油气井管柱屈曲行为研究进展

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1986 年, Mitchell 提 出了考虑摩擦时垂 直井眼中管柱螺旋 屈曲分析的简单模 型, 分析了摩擦对钻 压传递效率以及管 柱轴向位移的影响。
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1993年, He xiaojun 等分析了管柱在弯 曲井眼中处于稳定 状态及螺旋屈曲状 态时的摩擦力计算 方法, 并提出了 “自锁”的概念。
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1995 年, Wu jiang 等研究了水平井、 斜直井和弯曲井 眼中管柱正旋及 螺旋屈曲时的摩 擦力计算问题。
目录

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管柱屈曲行为研究方法
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3
管柱屈曲行为状态 管柱屈曲行为研究现状 管柱屈曲行为研究中存在的主要问题
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管柱屈曲行为进一步研究的方向
1.管柱屈曲行为研究方法

自Lubinski 等首次利用能量法研究直井中管柱的螺旋屈

3.3 水平井中管柱屈曲
1999年
2005年
2006年
刘亚明等利用经典 微分方程法建立了 连续油管在水平井 中的稳定性方程, 讨论了井斜角、环 空间隙、管柱长度 和摩擦系数对连续 油管在水平井中的 稳定性的影响。
刘峰等应用有限元法 对不同约束下水平井 中钻柱从稳定到非线 性屈曲的整个过程进 行了分析,认为钻柱的 屈曲是一个从局部屈 曲到总体屈曲的过程, 屈曲段的井壁约束力、 钻柱弯矩和屈曲位移 呈周期性变化。
采用有限元法对 直井中钻柱非线 性屈曲控制微分 方程进行了求解, 给出了钻柱非线 性螺旋屈曲临界 载荷定义, 分析了 位移高阶项在钻 柱弯矩计算中的 影响。
1950 年 Lubinski
1962 年, Lubinski、 Althouse、 Logan 等
2007年,
刘峰等
3. 管柱屈曲行为研究现状
高国华等导出 了杆柱在水平 井眼中的屈曲 方程, 给出了屈 曲方程的通解, 并分析了不同 边界约束条件 对杆柱临界失 稳载荷的影响。
李子丰等研究了 水平井中管柱受 压扭的几何非线 性弯曲, 用解析 法分析了无重无 摩擦力受压扭细 长圆杆( 管) 在 水平井中的等螺 距螺旋屈曲。
3. 管柱屈曲行为研究现状
管柱在井筒内经常处于压扭状态, 有时会发生屈曲和塑性变形。受井眼约 束管柱发生屈曲后, 屈曲构型随着载荷的增加而变化, 除了保持稳定、正弦 屈曲构型、螺旋屈曲构型及相互之间的转化外, 在每种屈曲构型中管柱的 模态也会随着载荷的增加而变化。管柱屈曲为复杂的多层次屈曲行为, 对
其受力和变形进行精确分析有利于进行管柱优化设计和钻井措施设计。
油气井管柱力学结课汇报
油气井管柱 屈曲行为研究进展
汇报学生：朱智翔 指导老师：李子丰 教授 汇报日期：2013.6.4
引言

