油气井杆管柱力学.共20页
油气井杆管柱力学.共22页文档
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
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。
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。
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。
油气井杆管柱力学
( 3) 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, 在今后的研究中有必要在理论、试验和现 场三者紧密结合下, 建立科学、系统的研究方法, 进行管柱屈曲行为研究。
( 4) 随着计算机技术、数值仿真技术、虚拟现实技术不断发展, 虚拟仿真 技术已经成为科学研究的重要手段, 正在得到越来越广泛的应用。大力开展 虚拟仿真技术研究能够再现管柱屈曲的实际工况, 大幅度降低科研成本。
1997 年, 于永南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。
2004 年, 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。
2008 年, 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。
三、管柱的屈曲研究及发展现状
3.水平井中管柱屈曲
1990 年, Yu-Che Chen 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。
井下作业典型管柱图精品PPT课件
斜进井深结构图
长庆油田
表层套管
水泥返高
油 井 返 高 至 洛 河 顶 界 以 上 50 米 ， 注 水 井 返高至地面。
生产套管
造斜点
139.7mm套管
215.9mm 钻 头
射孔段 人工井底 完钻井底
长庆油田公司
压裂工艺管柱图
套管
l油层
压裂油管 K344-114封隔器
lI油层
lII油层
K344-114封隔器 丝堵
l油层 lI油层 lII油层
套管 压裂油管 K344-114封隔器
K344-114封隔器 丝堵
长庆油田公司
油层I 油层II 油层III 油层IIII
滑套式、水力压裂管柱图
工作筒
K344-114封隔器 滑套式喷砂器
K344-114封隔器 滑套式喷砂器 K344-114封隔器
油层I
喷砂器（Ø42mm）
中华人民共和国重庆水泵 厂
投运 时间
出口
进口
泵体
防爆接线盒 电动机
联轴器护罩
加油口 泵头
接地线 底座
基础
长庆油田公司
缓冲罐结构图
主要参数
设备规 数
工工格 量容 作 作Fra bibliotek积压 温
力度
安
投
装 地
生产厂家
运 时
点
间
Φ2000 ×6824
×12
2
1
0 m
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0.6 MP a
50 ℃
长庆石油 勘探局油 田建设工 程公司金 属结构厂
注水层
注水层
注水层
注水层
注水层
注水层
DDQ0656偏心配水器
油气井杆管柱的静力稳定性
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第 １ 卷第 １ ４ 期
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年 ， ｕ Ｃ ｅ ｈｒ推导了正弦屈曲和螺旋屈 曲的临界屈 曲压力 的公式 ． Ｙ － ｈ ｅ Ｃ ｔ 并用实验进行 了 验证啪。 本文建立了斜直井中受压扭细长杆管柱几何非线性屈曲的擞分方 程， 建立了水平井
油气井杆柱力学
油气井杆管柱是石油钻采作业的脊梁和中枢神经。
油气井杆管柱力学主要研究钻柱力学、井眼轨道控制、套管设计、有杆泵抽油系统等内容。
对油气井杆管柱进行系统全面、准确的力学分析, 可以实现快速、准确、经济地控制油气井的井眼轨道；准确地校核各种杆管柱的强度, 优化杆管柱设计；优化油气井井眼轨道；及时、准确地诊断、发现和正确处理各类井下问题；优选钻采设备和工作参数。
燕山大学石油工程研究所教授、博士生导师李子丰等在国家“八五”重点科技攻关项目“石油水平井钻井成套技术”、国家“九五”重点科技攻关项目“侧钻水平井钻井采油配套技术”、“863”计划项目“旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究”和“海底大位移井钻井技术”、国家自然科学基金项目“防止热采井套管热破坏的固井新技术”等支持下，在建立油气井杆管柱力学理论体系研究方面取得多项重要创新性科学发现。
