测试管柱力学分析127页PPT
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完井管柱受力分析课件
受力分析
根据B区的地质资料和生产数据，对完井管柱进行受力分析。分析方法与A区相同，考虑轴向力、径向力和弯曲力的 作用，并计算各力的数值。
优化设计
根据受力分析结果，对油田B区完井管柱进行优化设计。针对B区的地质条件和生产条件，选择适合的管 柱材料、直径和壁厚，以及合适的连接方式。同时考虑油井的后期维护和修井作业，对管柱设计进行细 致的优化。
背景介绍
油田A区完井管柱的受力情况是完井工程设计的重要依据，通过对管柱受力分析，可以优 化管柱设计，提高油井产能和延长油井寿命。
受力分析
油田A区完井管柱主要受到轴向力、径向力和弯曲力的作用。轴向力主要由井液压力和管 柱自重产生，径向力主要由井壁摩擦产生，弯曲力主要由管柱与井口装置的碰撞产生。通 过对这些力的计算和分析，可以确定管柱的稳定性、安全性和可靠性。
完井管柱通常由多根不同规格、材质 的管材组成，如油管、套管、尾管等 ，根据设计要求，通过螺纹连接或焊 接等方式组合而成。
完井管柱的作用
01
02
03
04
封闭井口，防止油气泄漏和地 面污染。
实现油气开采、油水分离，提 高采收率。
支撑井壁，保持井筒稳定。
承受地层压力和外部载荷，保 证安全生产。
完井管柱的组成
完井管柱受力分析课件
目录
• 完井管柱概述 • 完井管柱受力分析基础 • 完井管柱静态受力分析 • 完井管柱动态受力分析 • 完井管柱受力的数值模拟方法 • 完井管柱设计及优化 • 完井管柱受力分析实例
01
完井管柱概述
完井管柱的定义
完井管柱是指油田开发过程中，在钻 井工程完成后，用于封闭井口、实现 油气开采、油水分离等功能的管柱。
05
完井管柱受力的数值 模拟方法
根据B区的地质资料和生产数据，对完井管柱进行受力分析。分析方法与A区相同，考虑轴向力、径向力和弯曲力的 作用，并计算各力的数值。
优化设计
根据受力分析结果，对油田B区完井管柱进行优化设计。针对B区的地质条件和生产条件，选择适合的管 柱材料、直径和壁厚，以及合适的连接方式。同时考虑油井的后期维护和修井作业，对管柱设计进行细 致的优化。
背景介绍
油田A区完井管柱的受力情况是完井工程设计的重要依据，通过对管柱受力分析，可以优 化管柱设计，提高油井产能和延长油井寿命。
受力分析
油田A区完井管柱主要受到轴向力、径向力和弯曲力的作用。轴向力主要由井液压力和管 柱自重产生，径向力主要由井壁摩擦产生，弯曲力主要由管柱与井口装置的碰撞产生。通 过对这些力的计算和分析，可以确定管柱的稳定性、安全性和可靠性。
完井管柱通常由多根不同规格、材质 的管材组成，如油管、套管、尾管等 ，根据设计要求，通过螺纹连接或焊 接等方式组合而成。
完井管柱的作用
01
02
03
04
封闭井口，防止油气泄漏和地 面污染。
实现油气开采、油水分离，提 高采收率。
支撑井壁，保持井筒稳定。
承受地层压力和外部载荷，保 证安全生产。
完井管柱的组成
完井管柱受力分析课件
目录
• 完井管柱概述 • 完井管柱受力分析基础 • 完井管柱静态受力分析 • 完井管柱动态受力分析 • 完井管柱受力的数值模拟方法 • 完井管柱设计及优化 • 完井管柱受力分析实例
01
完井管柱概述
完井管柱的定义
完井管柱是指油田开发过程中，在钻 井工程完成后，用于封闭井口、实现 油气开采、油水分离等功能的管柱。
05
完井管柱受力的数值 模拟方法
封隔器管柱受力分析
下层 球座 上层
P上 P内
封隔器
※管柱自重拉伸：
ΔL1=1.7×10-7L2=1.53 （ m）
P下
一、管柱的四种效应
2、管柱的四种效应—螺旋弯曲效应
支撑式或卡瓦式封隔器的座封是靠上
部油管的自重载荷来压缩封隔器胶筒而保 持密封的。在封隔器上部的一部分油管在 压缩力作用下呈螺旋弯曲状态，称螺旋弯 曲效应。
二、管柱水力损失计算
（2）紊流压力损失 紊流的水头损失与公式（2-3a）相同，沿程阻力系数λ值不同。 但紊流状态下流速不同，其λ值的计算方法仍不同。因此紊流状态 又分为水力光滑区、混合摩擦区、完全粗糙区三个流态区。 ① 水力光滑区：
2000 Re
59.7
2 d 0.3164 4 Re
一、管柱的四种效应
