超深井射孔管柱动态力学分析
射孔段管柱瞬态响应及应力强度分析
一 90 —石油机械CHINA PETROLELM MACHINERY2017 年第45 卷第 11期◄油气田开发工程►射孔段管柱瞬态响应及应力强度分析张伟1徐成2李明飞2张林3王刚庆4(1.中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院2.西安石油大学机械工程学院3.中国石油西南油气田分公司工程技术研究院4.江汉机械研究所）摘要：为了了解射孔爆轰载荷作用下射孔段管柱的动态响应和应力强度安全性，应用A N S Y S 有限元分析软件建立了射孔段管柱有限元模型，对射孔段管柱进行瞬态响应及应力强度分析，得 到了射孔段管柱振动位移、速度、加速度及等效应力等对射孔冲击载荷的响应规律，并考察了射 孔段管柱长度和壁厚对管柱应力强度的影响。
分析结果表明：在射孔爆轰载荷作用下，射孔段管 柱受压缩和拉伸冲击载荷交替作用；管柱各处的振动位移、速度和加速度都随时间做周期性变化，且周期相同；距离封隔器越远（距离射孔爆轰源越近），振动速度和振动加速度幅值越大；射孔 冲击引起的管柱振动加速度峰值可以达到重力加速度的数百倍，从而产生剧烈的动载；离封隔器 越近，管柱的振动位移越小，但管柱的等效应力越大；射孔段管柱越长，管柱壁厚越厚，最大等 效应力越小。
所得结论可为射孔段管柱优化配置提供参考。
关键词：射孔管柱；射孔爆轰；瞬态响应；速度响应；应力分析中图分类号：丁瓦934文献标识码：入如：10.16082/】.（:吐[^吼.100卜4578.2017.11.018 T r a n s i e n t R e s p o n s e a n d S t r e n g t h A n a l y s i s o f P e r f o r a t i n g S t r i n gZhang W e i1X u Cheng2Li Mingfei2Zhang Lin3W a n g Gangqing4(1.Engineering Technology Research Institute y PetroChina Tarim Oilfield Company.，2. Mechanical Engineering College，X i' an Shiyou University •3. Engineering Technology Research Institute y PetroChina Southwest OH & Gas Field Company \4. Jianghan, Machinery Research Institute)Abstract ：For a better understanding of dynamic response and stress intensity safety of the perforating tubular string under detonation loads,a finite element model of perforating tubular string has been established by using A NS Y S.The transient response and the stress intensity of the perforating tubular string have been analyzed to attain the impact load response law of the string vibration displacement,velocity,acceleration and equivalent stress.The influence of pipe length and wall thickness of perforating tubular string on stress intensity was also studied.The results showed that：the perforating tubular string bore alternating compression and tensile impact load under detonation load.String vibration displacement,velocity and acceleration changed periodically at the same cycle.The vibration velocity and vibration acceleration amplitude becomes larger with the increased distance to the packers(the decreased distance to the perforating detonation source).String vibration acceleration peak value caused by impact perforation could reach hundreds of gravity acceleration,resulting in a severe dynamic load.W h e n closer to the packer,the string vibration displacement becomes