一、提出了油气井杆管柱动力学基本方程, 该方程统一了原有的油气井杆管柱力学分析领域的各种微分方程, 为油气井杆管柱的各种动静态力学分析奠定了基本理论基础应油气田开发的迫切需要, 科学界自20世纪50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”和“八五”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。
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。
李子丰教授通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析，推导了用于对油气井杆管柱进行各种力学分析的几何方程、运动平衡方程和本构方程。
由于油气井杆管柱动力学基本方程统一了现有一切油气井杆管柱力学分析的微分方程，现有的油气井杆管柱力学分析的微分方程都可由该动力学基本方程通过适当简化而得到，所以，该基本方程在石油钻采工程界具有广泛的应用。
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。
力学在油气井工程中的应用
145油气井工程是围绕油气井的设计、建设、测量、使用与维护而进行的工程。
在油井生产过程中，管柱是必不可少工具，包括钻柱、套管柱、测试管柱、生产管柱及连续油管、膨胀管等，其力学行为十分复杂，很难从一般的力学知识中直接找到答案，必须给出实际工程的约束条件进行专门研究。
所谓油气井管柱力学，就是建立管柱的力学模型，然后建立相应的数学模型，再施加约束条件求解相关参数，为后续的工程施工提供理论支撑。
1 研究方法油气井管柱力学的理论研究主要有微分方程法、纵横弯曲法、能量法和有限单元法。
具体步骤包括以下几点：分离、简化、力学模型、数学模型求解、计算、验证、得出结论。
分离，将待研究的系统与周围环境分离开单独研究它的受力情况。
简化，将管柱受到的多个力进行合成。
简化可以将复杂的物体抽象为简单的结构，简化时要根据要求解的对象保留主要影响因素，忽略次要影响因素，使后续的力学模型物理意义明确。
力学模型，将简化结果用力学模型明确表达出来，一般用示意图表示，外加文字解释。
数学模型，只有将力学模型转化成数学模型，才能用数学手段进行分析。
数学模型包含偏微分方程和外载约束条件。
求解，通过最有效的方法求解数学模型。
简单的数学模型可以通过解析解求出，而复杂的数学模型就需要通过数值分析方法来求出数值解。
2 油气井管柱摩阻和扭矩对于全井段二维定向井，解析解通常可以很好的适用。
但是对于三维定向井要考虑到它的井斜和方位的变化，很难求出解析解。
针对这个问题，可以用有限差分法对二维模型求数值解。
二维井模型：F ：油气井管柱受到的轴向力；N ：井壁受到的反力；µ：滑动摩擦系数；N ：接触面的法向力；对于三维定向井，将上面的公式用向前有限差分公式代替，可得从下往上的计算公式：经过有限差分处理以后，油气井管柱摩阻计算模型变成为袋鼠方程式，有利于编程计算，只要做适度调整满足误差即可。
3 下部钻具组合动静态分析3.1 BHA静力学防斜原理目前，国内外常用的是钟摆钻具组合和满眼钻具组合。
液压的环境下的油井管柱力学 共79页
• 任何情况下，虚（应）力都很容易计算； • 有的情况下，无法使用浮力系数法，有效轴向力计算较为困难。
例如，抗内压、抗外挤强度试验的管柱。
• 有的情况下，无法使用压力面积法，真实轴向力计算很困难。例 如，定向井条件下的管柱。
二、复杂液压环境下浮力系数计算式
• 最简单的液压环境：
– 管内外液体重率相等。
• 液柱压力的特点； • 三向等值压应力对钢质管柱的形
状变形和强度破坏不起作用；
一、两种轴向力之间的关系式
• 管柱断面轴向上的虚力：
– 虚力的计算公式：
FxAopoAipi
• Ai ,Ao——断面的内、外圆面积； • Pi ,po——断面内、外的液压力；
– 虚应力计算公式：
x
Aopo
Aipi
• Mises应力的有效应力表达式：
m e23(n2m 2)
两套公式相比: 1、轴向力不同； 2、多了压差剪应力。
三、Mises应力的有效应力表达式
• Mises应力的有效应力表达式：
m e23(n2m 2)
– 钻柱强度计算时，最危险工况是起下钻，此时扭应力 等于零，Mises应力表达式为：
m 1 22 23 2121323s
