杆管柱力学
《2024年水平井杆管柱力学的有限元分析及应用》范文
《水平井杆管柱力学的有限元分析及应用》篇一摘要：随着油田开发的深入，水平井技术日益受到重视。
本文通过对水平井杆管柱力学进行有限元分析，深入探讨其在实际应用中的关键作用和优势。
首先介绍了有限元法的基本原理及在杆管柱力学分析中的应用；然后详细阐述了水平井杆管柱的力学模型和有限元模型的建立过程；接着通过实例分析，展示了有限元分析在水平井杆管柱设计、优化及安全评估中的应用；最后总结了该方法的优点及未来研究方向。
一、引言随着石油资源的不断开发，水平井技术因其能够提高采收率、降低开发成本等优势，在油田开发中得到了广泛应用。
水平井杆管柱作为油气开采的关键设备，其力学性能的优劣直接关系到油田开发的效率和安全。
因此，对水平井杆管柱进行力学分析具有重要意义。
有限元法作为一种有效的数值分析方法，在杆管柱力学分析中得到了广泛应用。
本文将通过对水平井杆管柱力学的有限元分析，探讨其在实际应用中的价值和效果。
二、有限元法的基本原理及应用有限元法是一种通过离散化处理连续体问题的数值分析方法。
它通过将连续体划分为有限个单元，对每个单元进行近似求解，从而得到整个连续体的近似解。
在杆管柱力学分析中，有限元法可以有效地模拟杆管柱在复杂地质条件下的受力情况，为杆管柱的设计和优化提供有力支持。
三、水平井杆管柱的力学模型及有限元模型建立1. 力学模型：水平井杆管柱的力学模型主要考虑了杆管柱的几何尺寸、材料性能、边界条件等因素。
通过建立合理的力学模型，可以更好地描述杆管柱在复杂地质条件下的受力情况。
2. 有限元模型建立：在建立有限元模型时，需要首先对杆管柱进行离散化处理，划分为若干个有限元。
然后根据力学模型，对每个有限元进行分析和求解，从而得到整个杆管柱的受力情况。
在建模过程中，需要考虑杆管柱的材料性能、几何尺寸、边界条件等因素，以确保模型的准确性和可靠性。
四、实例分析以某油田的水平井杆管柱为例，通过有限元分析，探讨了其在不同地质条件下的受力情况。
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)2d 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。
《水平井杆管柱力学的有限元分析及应用》
《水平井杆管柱力学的有限元分析及应用》篇一一、引言随着石油和天然气等能源需求的不断增长，水平井技术已成为提高采收率的重要手段。
在水平井钻探和开采过程中，杆管柱的力学性能至关重要，直接关系到井下作业的安全与效率。
传统的力学分析方法往往难以满足复杂工况下的精确计算需求。
因此，本文将探讨水平井杆管柱力学的有限元分析方法及其应用，旨在为实际工程提供理论支持。
二、水平井杆管柱力学概述水平井杆管柱力学是研究在井下复杂环境中，杆管柱的受力、变形及失效规律的学科。
其涉及的主要内容包括：杆管柱的材料选择、结构设计与力学性能分析等。
在实际应用中，由于水平井的特殊地质条件和工作要求，杆管柱的力学性能分析显得尤为重要。
三、有限元分析方法有限元分析是一种高效的数值计算方法，通过将连续体离散化为有限个单元的组合，求解近似解。
在水平井杆管柱力学分析中，有限元分析的应用主要体现在以下几个方面：1. 模型建立：根据实际工况，建立杆管柱的几何模型，并划分网格，形成有限元模型。
2. 材料属性定义：根据杆管柱的材料特性，定义各单元的材料属性，如弹性模量、泊松比等。
3. 边界条件与载荷施加：根据实际工况，施加边界条件和载荷，如重力、摩擦力等。
4. 求解与结果分析：通过求解有限元方程，得到杆管柱的应力、应变及位移等结果，并进行后处理分析。
四、有限元分析在水平井杆管柱力学中的应用1. 杆管柱设计优化：通过有限元分析，可以准确计算杆管柱在不同工况下的受力情况，为设计优化提供依据。
如调整杆管柱的截面尺寸、材料选择等，以提高其力学性能。
2. 井下事故预防：通过有限元分析，可以预测杆管柱在复杂工况下的失效模式，从而采取相应措施预防井下事故的发生。
如及时发现并处理潜在的安全隐患，确保井下作业的安全。
3. 施工工艺优化：有限元分析可以指导施工工艺的优化，如调整钻进速度、改变井眼轨迹等，以降低杆管柱的受力，提高作业效率。
五、结论本文介绍了水平井杆管柱力学的有限元分析方法及其应用。
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。
《2024年水平井杆管柱力学的有限元分析及应用》范文
《水平井杆管柱力学的有限元分析及应用》篇一摘要：本文详细阐述了水平井杆管柱力学的有限元分析方法，并通过具体案例展示其在实际工程中的应用。
通过对水平井杆管柱进行三维建模、材料属性定义、边界条件设置、网格划分和求解分析等步骤，利用有限元分析软件进行计算，探讨了其力学性能及优化方案。
一、引言随着石油、天然气等资源的开发不断深入，水平井技术因其高效采油、气藏开发的特性得到了广泛应用。
在水平井开发过程中，杆管柱作为钻井和采油的重要设备，其力学性能的稳定性和安全性直接关系到整个开采过程的安全性和效率。
因此，对水平井杆管柱的力学性能进行精确的有限元分析具有重要意义。
二、水平井杆管柱的有限元分析方法1. 三维建模根据实际工程需求，建立水平井杆管柱的三维模型。
模型应包括杆管柱的几何尺寸、材料属性等关键信息。
2. 材料属性定义根据杆管柱的实际材料，定义其弹性模量、泊松比、屈服极限等材料属性。
3. 边界条件设置根据实际工作条件，设置杆管柱的边界条件，如固定端、活动端等。
4. 网格划分将三维模型进行网格划分，形成有限元网格，以便进行后续的有限元分析。
5. 求解分析利用有限元分析软件对模型进行求解分析，得到杆管柱的应力、应变等力学性能参数。
三、有限元分析软件的应用以某油田水平井杆管柱为例，采用上述有限元分析方法，利用专业有限元分析软件进行计算。
通过计算得到杆管柱的应力分布、变形情况等力学性能参数，并对结果进行分析和评估。
四、案例分析以实际工程为例，对水平井杆管柱进行有限元分析。
首先，建立该工程的三维模型，并定义材料属性及边界条件。
然后，进行网格划分并利用有限元分析软件进行求解。
通过分析得到杆管柱的应力分布图、变形图等结果，并对其力学性能进行评价。
同时，根据分析结果提出优化方案，以提高杆管柱的力学性能和安全性。
五、结论本文通过对水平井杆管柱进行有限元分析，探讨了其力学性能及优化方案。
通过实际案例的分析，验证了有限元分析方法在水平井杆管柱力学性能评估及优化中的有效性。
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)。
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In the formula, pco --External force of cement mortar on casing，ρc - Cement slurry or drilling fluid density (2) The pressure inside the casing
Mechanical Mechanism of Casing Damage in Thermal Recovery Wells
4th ：Casing load and casing stress
1. the external pressure of the casing and the casing pressure and the stress generated in the casing.
In the formula, pci -The pressure inside the casing，pcic -easing pressure，ρo -Casing fluid density
Mechanical Mechanism of Casing Damage in Thermal Recovery Wells
also consistent with the borehole of the bending, bending stress generated in the casing.
(5) Thermal stress. The stress caused by the temperature variation of the formation and
