油气井杆管柱力学及应用-2007

用途 套管、油管
抽油杆
钻柱
钻杆 钻铤
接头 钻杆 稳定器
方钻杆
钻头
接头
钻柱的作用
(1)提供钻井液流动通道； (2)给钻头提供钻压； (3)传递扭距； (4)起下钻头； (5)计量井深; (6)观察和了解井下情况； (7)特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）； (8)钻杆测试 ( Drill-Stem Testing),又称中途测试。
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
BHA
分析
空间维数 二 能量法 经典微分方程 纵横弯曲法 差分法 加权余量 有限元法 √ √ √ √ √ √ √ √ √ 三
静动态 静态 √ √ √ √ √ √ √ √ √ 动态
大小挠度 小 √ √ √ √ √ √ √ √ 大
（3）加权余量法进展 从油气井杆管柱动力学基本方程出发，建立了通用下 部钻具三维小挠度静力学分析、三维大挠度静力学分析 和三维小挠度动力学分析的数学模型。用加权余量法和 最优化方法对三维小挠度静力分析数学模型求解求解,编 制了分析软件,结合三维钻速方程，对水平井井眼轨道进 行了分析与预测，满足工程需要。
油气井杆管柱指的是什么？ 这些杆管柱有哪些用途？ 这些杆管柱能够安全的起下吗？ 这些杆管柱设计的经济吗？ 地面设备合适吗？ 如何控制井眼轨道？ 如何提高这些杆管柱的使用寿命？ 如何从地面的测量结果知道井下的工作状态？ ……..
想知道这些, 请
油气井杆管柱力学。 .
研究油气井杆管柱力学的著名专家
国外：
-0.0671 -0.5274
-0.0067 -0.0039 -0.0159 -0.0347
（4）防斜工具和方法
序号 1 2 3 类型 静力 静力 动力 名称 钟摆钻具 降斜钻具组合 弯接头、偏轴 接头、偏重钻 铤等 光钻铤 导向钻井系统 垂直钻井系统 施工参 数 小钻压 设计要 求 正常 优点 防斜、纠斜 效果好 防斜、纠斜 效果较好 防斜、纠斜 效果较好 防斜、纠斜 效果较好 防斜、纠斜 效果好 防斜、纠斜 效果好 缺点 钻速慢 钻速一般 钻具易疲 劳破坏 钻具易疲 劳破坏 钻速较慢、 昂贵 钻速较慢、 昂贵
（3）斜井
由于钻柱靠重力作用躺 在井壁下侧并与井壁产生滑 动摩擦，导致： 纵向振动减轻 横向振动减轻 扭转振动减轻 反向涡动减轻或消失 所以在斜井中，钻柱振 动导致的疲劳破坏较少。
钻柱绕自身 轴线旋转。
钻柱若存在 弯角则正向 向公转。
3、发展方向
关于钻柱的运动状态，目前还主要是定性描述，虽 然已经向定量描述钻柱的振动和涡动状态努力，但还没 有获得工程实用的结果。 今后的研究重点： （1）钻柱的振动； （2）钻柱的涡动。
公扣
母扣
钻杆
钻铤
钻柱的破坏
变形
套管
钻柱
疲劳破坏
磨损
腐蚀
氢脆破坏
套管
套管程序
oil zone
套管本体和接箍
套管的作用
表层套管
(1)保护和隔离浅软地层; (2)安装井口和悬挂后续套管;
生产套管
(3)保护地层, 提供生产通道;
中间套管
(4)封隔复杂地层;
尾管
(5)为了节省套管，不延伸到地面的部分生产套管或中间套管。
油管的失效
(1)变形; (2)断裂; (3)腐蚀; (4)接头问题; (5)磨损(与抽油杆）。
抽油杆
两端具有丝扣接头的钢杆（管）
抽油杆的作用
(1)起下和悬持柱塞等工具; (2)从地面向井下传递轴向位移和力; (3)从地面向井下传递旋转运动和扭矩; (4)了解井下状况。
抽油杆的失效
(1)疲劳和断裂; (2)磨损; (3)腐蚀; (4)接头问题。
杆管柱的运动状态
(1)轴向运动(起下,纵向振动) (2)横向振动 (3)旋转 (自转，公转 )
作用在杆管柱上的力
(1)自重; (2)液体的浮力; (3)内外压力; (4)振动力; (5)底部力; (6)接触力和摩擦力; (7)粘滞力; (8)热应力。
杆管柱内的应力
(1)拉压应力; (2)剪应力; (3)弯曲应力; (4)热应力。
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