smaller,but the equivalent stress of the tubular string becomes greater.Longer perforating tubular string and larger string wall thickness could lower the m aximum equivalent stress. The study conclusion can provide a reference for the perforating string configuration optimization.Keywords:perforating string；perforation detonation；transient response;velocity response;stress analysis*基金项目：国家自然科学基金项目“高温高压深井射孔压力脉动及管柱动力响应机理研究”（ 51374171);中石油科技重大专项“西南油气田上产300亿立方米关键技术研究与应用”（2016E-0608):2017年第45卷第11期张伟等：射孔段管柱瞬态响应及应力强度分析—91 —0引言随着射孔技术和油气勘探开发技术的进步，为了提高射孔效果，通常采用大威力的射孔弹，并增大射孔密度，这样虽然增大了射孔爆炸冲击 载荷，但是加大了射孔管柱及工具的工作载荷和 损坏的风险。
塔河超深水平井分段压裂管柱力学分析方法
第17卷第32期2017年11月 1671 — 1815(2017)032-0101-06科学技术与工程Science Technology and EngineeringVol . 17 No . 32 Nov . 2017© 2017 Sci . Tech . Engrg .塔河超深水平井分段压裂管柱力学分析方法何同1!2岳慧1何祖清1(中国石化石油工程技术研究院完井研究所1 $北京100101冲国石油大学（北京）石油工程学院2 $北京102249)摘要塔河油田顺托顺南区块奥陶系油藏储层属于超高温超高压超深的缝洞型油藏，由于直井难以实现高效开发，需要采用水平井分段改造技术，实现一井多缝洞体同时开发以提高效益。
针对超深水平井压裂管柱温度高、施工压力大，受力复杂 等特点，建立了超深水平井分段压裂管柱力学分析模型，并根据不同压裂阶段受力特征，提出了不同压裂工况下管柱力学分 析方法。
依据所建立模型，以塔河油田顺南某井为例，对分段完井管柱设计进行了不同压裂工况下受力分析，针对发现问题 进行了管柱优化，提高了管柱安全性能。
分析结果也表明，该模型为超深水平井分段压裂管柱安全校核和优化设计提供了理论依据和方法。
关键词超深井 完井管柱 力学分析 优化设计中图法分类号TE323; 文献标志码A 塔河油田顺托、顺南区块部分奥陶系碳酸盐岩 油藏埋深在7 000 m 以上，地层压力约85 ~ 92 M Pa(7 000 m )，地层温度 185 ~ 195 q (7 000 m )，其温度压力显著高于中国其他油气藏。
由于采用直井开 采产量递减很快，为实现经济有效开发[1—3]，决定采 取裸眼水平井多级分段压裂方式完井。
该区块分段 压裂完井管柱的设计存在着以下特殊问题。
(1) 由于井深大、井内压力高、温度变化幅度 大，由此带来的管柱力学效应导致管柱变形和受力非常大。
(2) 进行分段酸压时，分段裸眼封隔器受到管 柱轴向力和压差共同作用，容易引起封隔器失效。
080505大庆油田高温深井试气井下管柱力学分析
大庆油田高温深井试气及其管柱特点简析表1是与管柱力学计算有关的大庆油田高温深井试气基础数据，表2所示为大庆油田常用试气（压裂）井下管柱组合。
由表可见，与传统的试井（Well Testing）作业及国内其它油田相比，大庆油田试气的主要特点为高温、深井、高压，且经常进行射孔、测试、压裂联作，因此，必须考虑上述特点，进行管柱力学分析。
此外，以前大庆油田试气井口主要为控制头，但随着APR测试工具的引入，也开始用采油树试气。
而井下封隔器既有传统的PT封隔器、插管封隔器，也有可双向限位的封隔器，如JS—2、RTTS等。
采油树、控制头及不同封隔器对管柱轴向变形的约束是不一样的，因此，进行管柱力学分析时，必须考虑井口和井底对管柱的约束，用“超静定”结构和非线性分析方法，迭代计算管柱受力和变形。
表1大庆油田高温深井试气管柱力学分析基础数据表2大庆油田常用试气（压裂）井下管柱组合一、大庆油田高温深井试气（压裂）井下管柱变形分析为分析方便，计算压力时，以井口为坐标原点，向下以井眼轴线作为z 轴；计算轴向力、弯矩、接触力时，以井底为坐标原点，向上以井眼轴线作为x 轴。
根据管柱力学分析惯例，为了综合反映内外流体对管柱轴向力及管柱轴向稳定性的影响，定义“等效轴力”)(x Fe ： )]x (A )x ()x (A )x ([)()(o o i i ρρ++=x F x Fe经过分析，内压)(z p i 、外压)(z p o 、轴向力)(x F 、弯曲管柱与井壁的接触支反力)(x N 和弯矩)(x M 计算公式如下：流动摩阻井口±+=Z )(i γi i p z p Z p )(p o o o γ+=井口zEIx Fe x x N 4)()()(2δ=2)()()(x x Fe x M δ=其中，)(x F —离井底高x 处管柱所受的“真实轴力”，井口i p —井口管内压力 ，i γ—管内流体比重，流动摩阻±—产出时加流动摩阻、注入时减流动摩阻（流动摩阻由流体力学分析提供），井口o p —井口环空压力，o γ—管外流体比重。
