油气井杆管柱的静力稳定性
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。
复杂油气井管柱优化设计与安全评价系列标准及应用
复杂油气井管柱优化设计与安全评价系列标准及应用1. 全井深度评价标准：评估复杂油气井井深对管柱设计的影响。
考虑井深对钻井液体积、压力和温度的影响，通过确定相应的安全措施和设计参数来保证井深范围内的管柱运行安全。
2. 孔隙压力评价标准：评估复杂油气井的孔隙压力分布以及泥浆失控的可能性。
考虑地层压力变化、井眼稳定性和泥浆重力平衡等因素，确定相应的管柱设计参数，确保管柱能够承受孔隙压力的变化并预防泥浆失控。
3. 井眼稳定性评价标准：评估复杂油气井井眼的稳定性，包括井眼塌陷、井眼热裂纹等问题。
通过考虑地层力学特性、井眼完整性要求等因素，确定相应的管柱设计参数和井眼稳定性评估标准。
4. 钻井液体积评价标准：评估复杂油气井的钻井液体积对管柱设计和运行的影响。
考虑井眼液体积要求、钻井液性质、容积效应等因素，确定相应的液体积计算方法和管柱设计参数。
5. 压力梯度评价标准：评估复杂油气井井筒压力梯度对管柱设计和运行的影响。
考虑地层压力梯度变化、气体积效应、液体密度等因素，确定相应的管柱设计参数和压力梯度评估标准。
6. 温度评价标准：评估复杂油气井井筒温度对管柱设计和运行的影响。
考虑地层温度变化、井筒散热条件、液体密度变化等因素，确定相应的管柱设计参数和温度评估标准。
7. 拉伸和压缩强度评价标准：评估复杂油气井管柱的拉伸和压缩强度，确保管柱在垂直和水平方向上能够承受正常负荷。
通过考虑材料强度、管柱几何形状、运输和安装过程中的负荷等因素，确定相应的拉伸和压缩强度评价标准。
8. 扭转和弯曲强度评价标准：评估复杂油气井管柱的扭转和弯曲强度，确保管柱能够承受旋转和弯曲负荷。
通过考虑材料强度、管柱几何形状、钻井过程中的旋转和弯曲力等因素，确定相应的扭转和弯曲强度评价标准。
9. 井眼润滑评价标准：评估复杂油气井管柱与井眼之间的润滑状态，确保管柱在运营过程中能够顺利通过井眼。
通过考虑井眼形状、润滑剂选择、井眼润滑要求等因素，确定相应的井眼润滑评价标准。
李子丰——油气井杆管柱力学研究者
李子丰——油气井杆管柱力学研究者作者：刘荣来源：《科技创新与品牌》2015年第01期石油对于国民经济的重要，已经不需再费笔墨渲染。
我国有众多科学家活跃在保障石油供给的战线上，或致力于勘探技术的开发，或专注于钻采技术的创新。
燕山大学石油工程研究所教授李子丰，就是一位将青春和年华都奉献给石油事业的代表之一。
这位出生于1962年的河北人，从本科到博士后出站，始终不曾脱离“石油”的标签，长期致力于石油工程的教学与研究工作，将“促进人类进步事业，增强祖国经济实力，培养高级技术人才，服务石油工业建设”奉为人生准则。
李子丰对我国石油事业的贡献，除了培养大批专业人才外，不得不提的是他在“八五”、“九五”、863等国家重点科技攻关项目支持下所建立的油气井杆管柱力学理论体系—主要包括钻柱力学、井眼轨道控制、套管设计、有杆泵抽油系统等内容。
他认为，油气井杆管柱就像人的脊柱，联通井下与地面，能有效监测井下情况，便于井下与地面信息传递，在石油钻采中的重要作用不可忽视。
而且油气井杆管柱长期在充满流体的狭长井筒内工作，受各种力影响，变形和运动状态十分复杂。
对井杆管柱进行系统、准确的力学分析，能快速、准确、经济地控制和优化井眼轨道，准确校核各种杆管柱强度及诊断、处理各类井下问题，优选钻采设备和工作参数。
