完井管柱的四种受力状态
第7章 完井管柱
第一节 完井管柱
对于开采高粘度、高含砂和含气量较大的原油时，同其它采 油方式相比 螺杆泵具有灵活可靠 抗磨蚀及容积效率高等特 油方式相比，螺杆泵具有灵活可靠、抗磨蚀及容积效率高等特 点。
液压驱动螺杆泵
调速方式
机械无级调速 固定转速 变频无级调速 连续抽油杆
螺杆泵
地面驱动 抽油杆传动 螺杆泵
抽油杆类型 普通抽油杆 空心抽油杆
18
地面控制部分 井下机组部分
变压器 控制屏 接线盒 泄油阀 单流阀 多级离心泵 分离器 保护器 潜油电机
电潜泵采油系统示意图
电潜泵供电流程：地面电源 变压器控制屏潜油电 缆潜油电机。 电潜泵抽油工作流程：分离 器多级离心泵单流阀 泄油阀井口 井 出油干线。 出油 线
潜油电缆 电力传 输部分
11
第一节 完井管柱
适 应 条 件
油层深度与排量范围大； 含蜡； 稠油； 井斜 井斜。
主要缺点：
(1) 机组结构复杂，加工精度要求高； (2) 地面流程大，投资高（规模效益）；
12
第一节 完井管柱
分类：
(1) 按系统井数分类
单井流程系统； 多井集中泵站系统； 大型集中泵站系统。
(2) 按动力液循环分类
24
第一节 完井管柱
主要优点
(1) 没有运动部件，结构紧凑，泵排量范围大; (2) ( ) 由于可利用动力液的热力及化学特性，适用于高凝油、稠油、高 于可利用动力液的热力及化学特性 用于高凝油 稠油 高 含蜡油井; (3) 对定向井、水平井和海上丛式井的举升有良好的适应性。
主要缺点
(1) 泵内存在严重的湍流和摩擦 泵内存在严重的湍流和摩擦，系统效率相对较低（一般为 系统效率相对较低（ 般为15％～ ％ 20 ％，最高不超过33％）； (2) 在一定条件下泵会出现气穴作用 在一定条件下泵会出现气穴作用。为避免气穴作用，要求吸入压力 为避免气穴作用 要求吸入压力 高； (3) ( ) 对回压的任意变化都很敏感 ； (4) 地面需要高压泵站，要使其长期稳定运转，技术上尚有较大困难。 25
石油工程管柱力学课程设计
石油工程管柱力学课程设计1. 管柱力学基础管柱力学是石油工程中不可或缺的一部分，它主要研究油井钻探和完井过程中涉及到的钻杆、液压缸、连接器、钻头等部件在承受外力作用时的应力、变形及破坏规律。
针对不同的井口工艺和操作要求，可以通过合理的管柱设计，来保障井口操作的顺利进行。
在管柱设计中，需要关注的主要参数有钢管壁厚、钢管外径、管长、管材质量等。
此外，还需对井底温度、井深、地层的物理力学性质等因素进行综合分析，以确保管柱的安全性与可靠性。
通常情况下，管柱的强度应该比作用力的强度要大，以保证管柱在工作时不会被破坏。
2. 管柱力学的综合应用在实际油田开发过程中，除了对单根管柱的分析研究之外，还需要考虑不同管柱连接方式之间的协调性和共同作用效果。
常见的管柱连接方式包括非扭转型（NC）与扭转型（TC）两种，其中扭转型联接更适用于坚硬的井下环境中。
另外，在深井钻探中，气阻效应也会对管柱的使用产生影响。
漏失控制也是需要关注的一个因素。
管柱在钻探过程中可能会出现事故，比如突发涌流和炸孔等，都会影响到工程的稳定进行。
因此，在管柱设计中，也需要考虑在控制漏失的前提下如何维持作业效率。
3. 钻杆选择与设计钻杆是立管钻井过程中的核心设备之一，它对钻井效率和作业质量的影响极大。
在钻杆的选择中，需要考虑地质条件、钻井设备的特点、工程目标等因素。
杆子的外形和长度、螺旋方向、杆组与组间的连接方式都是重要影响因素。
另外，钻杆的设计需要考虑其材料与热翘曲特性，以保证钻杆在挖掘过程中的稳定性和安全性。
钢管的选择也需要根据不同条件考虑，比如高强度钢、高温钢和非钢材等。
4. 工程实践在石油工程实践中，钻井作业中的管柱安全性与可靠性，是每个现场掘进工程师都需关注的重点问题。
从杆组的选择和设计到现场杆组的测量和监控，都需要严格遵守工艺标准，保证现场工作的顺利进行。
结合工程实际案例，设计出合理的管柱方案是至关重要的。
通过对工程数据的综合分析和应用管柱力学理论，可以更好地掌握现场钻掘过程中的动态变化，从而及时调整管柱设计和作业流程，保障钻掘作业的顺利进行。
完井管柱载荷和强度分析
：
Ｆ ｚ ＋Ｆ ｏ