2、管柱的四种效应—温度效应
举例：挤注措施管柱深3000m，油管内、外径φ 62mm、φ 73mm，井口
注入温度20℃，井口地温20℃，地温梯度Δ t=0.03，措施时温度梯度 Δ t′=0.008 。则根据公式（1-16），注入前（稳定态）后变化有：
T4=44℃，T3=110℃，T2=65℃，T1=32℃，Δ T=33℃
4
（1-7）
式中：F—抗拉载荷，KN；t—丝扣深，mm。
⑵、管体抗拉载荷：
F （D 2 d 2 ) s 10 下入深度计算： 保证不滑扣、管体不不拉断
如 2 7/8″TBG油管（N80，d=62mm）丝扣抗拉极限为469.5KN；
2 7/8″UPTBG油管（N80，d=62mm）管体抗拉极限为644.7KN；
一、管柱的四种效应
1、管柱强度——抗内压强度
⑴、薄壁管（D/δ>14）抗内压： p2 2n
P上 P内
封隔器
※管柱自重拉伸：
ΔL1=1.7×10-7L2=1.53 （ m）
P下
一、管柱的四种效应
2、管柱的四种效应—螺旋弯曲效应
支撑式或卡瓦式封隔器的座封是靠上
部油管的自重载荷来压缩封隔器胶筒而保 持密封的。在封隔器上部的一部分油管在 压缩力作用下呈螺旋弯曲状态，称螺旋弯 曲效应。
二、管柱水力损失计算
（2）紊流压力损失 紊流的水头损失与公式（2-3a）相同，沿程阻力系数λ值不同。 但紊流状态下流速不同，其λ值的计算方法仍不同。因此紊流状态 又分为水力光滑区、混合摩擦区、完全粗糙区三个流态区。 ① 水力光滑区：
2000 Re
59.7
2 d 0.3164 4 Re
一、管柱的四种效应
2、管柱的四种效应—温度效应
举例：挤注措施管柱深3000m，油管内、外径φ 62mm、φ 73mm，井口
注入温度20℃，井口地温20℃，地温梯度Δ t=0.03，措施时温度梯度 Δ t′=0.008 。则根据公式（1-16），注入前（稳定态）后变化有：
T4=44℃，T3=110℃，T2=65℃，T1=32℃，Δ T=33℃
4
（1-7）
式中：F—抗拉载荷，KN；t—丝扣深，mm。
⑵、管体抗拉载荷：
F （D 2 d 2 ) s 10 下入深度计算： 保证不滑扣、管体不不拉断
如 2 7/8″TBG油管（N80，d=62mm）丝扣抗拉极限为469.5KN；
2 7/8″UPTBG油管（N80，d=62mm）管体抗拉极限为644.7KN；
一、管柱的四种效应
1、管柱强度——抗内压强度
⑴、薄壁管（D/δ>14）抗内压： p2 2n
测试管柱力学分析
加载时轴向力分析
B区：在A、B两区的交界附近，管柱上下 端轴向力都有明显的下降现象，这是从平 面弯曲向空间弯曲转变的重要标志。在变 形形状改变时（由平面屈曲到螺旋屈曲）， 管柱发生瞬时跳跃，积累的变形能重新分 布，致使轴向力下降。
加载时轴向力分析
变为空间屈曲后，管柱在弹 性力作用下，仍然具有承载能力，所以整 段管柱并没有直接贴向井壁，而是处于悬 垂状态，偶尔有个别点接触井壁，接触力 也比较小，因此在B区管柱上下两端的轴 向力仍然基本平行，其高度差为管柱自重。 图中显示这一段轴向力上升幅度很小，位 移变化量比较大。
测试管柱分析
为了保证测试的安全性，在测试前，必须 对测试管柱进行强度校核和变形分析，得 出整个系统的综合安全系数，从而可以更 好的指导我们进行测试作业，确保整个测 试过程的安全性。
测试管柱力学分析
引言 垂直井眼中管柱的稳定性和螺旋弯曲分析 测试管柱静力学分析 测试管柱动力学分析
引言
油井管柱是油井试油作业的主要承载和动力 传递构件。在作业或生产过程中，管柱要承受内 压、外压、井底钻压、自重、粘滞摩阻、库仑摩 擦力、井壁支反力、活塞力等多种外载的联合作 用。在这些外力的联合作用下，管柱有可能发生 正弦或螺旋失稳弯曲；并进而使管柱与井壁之间 的法向正压力以及库仑摩擦力急剧增加，严重时 可能发生自锁。特别是在水平井、定向井中，摩
螺旋屈曲阶段
由于管柱较长，D点之后管柱出现螺 旋状变形。此后相当长一段时间，空间螺 旋处于发展阶段，轴向力与变形基本呈正 比（相当于一弹簧），直到E点。在E点附 近，摩擦力的影响又开始显现，从而影响 了变形的进一步发展，造成载荷浮动。
螺旋屈曲阶段
