供稳定的支撑和较小的摩擦力。同时，在操作和维护期间，要加强安全和质量控制，以确保注入作业的顺利 进行。 总结，深井注入管柱力学行为及应用是一个涉及多个领域，具有 复杂性和独特性的重要课题。设计管柱时需要考虑多种因素，安装过 程中需要注意各种参数的控制，维护过程中要备好灵敏的技术监察和 材料维护，应用过程中要关注安全性和效率性的保证。管柱的力学行 为和应用的质量将直接影响石油开采的产量和石油公司的盈利能力。

石油工程管柱力学教学设计

石油工程管柱力学教学设计 一、概述 石油工程中的管柱力学是十分重要的一门学科，它对于石油工程井下的钻探、 测井、油气生产以及管线输送等方面都有着至关重要的作用。在石油工程学科中，管柱力学是一门比较底层的学科，它是石油工程学科中其他学科的基础，因此，其教学也显得尤为重要。本文将就石油工程管柱力学的教学设计进行探讨。 二、教学目标 石油工程管柱力学的教学目标应当是培养学生对于管柱力学的基本理论知识的 掌握和相关技能的提升。具体地，应包括下列内容： •掌握石油工程管柱力学的基本理论知识，包括力学原理、应力应变关系、管柱受力分析等； •了解管柱的力学特性，能够熟练掌握管柱力学模型的建立方法和分析技巧； •能够通过实际案例的分析，掌握如何采用管柱力学理论解决实际问题； •具备基本的石油工程管柱力学实验技能，能够独立设计并完成简单的管柱力学实验。 三、教学内容 1. 理论课程 •石油工程管柱力学的基本原理； •管柱受力分析的基本方法； •管柱的应力应变关系； •管柱的弯曲、疲劳分析；

•管柱稳定性分析； •管道输送稳定性的分析等。 2. 实验课程 •管柱力学实验装置的组成和操作方法； •弹性力学模量的测量实验； •管柱受力分析实验； •管柱抗弯实验等。 四、教学方法 1. 理论授课 石油工程管柱力学的理论课程应该采取讲授、案例分析等多种教学方法，让学生在理解概念的基础上，能够加深对于具体案例的分析能力，并能够将理论知识应用于解决实际问题。 2. 实验教学 石油工程管柱力学的实验教学应当突出实践和应用。教学应当针对管柱力学实验装置的组成和实验原理进行详细讲解，使学生了解实验的目的和意义，并进行实际操作。在实验过程中，应当注意对学生进行安全教育和操作技能培养，保证实验的安全性和正确性。 五、教学评估 为确保教学效果，应当对学生进行考核评估。教学评估应该包括理论课、实验课等多个方面。具体如下： 1.理论课考试； 2.实验考核，包括实验检查和实验报告评分； 3.参与度考核，包括课堂出席率、课堂表现等。

管道流体力学基础概述

管道流体力学基础概述 管道流体力学是研究液体、气体在管道中流动的科学。它是流体力学的一个重要分支，广泛应用于工程领域，如石油、天然气、化工等行业。本文将对管道流体力学的基础概念、流量计算、阻力损失以及流体力学分析方法进行概述。 1. 管道流体力学基础概念 管道流体力学基础概念包括管道、流体、流速、流量以及压力等。管道是一种用于输送流体的设备，常见的有圆管、方管等。流体可以是液体或气体，其在管道中具有流动性质。流速是单位时间内通过某一横截面的流体体积，常用m/s来表示。流量则是单位时间内通过某一截面的流体总体积，常用m³/s来表示。压力是流体对管道壁的作用力，常用Pascal（Pa）来表示。 2. 管道流量计算 管道流量计算是管道流体力学中的重要内容，常用的方法有理论计算和实验测试两种。理论计算方法主要基于流体在管道中的动量守恒和质量守恒原理，并借助流体力学方程进行推导和计算。实验测试方法则通过使用流量计等仪器设备，测量流体的流速或压力来间接计算流量。 3. 管道阻力损失 管道中的流体流动会受到管道壁面的摩擦力而产生阻力，从而导致管道阻力损失。管道阻力损失是管道流体力学研究的一个重要问题。