Third : coordinate system
According to the hypothesis (1), select the
column coordinate system, the coordinate origin is selected at the wellhead, and the Z axis along the axis of the borehole is down. The r axis along the shaft radially outward
Mechanical Mechanism of Casing Damage in Thermal Recovery Wells
2. Mechanical analysis of casing in thermal recovery wells
(1) Internal pressure; Internal pressure refers to the pressure on the inner wall of the
casing during the steam injection process
Mechanical Mechanism of Casing Damage in Thermal Recovery Wells
Second : Fundamental Assumptions
(1) the radius of the casing is very small relative to the radius of the hole; (2) the material of the casing and the formation rock is linear elastic, homogeneous and isotropic, and in the range of small deformation; (3) the coefficient of linear expansion of casing and formation rocks is constant; (4) the casing and the formation are in the plane strain state when the steam injection, and the casing is in the plane stress state when the cement is injected (5) meet the Mises criteria of casing damage.
action of the self weight of the casing and the buoyancy of the cement paste. It is formed in the process of cement injection.
(4) Bending stress. Due to the curvature of the borehole, when the casing is in place, it is
Mechanical Mechanism of Casing Damage in Thermal Recovery Wells
1. Factors and analysis of casing failure
With the continuous development of heavy oil production, the casing damage is more and more serious. The main problems in the exploitation of heavy oil are casing deformation, fault and leakage. For this purpose, domestic and foreign experts have conducted a more indepth study of thermal recovery casing damage. According to the analysis of experts at home and abroad in recent decades, as well as the analysis of the Shengli Oilfield casing damage data, the reasons of thermal recovery well casing damage can be summarized as following three aspects. Engineering technology factor
Mechanical Mechanism of Casing Damage in Thermal Recovery Wells Contents
Preface
1. Factors and analysis of casing failure
2. Mechanical analysis of casing in thermal recovery wells
LOGO
Tubular Mechanics in Oil-Gas
Mechanical Mechanism of Casing Damage in Thermal Recovery Wells
Reporter ：RenWenming Supervisor ：Professor Li Zifeng Date ：7/10/2016
(3) Radial Stress and Tangential Stress in Casing Under Internal Pressure and External Pressure According to the theory of thick wall cylinder :
Geological factors
Casing Damage
Corrosion factor
Mechanical Mechanism of Casing Damage in Thermal Recovery Wells
1. Factors and analysis of casing failure
force is the force of cement stone and casing after the cement stone is solidified.
(3) Initial axial force; The initial axial force in the casing is the result of the combined
Mechanical Mechanism of Casing Damage in Thermal Recovery Wells
2. Mechanical analysis of casing in thermal recovery wells
Thermal recovery well thermal stress lead to casing damage is actually steam injection temperature field during the process of the tube wall heat should force and surrounding rock stress field change, causing external loads, cause the casing stress caused by casing damage. Theoretical analysis of casing stress in heat injection process First :Casing in oil well production process, by the role of the following forces: (1) Internal pressure; (2) Outer force of the casing; (3) Initial axial force; (4) Bending stress.; (5) Thermalpreventing casing damage