从E点到O点，尽管轴向力上下 浮动较大，但是平均值却变化不大。在这段，轴 向力反复出现峰值和谷值，反映了变形对轴向力 的影响。DE、GH、JK、N0段是能量积累阶段， 轴向力与变形近似呈正比。EFG、HIJ、KLMN 段是释放能量阶段，能量释放（摩擦释热），管 柱缩短（热胀冷缩），使变形向纵深发展阶段， 由于受到摩阻影响，中途出现台阶。可以想象， 如果没有摩擦力影响，E0段将是比较平滑的。
套管及套管柱ppt课件
2018/11/24
②阻止钻井液进入套管内，减轻套管柱的重量。
类型：浮箍、差压充满浮箍及带挡圈的浮箍 3.套管扶正器
作用：扶正套管，提高固井质量。
4.磁性定位套管 5.联顶节 作用：用来在下套管后到固井作业结束之前，悬挂套管柱的套管短节。 联顶节方入：联顶节在转盘面以下的长度，它要保证四通、防喷器等 装置安装的拆卸的要求。
2018/11/24
第三节
2、油井水泥的主要成分
油井水泥
油井水泥属于硅酸盐类水泥，它的主要原料是石灰石、粘土和 少量铁矿石。
1）水泥熟料主要成分
（1）硅酸三钙3CaO· SiO2（简称C3S）
• 水泥的主要成份，一般的含量为 40％～65％。 • 对水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响。 • 高早期强度水泥中含量可达60％～65％，缓凝水泥中含量在40 ％～45％。 （2）硅酸二钙2CaO· SiO2（简称C2S）， • 含量一般在24％～30％之间；
• 第三象限：轴向压应力与外挤压力联合作用。 在轴向受压条件下套管抗外挤强度增加。
• 第四象限：轴向拉应力与外挤压力联合作用。
轴向拉力的存在使套管的抗挤强度降低。 由于这种情况在套管柱中是经常出现的。因此在套管柱设计中应当 考虑轴向拉力对抗挤强度的影响。 2018/11/24
第二节
2.套管的破坏
1）拉伸破坏 (1)丝扣（接箍）滑脱
σ
z
σ t >>σ r , σ r 可以忽略。变为双向应
力问题。 由第四强度理论： σ
z 2
+σ
t
2
-σ zσ t =σ
s
2
σ
r
变换为椭圆方程：
σ
t
②阻止钻井液进入套管内，减轻套管柱的重量。
类型：浮箍、差压充满浮箍及带挡圈的浮箍 3.套管扶正器
作用：扶正套管，提高固井质量。
4.磁性定位套管 5.联顶节 作用：用来在下套管后到固井作业结束之前，悬挂套管柱的套管短节。 联顶节方入：联顶节在转盘面以下的长度，它要保证四通、防喷器等 装置安装的拆卸的要求。
2018/11/24
第三节
2、油井水泥的主要成分
油井水泥
油井水泥属于硅酸盐类水泥，它的主要原料是石灰石、粘土和 少量铁矿石。
1）水泥熟料主要成分
（1）硅酸三钙3CaO· SiO2（简称C3S）
• 水泥的主要成份，一般的含量为 40％～65％。 • 对水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响。 • 高早期强度水泥中含量可达60％～65％，缓凝水泥中含量在40 ％～45％。 （2）硅酸二钙2CaO· SiO2（简称C2S）， • 含量一般在24％～30％之间；
• 第三象限：轴向压应力与外挤压力联合作用。 在轴向受压条件下套管抗外挤强度增加。
• 第四象限：轴向拉应力与外挤压力联合作用。
轴向拉力的存在使套管的抗挤强度降低。 由于这种情况在套管柱中是经常出现的。因此在套管柱设计中应当 考虑轴向拉力对抗挤强度的影响。 2018/11/24
第二节
2.套管的破坏
1）拉伸破坏 (1)丝扣（接箍）滑脱
σ
z
σ t >>σ r , σ r 可以忽略。变为双向应
力问题。 由第四强度理论： σ
z 2
+σ
t
2
-σ zσ t =σ
s
2
σ
r
变换为椭圆方程：
σ
t
井下作业典型管柱图精品PPT课件
斜进井深结构图
长庆油田
表层套管
水泥返高
油 井 返 高 至 洛 河 顶 界 以 上 50 米 ， 注 水 井 返高至地面。
生产套管
造斜点
139.7mm套管
215.9mm 钻 头
射孔段 人工井底 完钻井底
长庆油田公司
压裂工艺管柱图
套管
l油层
压裂油管 K344-114封隔器
lI油层
lII油层
K344-114封隔器 丝堵
l油层 lI油层 lII油层
套管 压裂油管 K344-114封隔器
K344-114封隔器 丝堵
长庆油田公司
油层I 油层II 油层III 油层IIII
滑套式、水力压裂管柱图