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）。
深井注水管柱力学研究
8EIcr4 8F 12EIcr4 F
sin
31
管柱的螺旋屈曲分析
4 6 2 3 m 2 f Q 0 si n 0
n 4 4 3 2 m 3 2 f 2 Q 1s in
假设管柱螺旋屈曲后构型函数的渐近展开式为以下表达
式：
0 , 1 , O 2
f f0 2 f 1 O 4
管柱发生螺旋屈曲构型
多尺度 摄动法
,1 5Q 012sin
32
3.3 管柱屈曲临界载荷分析
管柱发生初始正弦屈曲的临界载荷为
4 EI Fcrs Rrc
管柱发生初始螺旋屈曲的临界载荷为
Fcrh
7.56EI Rrc
F Fcrs，注入管柱不发生屈曲；
FcrsFFcrh，注入管柱发生正弦屈曲；
图6 压裂管柱的工作过程
8
9
二、主要研究内容、方法和成果
国内外文献综述 三维曲井中管柱轴向载荷分析 深井管柱非线性屈曲研究 深井注入管柱强度分析 深井注入管柱的轴向变形研究 井筒温度场的数值模拟 深井注入管柱内流体动态水力学研究 深井注入管柱流固耦合振动力学研究 深井注入管柱力学理论应用及软件开发
坐封球座
人工井底
图3 任意层选层酸化压裂管柱
注水层 注水层
管柱伸缩补偿器 压井洗井开关 水力锚 Y241可洗井封隔器 偏心配水器
Y341可洗井封隔器 偏心配水器
底部循环凡尔
图4 可洗井高压分层注水管柱
4
在充满井液的狭长井眼里工作，通常注入管柱要承受 拉、压、弯、扭、流体压力等多种载荷作用，再加上封 隔器等井下工具的约束，其受力、变形及运动状态十分 复杂。
分布 载荷
分布 载荷
深井压裂井下管柱力学分析及其应用_杜现飞 (1)
图 2 Y221 型封隔器坐封及锚定示意 1. 1. 3 坐封锚定时
施工过程中 , 井下管柱所受载荷主要由管串的自重 引起 , 同时由于工作液的注入导致油管和环空内温 度、 压力变化 , 会产生下列引起封隔器管柱受力和长 度变化的 4 种基本效应 : a) 活塞效应 由油管内 、外压力作用在管柱 直径变化处和密封管的端面上引起 。 b) 螺旋弯曲效应 由压力作用在密封管端面 和管柱内壁面上引起 。 c) 鼓胀效应 由压力作用在管柱的内 、外壁 面上引起 。 d) 温度效应 由管柱的平均温度变化引起 。 在受力分析过程中 , 把重点放在引起管柱受力 和长度变化的压力 、温度的变化上 , 而不是压力 、温 度最初值 。 所以 , 计算时 , 应从封隔器最初坐封的条 件开始 , 继而研究施工中条件的变化 , 而坐封前的管 柱自重伸长 , 下井时管柱随井温引起的长度变化 , 则 不在考虑之列 。 同时 , 由于高压流体的泵注 , 封隔器管柱要承受 内压 、 外压 、粘滞摩阻力等 ; 如果管柱发生屈曲变形 , 与套管有接触点 , 管柱还要承受套管支承反力 、弯矩 等 。 此外 , 坐封载荷依然存在 。
1. 1. 2 坐封锚 定前
压裂管柱坐封锚定前为一悬链形式 , 整个管柱 主要受自重 、 浮力的影响 , 其最大应力发生在井口 , 因此需对 井口 的 油管 和 螺纹 进 行受 力 分 析和 校 核[ 3] 。 首先计算管柱自重和浮力引起的合力 — — —浮 重 , 浮重引起的井口轴向力大小为 Fg = γ 1 - dx ∫ ρ来自ρ m( 1)
高压射孔测试管柱力学行为仿真
石 油 矿 场 机 械
０Ｉ Ｌ ＦＩ ＥＬＤ ＥＱＵＩ Ｍ Ｅ Ｐ ＮＴ
２ ¨ ， ０ ５ ： ４ ７ Ｏ ４ （） ７ ～ ７
文 章 编 号 ： ０ １ ４ ２（ ０１ ） ５ ０ ４ ０ １ ０ ３ ８ ２ １ ０ ０ ７ ４
管柱轴 向力 、 井壁摩擦 力 、 内外压 、 管柱 自身重力等影 响 因素 ， 对其在 不 同危 险工况下进行 管柱力学
行 为 模 拟 。 形 成 了一 套 基 于 ＡＢ ＱＵ Ａ Ｓ软 件 下研 究 测 试 管 柱 变形 的 分 析 方 法 ， 在 某 地 区 Ａ 井 的 并 应 用 中取 得 了 良好 的 效 果 。 此 方 法 能 够 真 实地 反 映 测 试 管 柱 的 变 形 规 律 ， 对 深 井勘 探 现 场 测 试 可
ｃａ ｐ ｉ ｔ Ｔｈ ｅ ｔ ｇ ｓ ｒｎ ｓ ｓｍｕ ａ ｅ ｎ ｄ ｆｅ ｅ ｔｒｓ ｒ ｉ ｇ ｃ ｎ ｉｉｎ ｙ ｃ ｍ ｐ ｅ ｅ ｓｖ ｒ ｏ ｎ ． ｅ ｔ ｓ ｉ ｔｉ ｇ ｉ ｉ ｌ ｔ ｄ ｉ ｉ ｒ ｎ ｉｋ ｗｏ ｋ ｎ ｏ ｄ ｔ ｓ ｂ ｏ ｒ ｈ ｎ ｉ ｅ ２ ｎ ｆ ｏ ｃ ｎ ｉ ｅ ａ ｉ ｎ ｏ ｈ ｔ ｉ ｇ ａ ｉｌｆ ｒ ｅ ｆ ｉｔｏ ｉ ｔ ｒ ａ ａ ｄ ｅ ｔ ｒ ａ ｒ ｓ ｕ ｅ ｇ ａ ｉ ｎ Ｏ ｏ ． ｏ ｓｄ ｒ ｔ ｆｔ ｅ ｓｒｎ ｘ ａ ｏ ｃ ， ｒｃ ｉ ｎ， ｅ ｎ ｌ ｎ ｘ ｅ ｎ ｌｐ ｅ ｓ ｒ ， ｒ ｖ ｔ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｎ ｙ
（ ｕ ｈ％＇ｓ ｔｏ ｅ ｍ Ｓｏ ｔ Ｃ ｔＰｅ ｒ ｌ ｕ Ｕｎｉ ｅ ｓｔ ， ｅ ｇｄｕ ６ ０５ ０， ｉ ａ） ｅ ｖ ｒ ｉｙ Ｃｈ ｎ １ ０ Ｃｈ ｎ
塔里木盆地超深井311.2 mm井眼钻柱动力学特性及参数设计
塔 里木 盆 地 超 深 井 ３ １ １ ． ２ ｍｍ 井 眼钻 柱 动 力 学特 性 及 参 数 设 计
