油气井杆管柱力学.共22页文档
油气井杆管柱的稳定性与纵横弯曲
・石油工程・油气井杆管柱的稳定性与纵横弯曲李子丰(大庆石油学院 安达 151400)摘 要 从压杆稳定与纵横弯曲的概念出发,分析了油气井杆管柱的受力和约束状态,分别讨论了杆管柱纵横弯曲的力学模型和稳定性的力学模型。
关键词 钻杆 套管 油管 稳定性 纵横弯曲 力学分析 石油工程的钻柱、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,对它们的受力和变形状态进行较精确的分析有助于进行优化设计。
油气井杆管柱的稳定性和纵横弯曲力学分析是油气井杆管柱力学的两大主要方面。
1 压杆稳定与纵横弯曲的概念1.1 压杆稳定的概念受压力构件能保持始终不变的平衡状态,称为稳定平衡状态;如构件因受压突然失去其原有的平衡状态,则原有的平衡状态为不稳定的平衡状态。
结构或构件失去其原有的平衡状态的现象在力学中称为丧失稳定。
从稳定到不稳定,一定具有一个临界状态,与临界状态相对应的轴向压力称为临界压力1。
压杆的临界状态为出现两种可能的平衡状态,即直线状态和无限接近于直线的弯曲状态2。
1.2 纵横弯曲的概念当细长杆不仅在不等于零的横向载荷作用下发生弯曲,而且还受到轴向压力作用时,处于纵横弯曲状态3。
1.3 压杆稳定与纵横弯曲的区别(1)在压杆稳定中杆所在任意横截面的合外力为零,而在纵弯曲中横截面的全外力不为零。
(2)在压杆稳定中,当轴向压力小于某一临界值时,压杆一直保持原有状态,它的形状不随轴向压力而变化:当压力达到该临界值时,在外界干扰下将失去原有的状态而屈曲。
而在纵横弯曲中,无论轴向力多大,都有横向位移,压杆的形状一直随轴向压力而变化。
2 油气井杆管柱及其在井下的受力状态2.1 油气井杆管柱的结构油气井杆管柱主要包括钻柱、套管柱、油管柱、抽油杆和连续挠性管。
其中除连续挠性管是内外径均匀一致的无接头的细长管外,其余四种都是由长约10m、通过接头连接的杆或管组成,其常用结构尺寸示例列于表1中。
表1 常用油气井杆管柱的结构尺寸及应用条件示例杆管柱类型外径d0(m)内径d i(m)单根长度(l)(m)壁厚∆(m)名义重量q(N m)接头或稳定器直径D(m)井径D w(m)钻杆柱0.1270.10869～120.09192900.15240.216下部钻具0.1770.071443～180.0527815200.2160.216套管柱0.17780.157190.010364320.187710.216油管0.08890.077990.00549114.70.1080.1571连续油管0.05080.0453∞0.0027829.5无0.15712.2 油气井杆管柱的受力状态不同类型的油气井杆管柱因其工作条件不同,所受的载荷不同,综合来说有:(1)自重;(2)液体的压力或浮力;(3)轴向拉力或压力;(4)扭矩;(5)弯矩;(6)与井壁的正压力;(7)与井壁的摩擦力;(8)热应力;(9)振动载荷等。
抽油杆柱轴向受力分析
单级抽油杆柱轴向力的组成当游梁机工作时，任意井深处抽油杆柱的轴向力均由以下几项组成： 1)抽油杆柱自重，作用方向垂直向下；2)油井液体对抽油杆柱的液体浮力，作用方向垂直于抽油杆柱轴线向上； 3)油管内液柱在抽油泵柱塞有效面积(即柱塞截面积减去抽油杆截面积)上所产生的液体力，即油柱重，其方向垂直于柱塞表面向下；4)油管外液柱对柱塞下表面的浮力，其大小取决于泵的沉没度，方向垂直于柱塞表面向上；5)抽油杆柱于液柱运动所产生的惯性力。
惯性力正比于悬点运动的加速度，方向与加速度方向相反；6)抽油杆柱与液柱运动产生的振动力，其大小和方向都是变化的；7)各运动副之间的摩擦力，包括：泵筒与柱塞之间、抽油杆柱与油管之间的半干摩擦力、抽油杆柱与油柱之间、油柱与油管之间以及液体流过抽油泵游动阀时的液体摩擦力，它们均与抽油杆的运动方向相反。
上述(1)、(2)、(3)、(4)四项与抽油杆柱的运动无关，称为静载荷；(5)、(6)、(7)三项力与抽油杆柱的运动有关，称为动载荷。