工作筒
K344-114封隔器 滑套式喷砂器
K344-114封隔器 滑套式喷砂器 K344-114封隔器
油层I
喷砂器（Ø42mm）
中华人民共和国重庆水泵 厂
投运 时间
出口
进口
泵体
防爆接线盒 电动机
联轴器护罩
加油口 泵头
接地线 底座
基础
长庆油田公司
缓冲罐结构图
主要参数
设备规 数
工工格 量容 作 作Fra bibliotek积压 温
力度
安
投
装 地
生产厂家
运 时
点
间
Φ2000 ×6824
×12
2
1
0 m
3
0.6 MP a
50 ℃
长庆石油 勘探局油 田建设工 程公司金 属结构厂
注水层
注水层
注水层
注水层
注水层
注水层
DDQ0656偏心配水器
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）。
套管柱和注汽管柱热弹性力学分析
６ ３
４ 弯 曲应 力 由于 井 眼 存 在 一 定 的 曲 率 ， 套 管 就 位 后 ， 要 产 生 与 井 眼 一 致 的 弯 曲 ， ． 当 也 在
套 管 内 产生 弯 曲应 力 。
５ 热应 力 在 注 汽开 采过 程 中 ， 层 和 套 管 的 温 度 变 化 产 生 的 应 力 。 ． 地 ＝ 、 本假 设 基 １ 套管 的半 径 相 对 于 井 眼 曲率 半 径 很 小 ； ． ２ 套 管 和 地 层 岩 石 的 材料 都 是 线 性 弹 性 、 匀 、 向同性 的 ， 在小 变 形 范 围 内 ； ． 均 各 并 ３ 套管 和 地 层 岩 石 的线 膨 胀 系数 是 常 数 ； ． ４ 注 汽 时 套 管 和 地 层 处于 平 面 应 变 状 态 ， 水 泥 时套 管 处 于 平 面应 力状 态 ； ． 注 ５套管破坏符合密赛斯准 则。 ． 三 、 管的 载荷 和 套 管 内 的 应 力 套
（ ） 管 的 周 向 应 力 ２套
＝ ｎ＋ （６ １ ）
（ ） 管 的 轴 向 应 力 ３套
维普资讯
６ ６
石油钻采Ｉ 艺
ｄ 一 】 以２ ＋ 十
１９ ９ ５年 （ １ 第 ７卷 ） ６期 第
（ ７ １ ）
四 、 管 的强 度 校 核 套 如 果 对 于 所 有 的 ｒ ｔ 都 满足 、、 ，
则套 管 处于 安 全 状 态 。
丘 ——弹性模量 ； Ｋ — 井 眼 曲率 。 —
弯曲应力 ；
４ 套 管 和 地 层 的热 应 力 因 为地 层 和 水泥 环 的 弹 性 性 质相 近 ， 它 们 与 套 管 的 弹 性 性 质 ． 而 相 距较 远 ， 以 ， 套管 看 作 一 个 弹 性 体 ， 层 和 水 泥环 看 作 另一 个 弹 性 体 。 为套 管 的 壁 与 地 所 把 地 因
压裂管柱力学分析
“内压降低稳定 性，外压增加 稳定性”是错 误的。
对悬挂管柱，内外压强 对稳定性没有影响。 对于两端固定的管柱， 内压增加降低管柱的稳定性， 外压增加提高管柱的稳定性。
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
10
压裂管柱力学分析
2014-5-15 燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University 3
压裂管柱力学分析
2.1 压裂作业
压裂类型
单封隔器
双封隔器
水力射流
套管注入
封隔器类型
卡瓦式
水力膨胀式
支撑式
2014-5-15
燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University
2014-5-15 燕山大学石油工程研究所 Petroleum Institute of Yanshan University 12
压裂管柱力学分析
2.9 所有作业过程的数学模型
(1) 下入 /起出/ 旋转, 预测/监测; (2) 通过能力; (3) 通过大钩负荷或转盘扭矩计算摩擦系数; (4) 油管柱封隔器坐封; (5) 注入 (无封隔器,单封隔器,双封隔器); (6) 油管柱封隔器解封。
0.062
0.0055
P-110
9.52
760.77
5758.29
4
接头
0.098
0.045
0.0265
P-110
46
0.31
5758.6
5
接头
0.098
0.045