滕 学 清 李 宁 狄 勤 丰 陈 勉 王 文 昌 王 明 杰 沈子 俊
北 京 １ ０ ２ ２ ４ ９ ； ２ ．中 国石 油 塔 里 木 油 田公 司 新 疆 库 尔 勒 上海 ２ ０ ０ ０ ７ ２ ） ８ ４ １ ０ ０ ０ ； ３ ．上海 大 学 上 海 市 应 用 数 学 和 力 学 研 究 所 （ １ ． 中国 石 油 大 学 石 油 工 程 学 院
（ １ ．Ｃｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｐｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ Ｅｎ ｇｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ，Ｃｈ ｉ ｎ ａ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｐｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ，Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ２ ２ ４ ９ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ；
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｅ ２ １ 文 献标 识 码 ： Ａ
Ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｏ ｐｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｓ ｔ ｒ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ｏ ｒ ｅ ｈ ｏ ｌ ｅ
ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｄ ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ａ ｃ ｏ ｍｂ ｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｎ ｏ ｄ ｅ ｉ ｔ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ａ ｎ ｄ Ｎｅ ｗｍａ ｒ ｋ ’ Ｓ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ． Ｔｈ ｅ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｙ ｃ ｏ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｓ ｔ ｒ ｉ ｎ ｇ ｉ ｓ ｄ ｅ —
井下管柱力学分析及优化设计
井下管柱力学分析及优化设计一、本文概述随着石油工业的发展，井下管柱作为石油开采过程中的关键组成部分，其力学性能及优化设计日益受到业界的广泛关注。
本文旨在全面探讨井下管柱的力学特性，以及针对其在实际工作环境中的受力情况进行详细分析，从而提出有效的优化设计策略。
通过对井下管柱的力学分析，可以深入理解其在石油开采过程中的行为规律，预测潜在的安全风险，并为提高管柱的承载能力和延长使用寿命提供理论支持。
优化设计的提出将有助于降低开采成本，提高石油开采效率，为石油工业的可持续发展做出贡献。
本文的研究不仅具有重要的理论价值，而且具有广泛的应用前景。
二、井下管柱力学基础在石油、天然气等地下资源开采过程中，井下管柱作为重要的设备之一，其力学特性对于确保开采过程的安全和效率具有决定性的影响。
因此，深入理解和掌握井下管柱的力学基础，是优化设计井下管柱结构、提高开采效果的前提。
井下管柱的力学行为主要受到轴向力、弯曲力、剪切力以及压力等多种力的影响。
这些力主要来源于地层应力、流体压力、温度变化、管柱自身的重量以及操作过程中的外力。
其中，轴向力主要由管柱自身的重量和地层应力引起，弯曲力则是由地层弯曲和管柱自身的挠曲造成，剪切力则可能由流体流动、温度变化等因素产生。
在力学分析中，我们通常采用弹性力学、塑性力学以及断裂力学等理论工具，对井下管柱在各种力作用下的行为进行深入的研究。
例如，通过弹性力学，我们可以分析管柱在弹性范围内的应力、应变分布，以及管柱的变形情况；而塑性力学则可以帮助我们理解管柱在塑性变形阶段的力学行为，以及管柱的承载能力；断裂力学则可以揭示管柱在断裂过程中的力学规律，为预防管柱断裂提供理论依据。
井下管柱的力学行为还受到流体压力的影响。
在开采过程中，地层流体（如石油、天然气、水等）的压力会对管柱产生压力作用，从而影响管柱的力学行为。
因此，在力学分析中，我们还需要考虑流体压力对管柱的影响，以及管柱与流体的相互作用。
高温高压深井油气井管柱静动力学行为研究