1.单级抽油杆柱轴向力的计算方法下面将列出上述各力的计算公式，其公式中的各符号意义参考见本章后面的说明。
1)半干摩擦力14094.0-=δpM D P (2－1)2)液体通过泵阀时的水力阻力对柱塞底部所形成的向上的推力 先计算液体的雷诺数cp l e u d D s n .R 06352⨯⨯⨯=ρ (2－2)流量系数28.0=u (当4103⨯≤e R 时)n s d D u d u p l c ⨯⨯⨯⨯⨯=2020191ρ(当4103⨯>e R 时)下冲程液体通过游动阀时的水力阻力产生的向上推力L pp kld )n s (A)A A (A u n .P ρ⋅⋅⋅+⋅=2232172951 (2－3)上冲程液体通过游动阀时的水力阻力产生的向上推力L p lu v A A u P ρ⋅⋅⋅=220221 (2－4)3)作用于抽油杆柱底部液体向上的浮力gH A P L r f ⋅⋅⋅=ρ (2－5)4)液柱与抽油杆柱之间的摩擦力抽油杆柱与液柱之间的摩擦力主要与杆柱的运行速度以及油液本身的物性有关，其最大值可由下面的近似公式来确定：max p c lr v )m (m ln )m (m L u P ⋅--+-⋅⋅=1112222π (2－6)上述lr P 的计算中并未考虑抽油杆接箍的附加阻力，通常采用实验资料确定附加阻力。
油气井杆管柱力学及应用-2007
国内：
1. 苏义脑 2. 高德利 3. 赵国珍 4. 龚伟安 5. 赵怀文 6. 施太和 7. 韩志勇 8. 董世民 9. 李子丰 10. ……
油气井杆管柱
• • • • • 钻杆 钻铤 套管 油管 抽油杆
油气井杆管柱的材料
代号 D-55 E-75 X-95 G-105 S-135 AISI4145 屈服应力 (lb/in2) 55000 75000 95000 105000 135000 65000 断裂应力 (lb/in2) 95000 100000 105000 115000 145000 100000 钻铤 用途 钻杆
4 5 6
动力 导向 导向
大钻压 设计 设计
防斜、降斜原理： ①静力型。靠钻头与地层的相互作用的综合结果。 包含地层各向异性、钻头各向异性、钻压、钻头的侧压 力、钻头转角等因素的影响。 ②动力型。动力型与静力型的不同之处是，在侧向 破岩过程中，利用了动力和非线性破岩特性。
侧 向 钻 速
底面工 作区
2研究现状1导致钻柱振动的主要原因1目的意义2研究现状钻头牙齿周期吃入岩石和牙轮的转动是导致钻柱纵向和扭转振动的主要原因和旋转钻进使用弯接头偏重钻铤等造成正向公转是产生横向振动的主要原因2钻柱振动理论分析方法有限元法加权余量法差分法经典微分方程法微分方程法纵向振动扭转振动横向振动经典微分方程3理论研究现状目前仅解决了纵向振动和扭转振动的频率响应
侧面工 作区
侧压力
序号 静力降斜力 动力侧向力 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Fd＞0 Fd＞0 Fd＞0 Fd＞0 Fd＞0 Fd＞0 Fd=0 Fd ＜ 0 Fd ＜ 0 Fd ＜ 0 Fd ＜ 0 Fd ＜ 0 Fd ＜ 0 0 0 0 Asinω Asinω Asinω Asinω 0 0 0 Asinω Asinω Asinω
管柱力学
学科前沿油气井杆管柱力学结课报告学院：车辆与能源学院专业：石油与天然气工程学生姓名：李欣学号：S130********指导教师：李子丰教授研究油气井内的杆管柱力学问题。
首先由美国 A Lubinski 于1951年开始研究，李子丰于1996年出版《油气井杆管柱力学》（石油工业出版社），2008年趋于完善《油气井杆管柱力学及应用》（石油工业出版社）。
主要内容为：油气井杆管柱及其在井下的运动状态、油气井杆管柱的载荷和失效方式，油气井杆管柱动力学基本方程及其在分析油气井杆管柱的稳定性、杆管柱的稳态拉力和扭矩、钻柱振动、下部钻具三维力学分析与井眼轨道预测、有杆泵抽油系统参数诊断与预测、热采井管柱力学分析和固井等方面的应用。
真理是世界上最珍贵的信仰，为了这一信仰，科研道路上涌现出了一批批坚定不移的科学家，他们用自己的执著和智慧为世人点亮了一盏盏明灯。