三、Mises应力的有效应力表达式
• 传统的Mises应力表达式：
– Mises应力，即第四强度理论的等效应力（合 成应力、相当应力），使用真实应力表达：
m 1 22 23 2122313
– 60多年来许多问题争论不休，根本原因就是没有区 分和搞懂两种轴向力。例如中性点。
– 要讲两种轴向力之间的关系，还要讲一个力——虚 力。
论克拉玛依油田科学使用管柱力学
论克拉玛依油田科学使用管柱力学摘要：然而作业管柱在井下的受力情况十分复杂，影响因素多，工作条件恶劣，因此，为保证井下作业施工的安全顺利进行，对井下作业管柱的受力变形分析和强度评定显得十分重要，它为管柱设计和安全施工提供可靠的理论依据。
关键词：管柱受力直梁材料钻井一、管柱受力基本情况介绍管柱受力在以往的设计井下作业管柱时，仅仅是凭借实践经验和主观判断，因而缺少科学的理论计算依据。
实际的井眼轴线并不是理想的直线，而是一条任意率的空问螺旋线，特别是在定向井和水平井中尤为突出，致使管柱和井壁产生接触。
因管柱外表面和井壁(套管内壁)之间有一定的初始间隙，因此井下管柱和井壁的接触问题是一种随机接触的非线性力学问题，其计算方法具有一定难度和复杂性，用一般的材料力学和结构力学力法是不能解决这类问题的，因此开展了试油测试射孔管柱受力及强度分析研究。
二、管柱受力分析的理论1.理论模型的建立1.1模型的建立根据井眼轴线形态和管柱组合结构，先用一般有限元法把管柱沿轴线离散为若干个空间直梁单元，然后在管柱的每个直梁单元的节点处设置一个间隙元。
总体坐标系是固定在井口上的笛卡尔坐标系，在管柱力学分析时，选取整体管柱串作为研究对象。
管柱串的外载荷也比较复杂，除管柱自重外，还有管柱内外表面分布的液体压力。
管柱外压力不仅引起管柱环向压缩变形，而且引起管柱的轴向伸长变形。
管柱内压力不仅引起管柱环向鼓胀变形，而目引起管柱轴向缩短变形。
另外，射孔弹的爆炸压力施加的外压力都比较大，将使管柱产生较大的轴向内力和变形。
1.2边界条件管柱下两端和圆形井壁，对管柱构成一定的约束作用。
这种约束作用可以用边界条件来描述：井壁作为管柱变形的自由移动边界部分，将由空问静力多向接触摩擦间隙元转化为接触摩擦边界条件，接触摩擦状态将由整个管柱的受力变形和平衡状态来确定，接触点处仃接触反力和摩擦力作用。
管柱下端简化成自由端，液体压力在管柱下端将产：生活塞力作用。
完井管柱力学分析及工程应用
N = F + q sin cos ∀ 4 EI != A sin 2 z p s ps = 2 ∀= 2 z p h F= 2 EIq sin EI ( 3 2) A + 1 2 q sin 1 - A 8 ph = 32 A + 1
2 2
2
8
2
EI F
2
1- A 8
( 7)
F sr = 1. 875F s Fh = 2 2Fs 其中 m= EI q 式中 : E % % % 管材弹性模量; I % % % 管柱横截面惯性矩 ;
z
m min, 井口压力预计达到 100 MPa, 而环空又不能 打足够的平衡压力。因 244. 475 mm 油层套管下入 后历经 329 d 钻井、 38 d 完井试油, 并经过一次酸压 裂施工 , 磨损较为严重。 根据原管柱设计, 酸压管柱最大缩短变形超过 4 m, 最小安全系数只有 1. 3, 达不到 1. 4 的安全储备 系数下限。为了考察环 空加压和提高 压井液密度 ( 都可以提高 RTTS 封隔器的工作压差) 对管柱变形 和强度的影响, 又补充计算了( 1. 3 压井液 )、 ( 1. 3 压 井液 + 环空加 10 MPa ) 和( 1. 5 压井液) 三种不同控 制方式下管柱的变形和应力, 供生产决策参考。计 算对比结果如表 1 所示。
表1 高压酸化井管柱力学计算结果对比
1. 3 压井液 无流量 - 0. 36 1. 84 - 4. 47 - 0. 59 - 3. 58 902 574 1. 3 流动 - 2. 04 2. 38 - 4. 47 - 0. 58 - 4. 71 1064 569 1. 3 1. 3 压井液+ 10MPa 环空加压 未流量 - 0. 36 1. 31 - 3. 83 - 0. 51 - 3. 39 858 519 1. 4 流动 - 2. 04 1. 86 - 3. 83 - 0. 28 - 4. 29 999 514 1. 4 1. 5 压井液 未流量 - 0. 36 1. 58 - 3. 89 - 0. 48 - 3. 15 926 564 1. 3 流动 - 2. 04 2. 13 - 3. 89 - 0. 27 - 4. 07 990 533 1. 4