高温高压深井油气井管柱静动力学行为研究Research on the Static and Dynamic Behavior of High Temperature and High Pressure Deep Well Oil and Gas Well TubularsThe exploration and production of oil and gas resources has become increasingly challenging as we continue to tap into deeper reservoirs. One of the key aspects in this process is understanding the behavior of tubulars, which arecritical components used in drilling and production operations. In particular, the study of high temperature and high pressure deep well oil and gas well tubulars has garnered significant attention due to its complex static and dynamic behavior.Understanding the static behavior of tubulars under high temperature and high pressure conditions is crucial for ensuring their structural integrity. The thermal expansion of tubulars must be taken into account to prevent failures caused by excessive stress or strain. Additionally, theeffects of high pressure on the mechanical properties of tubular materials need to be thoroughly studied to assess their performance and reliability in deep well environments.Furthermore, investigating the dynamic behavior of tubulars in deep wells is essential for improving drillingefficiency and preventing accidents. The interaction between tubulars and drilling fluids or gas flow can leadto various dynamic phenomena, such as vibration, resonance, or fluid-structure interaction. These dynamics can have detrimental effects on both equipment lifespan and overall drilling operations if not properly understood.To study the static behavior of high temperature and high pressure deep well oil and gas well tubulars, advanced experimental techniques such as strain gauges, extensometers, or digital image correlation can be employed. These methods allow researchers to gather accurate data on stress distribution, deformations, or thermal effectswithin the tubular system. Numerical simulations usingfinite element analysis or computational fluid dynamics can also provide insights into how different factors affect thestatic behavior.In order to investigate the dynamic behavior of these tubular systems in deep well environments, experimental modal analysis can be performed using accelerometers or vibration sensors attached to various locations along the pipe length. This provides valuable information about the natural frequencies, mode shapes, and damping characteristics of the tubulars. Computer-based modeling and simulation techniques can further help analyze and predict the dynamic behavior, such as resonances