根据流体流动状态和管道几何形状的不同，几种常见的阻力损失计算公式被广泛应用于实际工程中，如达西公式、普朗特公式等。 4. 流体力学分析方法 流体力学分析方法是研究管道流体力学的重要手段，包括数值模拟和实验测试两种方法。数值模拟方法利用计算机模拟流体在管道中的运动过程，通过求解数学方程得到流场变量的分布和变化规律。实验测试方法则通过搭建实验台架或现场测试装置，采集流体流动过程中的各种参数，并进行数据分析和处理。 总结： 管道流体力学是研究液体、气体在管道中流动的科学，它具有广泛的工程应用价值。本文对管道流体力学的基础概念、流量计算、阻力损失以及流体力学分析方法进行了概述。通过深入了解管道流体力学的基础知识和方法，能够更好地应用于实际工程中，提高管道系统的安全性和效率。

关于水平井注水管柱的受力分析

关于水平井注水管柱的受力分析 作者：张雷 来源：《中国新技术新产品》2012年第19期 摘要：在石油的开采开发中，水平井开采技术作为开发的最基本和普遍应用的技术，在石油的开采中发挥了重要作用。而注水是目前油田开采中保持地层能量的主要方式，注水方式是采油实现的稳产、高产的重要措施，，并且随水平井在各油田的普遍应用，水平井注水技术日趋成熟。本文将从水平井注水工艺、注水管柱的概况来分析注水管柱受力状态的影响因素，通过注水管柱的力学模型和计算方式为实际操作提供技术指导。 关键词：水平井；注水管柱；平衡状态；受力分析 中图分类号：TE35 文献标识码：A 一、简述水平井注水和注水管柱 1 简述水平井注水 因为注水井与生产井之间存有径向流，巨压损耗降低采收，而将径向流转变为直线流的方式有垂直向压裂和水平井注采技术，水平井正常注水，管柱所受压力会分散在泄油井端上，界面压力小受到的形变小，降低了含水量的增加速度，油水界面距离增大。水平井能达到泄油的均匀性使水驱前缘能够向前推进，流速较大。根据以上特点水平注水在低渗透等地质复杂的油藏中可以提高其油田油层的开发率，提高产量，加速进程。水平注水可提高水驱波和系数，减小了油层的压力，降低了生产成本。 2简述注水管柱 注水管柱的工作原理是利用配水嘴的节流作用来控制不同底层的注水量。水嘴的大小不同会影响注水的节流损失。而根据地层的配注量来选择合适的水嘴，具有重要意义。 注水管柱会伴随注水工艺与生产工况的不同而有差别，通常情况下，根据注水管柱的结构特点不同形成多种分类。根据支撑方式不同，分为底部支撑式、自由悬挂式。前者难度大于后者，主要因为封隔器的准确度与其管柱的复杂程度有关。组成管柱的工具结构在一定特点上具有相似性，分为固定注水管柱、偏心注水管柱、空心注水管柱、油套分层注水管柱、双段自调分段注水管柱等。根据封隔器工作原理不同分为水力压缩式封隔器分段注水工艺管柱、水力扩张式封隔器分段注水工艺管柱、卡瓦式分段注水工艺管柱、支撑式封隔器分层注水工艺管柱。 二、简析注水管柱受力状态和模型

射孔测试联作管柱受力分析及井下仪器保护技术(精)