在这套理论中，李子丰对油气井杆管柱的运动状态、油气井杆管柱力学基本方程及其在油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩、下部钻具三围力学分析、钻柱振动、油气井杆管柱的稳定性、有杆泵抽油系统参数诊断和优选等领域进行了系统研究与分析，取得了多项重要创新发现，具有重要的理论指导意义和实用价值。
其中，李子丰通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析，建立了油气井杆管柱动力学基本方程（下称基本方程），在统一原有油气井杆管柱力学分析领域各种微分方程的同时，也完善了油气井杆管柱力学理论，为建立各种油气井杆管柱力学分析数学模型奠定了理论基础，在石油钻采工程界得到了广泛应用。
油气管道施工质量稳定性研究
2017年04月油气管道施工质量稳定性研究王玉梅(四川石油天然气建设工程有限责任公司成都分公司,四川成都610213)摘要：管道输送已经成为油气资源输送的一种主要方式。
在油气管道施工过程中，由于施工周期比较长，施工地形复杂多变，工作量和施工难度较大。
为了保证油气管道的施工质量，需要做好质量控制工作。
本文首先对隧道油气管道的施工特点进行了分析，然后对施工质量控制措施进行了分析和探讨，保证了工程施工质量。
关键词：山体隧道；油气管道；施工质量；稳定性油气资源是现代化社会中重要的一种能源，在工业生产和日常生活中都有对油气资源的利用。
在新的时代背景下，随着我国经济的不断发展，对油气资源的需求也日益增加。
为了解决油气供需矛盾，油气输送管道工程的建设规模和建设数量了日益增加，油气输送管道成为了一项重要的建设内容。
山体隧道油气管道施工作为工程施工的重点，对整个工程的质量都会产生比较大的影响，需要科学的选择质量管理措施，保证施工进度和施工质量。
1山体隧道油气输送管道的施工特点油气输送管道具有输送压力高、运输距离长等特点，施工复杂性和特殊性比高。
在施工过程中，由于隧道内部作业面小、湿度高，施工条件恶劣，机具、设备、人员等比较集中，容易引发安全事故，施工质量控制难度大。
而且油气管道在穿越山体隧道是时，会对隧道四周的环境造成比较大的影响，容易出现落石、塌方、崩塌等情况，施工危险性比较高。
另外，如果在进行山体隧道油气管道施工过程中出现质量问题，会出现油气泄露的情况，造成比较大的经济损失，引发安全事故。
所以在油气管道施工过程中，需要做好质量控制工作。
2隧道穿越施工准备工作2.1做好输油管道的除锈和堆放在进行油气输送管道的建设之前，对隧道的具体情况进行实际的具体调查，将施工环境调整到最佳状态，确保隧道内的环境适合防腐管的运输，要在隧道附近安排一块空地进行防腐管的临时堆放，在这块堆放防腐管的地方根据设计方案对防腐管进行编号，在一切的准备工作做好之后就可以进行布管了，在隧道内进行油气管道铺设的一大限制就是空间不足，因此要在防腐管的管口进行刷漆，在防腐管的接口处要进行除锈剂的喷洒，在进行随带内的油气输送管道的铺设工作时一定要注意施工安全[1]。
管道的稳定性应力分析及解决方案
管道的稳定性应力分析及解决方案一、失稳的定义失稳定义：轴向受压的细长直杆当压力过大时，可能会突然变弯，失去原来直线形式的平衡状态，而丧失继续承载的能力，称这种现象为丧失稳定，即失稳。
针对管道，下面发生的问题均为管道整体失稳：1、架空管道（左右摆龙）：2、埋地管道（顶起，顶出地面，河面，起褶皱）架空或埋地管道发生失稳的原因是管道热胀被两侧锚固，或连续土壤约束给限制住了，导致管道形成挤压作用，如果温差大，挤压力大，架空管道缺少导向架，或埋地管道埋深覆土过浅，就会让管道抵抗挤压能力变弱，容易发生上述失稳。