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
(1)大钩负荷与所钻井深的关系
上提
下放
旋转
(2)钻柱受力与测深的关系
上提
下放
旋转
(3)特殊作业钻柱受力与测深的关系
倒扣
震击
（4）监测岩屑床
（5）监测套管磨损
3、发展方向
（1）实时从大钩处测量测量负荷，消除从死绳负荷 计算大钩负荷的误差； （2）实时测量钻头扭矩与钻压（国外已经实现）； （3）实验研究摩擦系数与岩屑床厚度、岩石类型、 钻井液性能等关系。
油气井杆管柱力学及应用
ห้องสมุดไป่ตู้
燕山大学 李子丰
2007年
杆管柱在石油工程中的作用
杆管柱在石油工程中的 作用 支撑油井 从井下向地面传递信息 从地面向井下传递指令 从地面向井下传递能量 和物质,生产油气 起下工具
= 脊柱在人体中的作用
脊柱在人体中的作用
支撑身体 从身体向大脑传递信息 从大脑向身体传递指令
杆管柱在石油工程中是多么重要啊?！
套管的失效
套管
钻柱
腐蚀
磨损
拉伸 + 外挤
压缩 + 外挤
变形(弯曲,屈曲,挤毁)
高温
断裂
变形(弯曲,屈曲,挤毁)
油管
常规油管 本体直径<4.5in
连续油管
油管的作用
(1)提供从地层到地面的流体生产通道，和从 地面到地层的流体注入通道； (2)起下和悬持各种工具; (3)计算工具深度; (4)观察和诊断井下状况。
代号 H-40 J-55 K-55 C-75 L-80 N-80 C-90 C-95 P-110 Q-125 K C D
屈服应力 (lb/in2) 40000 55000 55000 75000 80000 80000 90000 95000 110000 125000 ? ? ?
断裂应力 (lb/in2) 60000 75000 75000 95000 100000 100000 100000 105000 125000 135000 83000 88000 138000
杆管柱的安全状态
管体内，任何位置，任何时间:
σ i = σ t2 + σ r2 + σ θ2 − (σ tσ r + σ r σ θ + σ θ σ t ) + 3τ 2 <= [σ ]
应力强度 轴向应力 径向应力 周向应力 剪应力 许用应力
油气井杆管柱力学
油气井杆管柱的运动状态 油气井杆管柱动力学基本方程
应油气田开发的迫切需要, 自本世纪五十年代以来 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”、“八五” 和“九五”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, 未形成统一的理论, 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。
二、油气井杆管柱动力学基本方程
1、目的、意义
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。 对油气井杆管柱进行系统全面、准确的力学分析, 可以 达到如下目的: (1) 快速、准确、经济地控制油气井的井眼轨道; (2) 准确地校核各种杆管柱的强度,优化杆管柱设计; (3) 优化油气井井眼轨道; (4) 及时、准确地诊断、发现和正确处理各类井下 问题; (5) 优选钻采设备和工作参数。
油气井杆 管柱的稳 态拉力扭 矩
下部钻 具三维 力学分 析
油气井杆 管柱的稳 定性
钻柱的 振动
定向水平 井有杆泵 抽油系统 诊断与参 数优选
套管柱 力学分 析
一、油气井杆管柱的运动状态
1、目的、意义
油气井杆管柱的 运动状态，是研究油 气井杆管柱力学的基 础。
2、研究现状
（1）运动状态 轴向运动：起下钻，纵向振动。 横向运动：横向振动。 自转：绕自身轴线的旋转、扭转振动。 公转（涡动）：正向公转、反向涡动。
=
电磁学中的Maxwell方程
三、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩
1、目的、意义