or fluid-induced vibrations.Overall, the study of high temperature and high pressure deep well oil and gas well tubulars' static and dynamic behavior is crucial for ensuring safe and efficient drilling operations in increasingly challenging environments. Through a combination of advanced experimental techniques, numerical simulations, and computer modeling, researchers can gain insights into various factors affecting tubular behavior and contribute to improved design practices in the oil and gas industry.【中文翻译】高温高压深井油气井管柱静动力学行为研究随着我们不断开采更深的油气资源，油气勘探和生产变得越来越具有挑战性。
深井注入管柱力学行为及应用
深井注入管柱力学行为及应用深井注入管柱力学行为及应用是指在地下石油开采过程中，用于完成注入作业的管柱。
它在注入过程中以某种方式被注入在石油藏中，随后将作为承载和输送石油的结构，在井中长期处于操作状态。
管柱的设计和应用需要考虑到柱体、井下气体和注入液体的相互作用，以及在极其恶劣环境下的应力和位移行为。
下面分几个方面来阐述管柱力学行为及应用。
第一步，管柱设计。
深井注入管柱的设计比较复杂，涉及到多种物理参数，例如压力、流量、温度、材料强度等。
在设计过程中，需要进行力学分析，使其具有足够的承载能力，同时满足流体力学等方面的要求，保证其良好的口径和压降。
第二步，安装和测量。
安装与管柱测量通常分为两个步骤。
在安装过程中，需要考虑到压力和温度等因素，以及管柱的安全性和可靠性。
测量过程中需要关注机械张力、扭矩、温度和位移等参数，以获得管柱完整性和安全性的保证。
第三步，管柱的运行和维护。
管柱的运行和维护相当重要。
为确保管柱的性能不变，需要进行定期检修和维护。
同时，还需要对新技术、新方法和材料进行评估和采用，以提高管柱的性能。
第四步，管柱的应用。
在深井注入过程中，管柱的应用非常重要。
它需要在极其恶劣的环境下，提供稳定的支撑和较小的摩擦力。
同时，在操作和维护期间，要加强安全和质量控制，以确保注入作业的顺利进行。
总结，深井注入管柱力学行为及应用是一个涉及多个领域，具有复杂性和独特性的重要课题。
设计管柱时需要考虑多种因素，安装过程中需要注意各种参数的控制，维护过程中要备好灵敏的技术监察和材料维护，应用过程中要关注安全性和效率性的保证。
管柱的力学行为和应用的质量将直接影响石油开采的产量和石油公司的盈利能力。
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。
深井生产作业管柱力学研究毕业论文
深井生产作业管柱力学研究毕业论文目录第一章前言 (3)1.1研究目的及意义 (3)1.2管柱力学研究历程 (4)1.3深井管柱力学研究理论与方法 (11)1.3.1基本理论 (11)1.3.2求解方法 (12)1.4研究内容及技术路线 (14)1.4.1本文的主要研究内容： (14)1.4.2技术路线 (15)第二章深井油井管柱力学分析 (16)2.1井筒温度、压力预测模型 (16)2.1.1井筒温度场计算模型 (16)2.1.2井筒压力场计算模型 (17)2.1.3温度、压力预测模型程序编制（附录A） (20)2.2带封隔器油井管柱基本效应 (21)2.2.1活塞效应 (24)2.2.2螺旋弯曲效应 (25)2.2.3鼓胀效应 (29)2.2.4温度效应 (31)2.3深井油井管柱载荷计算 (33)2.4深井油井管柱变形计算 (37)第三章深井油井管柱安全校核 (43)3.1油井光管柱应力校核 (43)3.1.1油管安全系数确定 (43)3.1.2抗外挤应力校核 (44)3.1.3抗内压应力校核 (46)3.1.4 丝扣连接屈服强度校核 (46)3.2带封隔器油管柱安全校核 (47)3.3第四强度理论校核 (48)第四章实例计算 (52)4.1 常用油管技术参数 (52)4.2实例计算 (56)4.2.1井筒压力、温度分布（500m为一段） (56)4.2.2该油管柱轴向变形计算 (58)4.2.3该油管柱载荷计算 (62)4.2.4单向应力校核 (63)4.2.5第四强度理论校核 (64)第五章结论 (67)参考文献 (68)致谢 .......................................................................... 错误!未定义书签。
附录 . (70)第一章前言1.1研究目的及意义随着石油勘探开发技术的不断进步，钻井深度越来越深，环境也越来越恶劣。
射孔测试联作管柱受力分析及井下仪器保护技术(精)
射孔测试联作管柱受力分析及井下仪器保护技术尹洪东李世义(北京理工大学机电工程学院,北京 100081张建军y(华北油田公司采油工艺研究院,河北任丘 062552摘要结合现场实际,对射孔测试联作施工管柱进行了力学分析,重点分析了高压和射孔枪振动对管柱的影响,指出射孔瞬间在封隔段形成的高压是引起管柱振动的一种主要影响因素,提出管柱的减振方法。