解决方法：解决上述管道失稳有两个办法，一个是采用补偿设计增大管道柔性，降低轴力；另外一个就是增加导向架密度和埋深，增大管道抗挤压能力。
局部失稳的概念局部失稳指在钢结构中，受压、受弯、受剪或在复杂应力下的板件由于宽厚比过大，板件发生屈曲的现象。
管道局部失稳主要是针对大口径薄壁管道，轴向挤压严重，发生局部褶皱，也有外压影响，管道环向发生失稳，产生压瘪现象：热力直埋管道在轴向挤压作用下发生褶皱（中国热力俗称“起包”），是因为管道被约束住（两端固定，或处在埋地锚固段），热胀产生的轴力挤压管道，管道径厚比r/t过大，壁厚薄，抗挤压能力弱，就容易发生上面局部失稳情况。
解决的方法是增大管道柔性降低轴力或加大壁厚增加抗挤压能力。
针对环向外压压瘪失稳，最好的办法就是在管道外壁增设补强圈，抵抗外压作用，避免发生外压失稳。
还有一种局部失稳，就是管道在轴力推挤和弯曲应力共同作用下，一侧产生褶皱：这种一侧发生管道褶皱，往往都是发生在折角弯管或弯管附近直管上面，直线管道热胀推压弯管，弯管发生弯曲变形，由于直管推压导致大弯曲应力作用，弧段发生失稳，就会进入塑性变形，产生一侧褶皱变形。
这个折角弧段失稳，不同于引发管疲劳破坏的二次应力。
首先，它是重量+温度+压力等全部载荷共同作用下，导致折角弧段或直段发生失稳破坏。
失稳控制是第一位的，这个满足后，我们才会检查弯头，折角和三通的疲劳二次应力。
辽河油田水平井测试管柱相关
， Q(x ) = φ K
（ K = 0,1,2, , N ）；在 [a, b] 上 S (x )和Q(x ) 具有连续的 二阶导数。 根据三次样条函数的性质，容易推导出三次井 斜样条函数和三次方位样条函的表达式如下：
S (x ) =
3 3 M K −1 ( xk − x ) M ( x − xK −1 ) α K M K LK + K + L − 6 6 LK 6 LK K
1 2 q − µks F = F 0 + ( − 1) sin φ − 2 µ cos φ e 2 0 0 µ 1+ µ k k q 1 2 ( 1 ) sin 2 µ cos( k s ) − − − + φ0 φ0 2 µ 1+ µ k
合的扶正特性，定向井井眼轨迹是一条连续变化的 “光滑”曲线，因而井斜角和方位角的变化也是连 续的，即不会在通常的测距范围内出现“拐点”， 本文用三次样条插值计算水平井进眼轨迹，从而得 出水平井任意点处的井斜角和方位角。 给定水平井某井段[ a ，b]上的井斜数据：井 深： a = x0 < x1 < x 2 <,, < x N = b ； 井 斜 角 ： α 0 , α 1 , α 2 ,, α N ； 方 位 角 ：
1 概述
杆管柱是油气钻采工程中最重要的下井工具。 油气井杆管柱在充满流体的狭长井筒内工作，在各 种力的作用下，处于十分复杂的受力、变形和运动 状态。国内外学者对定向井、水平井、大位移井的 管柱受力及变形问题进行了大量的研究，建立了对 应的力学模型。但这些模型主要集中在定向井和水 平井钻柱受力分析，预测井底钻压和优化井眼轨迹 和钻柱的优化设计，没有专门针对测试管柱的模 型，也没有用于大位移井测试管柱力学分析的软 件，大位移井测试管柱的力学分析手段主要还是手 工计算，由于其计算复杂、工作量大，工程实践中 主要是根据直井的受力情况进行估算。本文对水平 井井眼数据进行了插值计算，求出了全角变化率， 并在此基础上研究了水平井测试管柱的受力情况， 求出了管柱在不同井段的摩擦阻力，并在此基础上 求出了管柱上提、下放过程的大钩载荷，这是做好 水平井开发和小修施工作业的基础。
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。