燕山大学的李子丰教授就这样一位执著追求、甘于奉献的学者。
自从事石油事业以来，李子丰教授十年如一日地辛勤工作，把自己的青春和热血都奉献给了祖国的石油事业，同时也对哲学和物理学领域的基本难题进行了深入不懈的研究。
如果说，科学研究是发现真理的舞台，那么，李子丰教授就是这舞台闪烁的明星，他身上体现出的一种为真理而献身的执著精神和勇敢正直的人格，不愧为我们当代年轻人学习的楷模。
结合石油工程科学和技术发展的需要，李子丰创立了有特色的油气井杆管柱力学理论体系。
该理论体系主要包括：油气井杆管柱动力学基本方程；斜直井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型；油气井杆管柱的稳态拉力——扭矩模型；试油管柱力学分析的数学模型；压裂管柱力学分析的数学模型；定向井有杆泵抽油系统动态参数诊断与仿真的数学模型；钻柱纵向振动、扭转振动、纵向与扭转耦合振动的数学模型；下部钻具三维力学分析的数学模型；热采井套管柱力学分析的数学模型及预膨胀固井技术；割缝筛管力学分析的数学模型。
如今，依据这些理论模型所编写的软件，已经广泛地应用于我国石油钻采作业中。
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)。
教学媒体2-屈曲分析 油气井管柱力学
临界载荷
Pcr 1.94 ~ 2.65 3 EIq2
平 面 屈 曲
实验装置示意图
轴向加载装置
测距仪(LVDT)
模拟井筒
模拟钻柱 顶杆
垂直井中管柱的屈曲问题
平面屈曲临界力实验验证
理论值 Fcr 2.553 EIwe2 7.31034(N )
实验值 相对误差
保持隔水管不弯曲对应的轴向力
关于管柱屈曲的深入分析
接头影响
屈曲临界力（千牛）
a)
Fhel
Fcr1
b)
Fcr2
Fcr
接头外径(毫米)
螺旋屈曲临界力（牛顿）
关于管柱屈曲的深入分析
螺旋屈曲临界力理论值与实验数据
Wu 模型 Chen模型 Salies模型
实验数据点 井径(毫米)
关于管柱屈曲的深入分析
侧向接触力模型曲线和实验数据点
800
1600 2400 3200
Axial depth (m)
4000
关于管柱屈曲的深入分析
140
Axial Load (kN)
120
T=50℃
T=40℃
100
T=30℃
T=20℃
80
T=10℃
T=0℃
60
40
20
0 1200
1700
2200
2700
3200
Well Depth (m)
3700
4200
侧向接触力（牛顿）
Sadiq 实验数据点
Dawson 模型
Mitchell 模型
轴向压力(牛顿)
思考题：
两封隔器之间的完井管柱发生螺旋屈曲的条件。
油气井杆管柱的静力稳定性
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第 １ 卷第 １ ４ 期
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其中： Ｄ为积分 常数 Ｉ Ｄ 取 ＝０。设 螺旋屈 曲的转角函数近似为
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在 直 段，于 向 是 化 屈曲 形 具 严 两 性， 要 杆 进 斜 井 由 轴 力 变 的， 波 不 有 ． 需 对 曾柱 行 期 整体 分析才能 确的 力学 准 判断它的 定性・ 水平井 稳 利用 段龟定 射 考 拽 式，虑重力的 分解，
年 ， ｕ Ｃ ｅ ｈｒ推导了正弦屈曲和螺旋屈 曲的临界屈 曲压力 的公式 ． Ｙ － ｈ ｅ Ｃ ｔ 并用实验进行 了 验证啪。 本文建立了斜直井中受压扭细长杆管柱几何非线性屈曲的擞分方 程， 建立了水平井
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。
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