指出高压也是压力计损坏的主要因素。
在此基础上,设计了管柱结构、井下仪器保护装置,提高了射孔测试联作成功率。
关键词射孔测试联作井下仪器减振器保护器油管输送射孔与地层测试联作(简称联作技术,是解决一些储层测试工艺的一种有效方法。
由于对管柱受力状况及压力计、时钟等仪器的损坏原因认识模糊,施工中虽使用了减振器,还是频繁发生压力计、时钟等井下仪器损坏现象,阻碍了联作技术的应用。
通过对射孔测试联作管柱受力状况分析发现,原来认为时钟、压力计等仪器损坏仅是由射孔枪纵向振动引起的认识是不全面的,得出射孔枪起爆瞬间在封隔段形成的高压引起管柱振动也是造成时钟、压力计等仪器损坏的一种主要影响因素,同时,这个高压造成了压力计因超压而损坏。
在此基础上,对管柱结构进行了改进,研制出新型压力计保护装置,并经试验验证,获得了成功。
1 管柱受力及仪器损坏原因分析1.1 工艺原理射孔测试联作是把射孔枪与测试仪器组合为一次下井管柱,射孔枪接在管柱的底部,测试仪器接在管柱的中部,采用油管输送的方式,把射孔枪和测试仪器送到预定位置,磁定位测得定位短节深度,调整管柱,使射孔枪对准油层,坐封封隔器并开井后,环空加压引爆射孔枪,然后按测试设计开关井,进行地层测试。
射孔测试联作管柱结构见图1。
1.2 管柱受力分析过去认为射孔枪的纵向振动是引起管柱振动的主要因素,认为压力计、时钟是振坏的。
但经对管柱受力分析发现,射孔枪起爆时枪膛内的高压气体向图1 射孔测试联作管柱结构封隔段释放,这部分高压气体会推动管柱向上强烈冲击振动。
深水钻井管柱系统动力学分析与设计方法研究
深水钻井管柱系统动力学分析与设计方法研究廖茂林;周英操;苏义脑;连志龙;蒋宏伟【摘要】深水钻井过程中,从平台延伸到井底的钻柱会在不同深度处与隔水管或井筒发生多点碰撞和摩擦,呈现出接触非线性特征.为了准确掌握深水钻井管柱系统的非线性动力学特性,将其简化为管中管结构,并提出了对应的管柱动力学模型.采用Abaqus有限元软件,对建立的管柱动力学模型进行动态响应模拟,并将模拟结果导入Isight优化软件,进行基于可靠度分析的多目标优化设计,确定出在工程可行性和安全可靠性方面都满足要求的设计参数组合.研究发现,相比于单独考虑隔水管的模型,提出的管中管模型所模拟的管柱系统整体变形程度较小,说明内外管柱之间的相互作用对深水钻井管柱系统的整体偏移有抑制作用;此外,提出的基于可靠度分析的多目标优化设计方法,可以避免优化设计结果因靠近约束边界而在参数波动情况下失效的问题.【期刊名称】《石油钻探技术》【年(卷),期】2019(047)002【总页数】7页(P56-62)【关键词】管柱力学;深水钻井;动力学分析;管中管结构;多目标优化【作者】廖茂林;周英操;苏义脑;连志龙;蒋宏伟【作者单位】中国石油集团工程技术研究院有限公司,北京 102206;中国石油集团工程技术研究院有限公司,北京 102206;中国石油集团工程技术研究院有限公司,北京 102206;中国石油集团工程技术研究院有限公司,北京 102206;中国石油集团工程技术研究院有限公司,北京 102206【正文语种】中文【中图分类】TE921+.2深水钻井与陆地钻井最大的区别是，钻具和钻井液要通过几百甚至数千米长的隔水管系统到达海底实现钻进[1]。
隔水管系统上端连接钻井平台，下端通过海底防喷器与井筒相连。
钻井过程中，隔水管和井筒与钻柱不断发生碰撞、摩擦等相互作用。
因此，对这一管中管系统进行准确的动力学分析和优化设计是确保深水钻井安全的关键，具有重要的工程实际意义。
深井生产作业管柱力学研究
深井生产作业管柱力学研究深井生产作业中，管柱力学是一个非常重要的研究领域。
管柱力学是研究深井生产中的钻杆、油管、套管等管柱组件及其受力特性的学科。
管柱力学的研究对于确保安全生产，提高生产效率具有重要意义。
本文旨在介绍深井生产作业管柱力学研究的现状和热点问题。
一、深井生产作业管柱受力特性研究深井生产作业中，管柱承受着巨大的载荷，其受力特性是管柱力学研究的重点。
现代管柱力学研究主要包括管柱受力分析、应力分析、破坏机理分析、动力学特性分析等方面。
管柱受力分析主要研究管柱在不同工况下的受力情况，如钻进、油管扩径、套管下降等。
应力分析则是对管柱内部应力分布和大小进行分析，以确定管柱的强度和稳定性。
破坏机理分析主要是探讨管柱破坏的原因和机制，为其防止和控制提供理论依据。
动力学特性分析则是研究管柱在受到外力作用后的振动特性和响应情况。
二、管柱力学研究技术手段管柱力学研究需要借助现代力学与计算机技术手段。
常见的研究手段包括模型试验、数值模拟和现场实验。
模型试验主要是利用模型器材重新复制生产现场并进行力学实验研究。
数值模拟主要是通过建立管柱力学模型，运用有限元方法和仿真技术等对管柱受力特性进行分析和预测。
现场实验则是对管柱受力现场实际情况进行测量与分析，探究管柱在活动条件下所受到的真实载荷。
三、管柱力学研究热点问题1. 复杂井型下管柱受力特性研究在现代深井生产中，井深逐渐加深，井型也越来越复杂。
面对复杂井型，钻井技术和套管选型等一系列问题都变得更加困难，管柱力学研究也面临巨大挑战。
如何研究管柱在复杂井型下的受力特性，进一步保证深井生产安全，提高生产效率，是未来管柱力学研究的短期重点。
2. 钻井作业中的管柱受力特性钻井是深井生产的核心工艺之一，其钻杆的稳定性的受力特征也是管柱力学研究的重点之一。