管柱(包括钻柱、套管柱、测试管柱、抽油杆管柱、连续油管等) 的屈曲行为是 石油工程中的关键问题, 对石油工程中的诸多方面(如钻井、完井、测井、压裂、 采油等) 都有不良影响, 会引起钻头方向改变及井下摩阻和扭矩显著增加(甚至使 管柱 “锁死”),导致钻具疲劳破坏、油管密封失效、管柱连接失效、连续油管无 法下入以及采油杆管柱偏磨等。特别是随着水平井、大位移井、多分支井和连续油 管技术的推广应用,受井眼约束管柱的屈曲问题更加突出, 已成为油气井钻采工程 中的关键技术问题之一。 屈曲是结构的一种失效。表现为当结构受到很高、但小于他所能承受的极限压 应力的应力时，会失效。这种失效常归结于弹性不稳定性。（当载荷达到某一临界 值时，结构构形将突然跳到另一个随遇的平衡状态，称之为屈曲。） 临界点之前称为前屈曲,临界点之后称为后屈曲。 长期以来国内外许多学者对管柱在垂直井、斜直井、水平井和弯曲井眼中的稳 定性和屈曲行为进行了理论和试验研究，形成了几种比较典型的研究方法，并且建 立了多种模型以研究井眼中管柱的屈曲及后屈曲特性。
曲行为以来, 经过半个世纪的发展, 形成了几种比较典型的研 究方法, 即经典微分方程法、能量法、有限单元法等。
研究方法
经典微分方程法
管柱力学中应用最早的 研究方法。该方法是把 钻柱看成一条弹性曲线, 并要求在满足经典材料 力学的基本假设的前提 下, 通过应用弹性力学 基本理论, 建立管柱线 弹性的经典微分方程。

3.2 斜直井中管柱屈曲
1964年
1984年
1988年
1997年
2004年
2006年
2008年
Paslay 等 利用能量 法对管柱 在斜直圆 孔中的稳 定性进行 了理论分 析, 导出了 管柱发生 正旋屈曲 时临界载 荷计算公 式。
Daw son 、Paslay 等给出了 斜直井中 钻柱失稳 载荷的计 算公式。
高德利等应用 伽辽金法求得 斜直井管柱正 旋屈曲构型的 解析解, 利用 多尺度法得到 斜直井管柱螺 旋屈曲构型的 解析解, 并根 据管柱与井眼 接触力最小值 大于等于零的 条件, 确定了 斜直井管柱处 于3 种平衡状 态的载荷范围 。
刘健等利 用能量法 推导出了 斜直井中 考虑残余 应变的连 续油管螺 旋屈曲载 荷计算新 公式。
1996 年,
研究了带封隔器 管柱的螺旋屈曲 行为。
首先研究了钻柱 在垂直井眼中的 稳定性, 导出了钻 柱在垂直平面内 的弯曲方程, 并利 用边界条件给出 了钻柱在垂直平 面内发生失稳弯 曲的临界载荷计 算公式。
高国华等
分析了管柱在垂 直井眼中的屈曲, 将管柱的3 种平 衡状态( 稳定、正 旋屈曲、螺旋屈 曲) 有机地统一起 来。
正弦屈曲到螺旋屈曲的过程
3. 管柱屈曲行为研究现状

3.1 垂直井眼中管柱屈曲
1957 年, Lubinski、 Blenkarn 等
对抽油井中油管 及抽油杆柱的螺 旋弯曲进行了研 究,首次提出了抽 油杆和油管在轴 压及内外压作用 下发生空间螺旋 屈曲的概念和内 压引起管柱失稳 的概念。
3. 管柱屈曲行为研究现状

3.3 水平井中管柱屈曲
1990年
1993年
1994年
1994年
Yuchechen 等利用能量 法导出了管 柱在水平井 中发生正旋 及螺旋屈曲 时的临界载 荷计算公式。
Wu Jiang 等 利用能量法分 析了管柱在大 位移、水平井 中的螺旋屈曲 和摩擦阻力的 计算问题,给 出了螺旋屈曲 临界载荷计算 公式。
有限元法 能量法
一种求解简单的弹性力 学问题的方法。它要求 势能函数不仅要满足弹 性力学的控制方程, 而 且要满足边界条件, 通 过解的形式的假设及有 关参数的确定, 可得到 问题的解答。 一种近似数值计算方法 。这种方法是通过将管柱 分解为有限的离散梁单元 , 再通过适当的合成方法 将这些单元组合成一个整 体, 用以代表原来的管柱 状态, 并最终得到一组以 节点位移为未知量的代数 方程组。
2.管柱屈曲行为状态