射孔测试联作管柱受力分析及井下仪器保护技术 尹洪东李世义 (北京理工大学机电工程学院,北京 100081 张建军 y (华北油田公司采油工艺研究院,河北任丘 062552 摘要结合现场实际,对射孔测试联作施工管柱进行了力学分析,重点分析了高压和射孔枪振动对管柱的影响,指出射孔瞬间在封隔段形成的高压是引起管柱振动的一种主要影响因素,提出管柱的减振方法。指出高压也是压力计损坏的主要因素。在此基础上,设计了管柱结构、井下仪器保护装置,提高了射孔测试联作成功率。 关键词射孔测试联作井下仪器减振器保护器 油管输送射孔与地层测试联作(简称联作技 术,是解决一些储层测试工艺的一种有效方法。由于对管柱受力状况及压力计、时钟等仪器的损坏原因认识模糊,施工中虽使用了减振器,还是频繁发生压力计、时钟等井下仪器损坏现象,阻碍了联作技术的应用。通过对射孔测试联作管柱受力状况分析发现,原来认为时钟、压力计等仪器损坏仅是由射孔枪纵向振动引起的认识是不全面的,得出射孔枪起爆瞬间在封隔段形成的高压引起管柱振动也是造成时钟、压力计等仪器损坏的一种主要影响因素,同时,这个高压造成了压力计因超压而损坏。在此基础上,对管柱结构进行了改进,研制出新型压力计保护装置,并经试验验证,获得了成功。 1 管柱受力及仪器损坏原因分析 1.1 工艺原理

射孔测试联作是把射孔枪与测试仪器组合为一次下井管柱,射孔枪接在管柱的底部,测试仪器接在管柱的中部,采用油管输送的方式,把射孔枪和测试仪器送到预定位置,磁定位测得定位短节深度,调整管柱,使射孔枪对准油层,坐封封隔器并开井后,环空加压引爆射孔枪,然后按测试设计开关井,进行地层测试。射孔测试联作管柱结构见图1。 1.2 管柱受力分析 过去认为射孔枪的纵向振动是引起管柱振动的主要因素,认为压力计、时钟是振坏的。但经对管柱受力分析发现, 射孔枪起爆时枪膛内的高压气体向 图1 射孔测试联作管柱结构 封隔段释放,这部分高压气体会推动管柱向上强烈冲击振动。

油管张力锚设计

高难度复杂井完井管柱力学分析 摘要：针对高难度复杂井完井管柱受到的高温高压现象，全面地分析井内管柱在不同工况（压裂，酸化等）下的力学性能（外载、变形、应力、稳定性等），并以此指导管柱的设计和施工参数的合理选择，避免发生管柱和封隔器失效。温度和压力变化将会对管柱轴向变形及轴向应力有很大程度的改变。若改变量超过某一限度则将导致封隔器脱封或管柱断裂破坏等。为了避免上述各种井下事故的发生，因此对完井管柱进行力学分析是非常有必要的。基于上述原因，首先凭借基础力学知识，结合现场作业实际工况，推导出完井管柱在垂直井，水平井，斜直井中的屈曲方程，并且解出完井管柱的正弦屈曲临界载荷、螺旋屈曲临界载荷。然后在轴向屈曲分析的基础上，给出完井管柱载荷、变形、应力计算方法和公式，并对打球式封隔器做应力分析。 基于以上研究，以DB201井为例，介绍了该方法在油田生产中的应用，计算出了高难度复杂井完井管柱轴向变形和应力，对完井管柱组合提出了指导性意见。 关键词：高难度复杂井；完井管柱；管柱力学分析

Mechanical analysis of highly difficult complex well completion string Abstract：Well completion string for the difficult by the complexity of the phenomenon of high temperature and pressure, a comprehensive analysis of the well string in different conditions (fracturing, acidizing, etc.) of mechanical properties (external load, deformation, stress, stability, etc.), and String to guide the design and construction parameters of a reasonable choice to avoid failure of string and packer. Temperature and pressure will be on the column axial deformation and axial stress have a high degree of change. If the change exceeds a certain limit will lead to de-seal packer or column fracture and destruction. In order to avoid the occurrence of the above mine, the mechanical completion string analysis is very necessary. For these reasons, first of all with basic mechanical knowledge, combined with the actual job site conditions, completion string is derived in the vertical wells, horizontal wells, inclined wells until the buckling equation, and solve the sine completion string critical buckling load, Helical buckling critical load. Then in the axial buckling analysis based on the completion string given load, deformation, stress calculation methods and formulas, and do play packer stress analysis. Based on the above, the DB201 well, for example, introduced the method in the production of oil, calculated difficult complex well completion string axial deformation and stress, made on the completion string combination of guidance. Key words: difficult complex wells; completion string;column mechanical analysis