钻进过程中，钻杆承受着强大扭矩和压力，其稳定性受到诸多因素的影响。
如何探究钻杆受力特性，预测钻进中的管柱突变等问题，是研究钻井作业中管柱力学的重点。
深井测试管柱力学研究的开题报告
深井测试管柱力学研究的开题报告一、研究背景和意义在深水油气钻探过程中, 深井测试过程是判定油气层是否含有可采储量的重要工作。
深井测试需要在高温高压的环境下进行，因此测试管柱的力学性能对于测试过程的顺利完成至关重要。
深井测试管柱不仅需要具有足够的承载能力，还需要具有优异的防护性能，以便在测试过程中有效地防止发生事故。
因此，对深井测试管柱力学性能进行研究，对于石油工程领域具有非常重大的意义。
二、研究内容本文旨在对深井测试管柱力学性能进行研究，具体研究内容如下：1. 研究深井测试管柱的受力状态，包括管柱在受力过程中所受的轴向载荷、横向载荷和弯曲载荷等。
2. 研究深井测试管柱的振动特性，包括测试管柱在油井钻井过程中会引发哪些振动以及引起振动的原因。
3. 研究深井测试管柱的磨损特性，包括测试管柱在油井钻井过程中会引发哪些磨损以及引起磨损的原因。
4. 研究深井测试管柱的疲劳特性，包括测试管柱在油井钻井过程中会引发哪些疲劳以及引起疲劳的原因。
5. 研究深井测试管柱的断裂特性，包括测试管柱在油井钻井过程中会引发哪些断裂以及引起断裂的原因。
三、研究方法1. 理论分析法：采用理论模型对深井测试管柱的受力状态、振动特性、磨损特性、疲劳特性和断裂特性进行分析。
2. 数值模拟法：采用有限元方法对深井测试管柱的受力状态、振动特性、磨损特性、疲劳特性和断裂特性进行数值模拟研究，通过数值模拟可以更真实地反映测试管柱的工作环境和受力情况。
3. 实验研究法：采用实验方法对深井测试管柱的受力状态、振动特性、磨损特性、疲劳特性和断裂特性进行实验研究，通过实验可以验证理论分析和数值模拟的可靠性，对深井测试管柱的实际工作情况具有更加直观的了解。
四、预期成果1. 通过理论分析、数值模拟和实验研究，建立深井测试管柱的力学特性模型，为深井测试管柱的设计提供参考。
2. 揭示深井测试管柱在高温高压环境下的受力状态、振动特性、磨损特性、疲劳特性和断裂特性，为测试过程的顺利进行提供支撑。
射孔管柱动力学特性研究
射孔管柱动力学特性研究
张平;张明友;张文斌
【期刊名称】《油气井测试》
【年(卷),期】2024(33)2
【摘要】射孔管柱受射孔弹爆炸冲击载荷易发生变形甚至断裂,保障管柱承载安全性是射孔作业的关键,现有射孔管柱力学分析模型简化条件过多,计算精度有待提高。
以射孔爆轰载荷计算方法为基础,根据欧拉-伯努利空间梁理论和间隙元理论,利用有限元方法建立了射孔管柱三维冲击动力学模型,并利用Generalized-α法对模型进
行了求解,以实测数据对模型精度进行了验证。
以现场实际作业数据为基础,对射孔
管柱的动力学特性和安全性进行了分析评估。
结果表明,射孔爆轰载荷会使射孔管
柱发生剧烈的纵向、横向振动;射孔弹装药量越高对射孔管柱的冲击作用越强烈,油
管的振动幅度越大;增加射孔管柱长度可以减小管柱应力;油管壁厚对管柱的动力学
行为和安全性能有较大影响。
【总页数】8页(P1-8)
【作者】张平;张明友;张文斌
【作者单位】中石油川庆钻探工程有限公司工程技术部;中石油川庆钻探工程有限
公司试修公司
【正文语种】中文
【中图分类】TE257
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陈华 彬 ，唐 凯 ，任 国辉 ，廖 志 开 ，欧 跃 强
（ 国 石 油 集 团 川 庆 钻 探 工程 有 限 公 司 测 井 公 司 ， 庆 ４ ０ ２ ） 中 重 ０ ０ １
摘 要 ：超 深 井 射 孑 完 井 过 程 中 ， 孔 瞬 间形 成 的 动 态 载 荷 对 射 孔 管 柱 产 生 影 响 ， 重 时 会 使 射 孔 管 柱 弯 曲 、 裂 。 Ｌ 射 严 断 通 过 管 柱 动 力 学 理 论 分 析 ， 用 Ｐ ｌ ｒｃ 孔 工 程 软 件 对 射 孔 管 柱 在 超 深 井 井 况 下进 行 力 学 仿 真 。利 用 ＡＮＳ Ｓ 利 ｕｓ ａ 射 Ｆ Ｙ／ Ｌ －ＹＮＡ 有 限 元 分 析 软 件 对 射 孔 管 柱 进 行 隐 显 动 力 学 分 析 。认 识 到 射 孑 管 柱 受 到 口袋 长 度 、 液 密 度 、 柱 长 ＳＤ Ｌ 井 管 度 、 孑 厚 度 、 深 以及 枪 弹 变 化 等 因 素 影 响 ， 孔 时 受 约 束 的封 隔 器 下 端 面 处 射 孔 管 柱 受 力 最 大 。提 出 了 提 高 油 射 Ｌ 井 射 气 井射孔管柱安全性 的 ６ 措施 。 项 关 键 词 ： 石 油 射 孔 ； 深 井 ；射 孔 管 柱 ； 态 力 学 ；仿 真 ；有 限 元 分 析 ；安 全 性 超 动
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第３卷 ４
第 ５ 期
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２１ ０ ０年 １ Ｏ月
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文 章 编 号 ：０ ４１ ３ （ ０ ０ ０—４ ７０ １ ０ —３ ８ ２ １ ）５０ ８ —５
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