管柱在井眼中有4 种不同的平衡状态和空间构型:稳定状态、 正弦屈曲状态、螺旋屈曲状态和自锁状态。在这4 种不同的平
衡状态之间存在3 个临界点。
自锁状态
螺旋屈曲状态
正弦屈曲状态
稳定状态
3. 管柱屈曲行为研究现状

由于管柱在弯曲井眼中的变形和载荷描述比直井要复杂得多, 因此弯曲井 眼中管柱稳定性和螺旋屈曲的分析也很复杂。
1993年 He Xiao jun等 1993年 Yuchechen等 通过类比分析认为: 屈曲前井壁对管柱的法向支反力与管柱临界载荷 之间存在一定的关系。
考虑重力及井眼弯曲的影响, 用能量法得出了水平井眼、弯曲井眼的 正旋屈曲和螺旋屈曲临界载荷。
试验研究
1990 年, Yuchechen 通 过实验证明了他们用能 量法导出的临界载荷公 式的合理性。
1994 年, J. B. Salies 等对垂直井眼 中的正旋屈曲临界载荷进行了实验 研究。实测到临界屈曲载荷、管柱 与井筒的接触点以及摩擦对管柱后 屈曲行为的影响。
Mitchell 利用三维 弹性梁理 论首次导 出了管柱 在斜直井 眼中发生 失稳时的 屈曲方程 。
于永南等考虑 自重和井斜的 影响, 用能量法 推导出了斜直 井中钻柱正旋 屈曲的临界载 荷一般形式。 其后, 他通过引 入单元荷载刚 度矩阵, 建立了 斜直井中钻柱 正弦屈曲的有 限元方法。
刘峰等建立了斜 直井中有重钻柱 螺旋屈曲非线性 有限元分析方法 , 分析了重力、扭 矩和井斜角对临 界载荷的影响, 得出钻柱临界载 荷随井斜角增大 而增大、随扭矩 增大而减小, 并 指出钻柱重力线 密度对临界载荷 的影响大小与井 斜角和屈曲模态 有关。
利用经典微分方程法导出了弯曲井眼中受压管柱的屈曲方程——含参 数的四阶非线性常微分方程, 并将管柱的3 种平衡状态与屈曲方程的3 种不同性态的解统一起来, 同时对含参数的四阶非线性常微分方程的 二次分叉进行了探讨。 利用能量法研究了弯曲井眼中钻柱的屈曲问题, 认为随着曲率的增大, 其临界荷载随之增大, 当弯曲井眼的曲率增大到一定的数值时, 钻柱由 稳定问题转变为强度问题, 其临界荷载应由钻柱的强度条件确定。
2003年 冷继先
2006年 高德利
利用经典微分方程法建立了在弯扭组合作用时管柱的屈曲微分方程, 并求得屈曲方程对应管柱正旋屈曲和螺旋屈曲构型的解析解, 确定了 管柱处于初始平衡状态、正旋屈曲平衡状态、螺旋屈曲平衡状态所对 应的载荷范围。 摒弃了等螺距、无重力和小位移假设条件, 考虑了重力、井眼轨迹、曲 率半径和钻柱上端井斜角对管柱屈曲的影响, 用有限单元法对钻柱的屈 曲问题进行了深入的研究。
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2000 年, 张福祥等分 析了摩擦系数对整个 管柱上的轴力分布、 “中性点”位置、 “自锁点”位置以及 “自锁力”的影响, 并绘制出了对应不同 摩擦系数的轴力分布 曲线。
3. 管柱屈曲行为研究现状

3.6 管柱屈曲试验研究
1999 年, 黄涛进行了直井中钻 柱稳定性的试验研究。 2003 年, 冷继先进行了井下管 柱屈曲行为室内实验研究。 1994 年 , Mccann Suryanarayana 等 进 行了井眼曲率和摩擦 对管柱失稳弯曲影响 的实验研究, 证明了 临界载荷计算公式的 相对合理性。 20 世纪70 年代, Lubinski 等对全 尺寸钻柱在斜直井眼中的临界载 荷进行了实验测定, 并给出了试 验结果的拟合公式。