（ ９ ） ２ 应 力 分来自析 ２ ． １ 轴 向应力分析。轴 向应力为
情况 ， 以便于项 目能够顺利进行 ， 可以建立进度情况表如表 １ 。
结束 语
开 发 与创 新 ， ２ ０ １ ０ ， ２ ３ （ ６ ） ： １ ７ ７ — １ ７ ８ ． ［ ２ 】 贾朱红 ， 张晓冬． 基于 Ｉ ２ Ｃ总线的单主 多从 单片机之 间的通信 ［ Ｊ ］ ． 经过 实践 ， 采 用 了新 的教学方 法之后 ， 改变 了学生 理论课被 动 单片机 开发 与应 用， ２ ０ ０ ９ ， ２ ５ （ ３ — ２ ） ： １ ０ １ — １ ０ ２ ．
计 井下施工 时， 必须对 管柱进行严格的强度 分析和载荷校正 。 关键词 ： 完井管柱 ； 强度 分析 ； 安全性
１ 载 荷 分 析
’
１ ． １ 稳定力 的计算 。关于稳定力 的定义为 ：
Ｆ ｏ＝ Ｐｏ
一
一
（ １ ０ ）
以
４
（ １ ）
式中 Ｐ 广 管柱 内部压力 ， Ｐ ａ ； Ｐ 管柱外部压力 ， Ｐ ａ ； 式中 Ｆ 一实际轴 向载荷 ， 包括真实载荷和附加轴向载荷 ， Ｎ； Ａ 『 ＿ 管柱外径横截面积 ， ｍ ； Ａ ｒ 管柱内径横截 面积 ， ｍ Ａ 一管柱横截面积 ， ｍｚ 。 １ ． ２真实轴力 的计算。真实轴力 Ｆ Ｚ 包括管柱活塞力 ， 温度变形 ， ２ ． ２周向应力 和径 向应力分析 。管柱的周 向和径 向应力的计算 ， 坐封力和流体摩阻引起 的轴 向载荷 。 通过拉美公式得 ：
学 习的状态 ， 提高了理论助 推实践 、 实践巩 固理论的效果 ； 改变了学 【 ３ 】 王 先彪 ． 单 片机 应用 系统设 计与 实现［ Ｍ 】 ． 北京 ： 清华 大学 出版社 ， ０ １ ４： ６ ６ ． 生验 证实验 的状态 ， 激发 了学 生的学习主动性 和热情 ； 改变 了学 校 ２ 教学 和企业需要联系松散的状态 ， 提升了知识 转化 为能 力的效率 。 ［ ４ ］ 史洁 ， 田云． 单 片机 原理及 应 用【 Ｍ】 ． 北京 ： 清华 大学出版社 ， ２ ０ １ ２ ：
完井管柱受力分析课件
根据B区的地质资料和生产数据，对完井管柱进行受力分析。分析方法与A区相同，考虑轴向力、径向力和弯曲力的 作用，并计算各力的数值。
优化设计
根据受力分析结果，对油田B区完井管柱进行优化设计。针对B区的地质条件和生产条件，选择适合的管 柱材料、直径和壁厚，以及合适的连接方式。同时考虑油井的后期维护和修井作业，对管柱设计进行细 致的优化。
背景介绍
油田A区完井管柱的受力情况是完井工程设计的重要依据，通过对管柱受力分析，可以优 化管柱设计，提高油井产能和延长油井寿命。
受力分析
油田A区完井管柱主要受到轴向力、径向力和弯曲力的作用。轴向力主要由井液压力和管 柱自重产生，径向力主要由井壁摩擦产生，弯曲力主要由管柱与井口装置的碰撞产生。通 过对这些力的计算和分析，可以确定管柱的稳定性、安全性和可靠性。
完井管柱通常由多根不同规格、材质 的管材组成，如油管、套管、尾管等 ，根据设计要求，通过螺纹连接或焊 接等方式组合而成。
完井管柱的作用
01
02
03
04
封闭井口，防止油气泄漏和地 面污染。
实现油气开采、油水分离，提 高采收率。
支撑井壁，保持井筒稳定。
承受地层压力和外部载荷，保 证安全生产。
完井管柱的组成
完井管柱受力分析课件
目录
• 完井管柱概述 • 完井管柱受力分析基础 • 完井管柱静态受力分析 • 完井管柱动态受力分析 • 完井管柱受力的数值模拟方法 • 完井管柱设计及优化 • 完井管柱受力分析实例
01
完井管柱概述
完井管柱的定义
完井管柱是指油田开发过程中，在钻 井工程完成后，用于封闭井口、实现 油气开采、油水分离等功能的管柱。
05
完井管柱受力的数值 模拟方法
水平井修井管柱与油层套管受力分析
得 以 再 次 恢 复 自 由直 度 ．抗 弯 曲时 作 用 在 油 层 套 管 表 面 上 的 正 压 力 水 平 井 钻 井 双 增 剖 面 的井 身 结 构 有 直 井 段 一 斜 段 一 斜 段 一 增 稳 增 ‘ △Ｎ’ 随之消失 修井管柱仅在重力作用 下 ． 与油层套 管底部稳定接 斜 段 一 平 井 段 组 成 水 触（ 如例 图一 ： Ｄ点所示 ）但是修井 管柱对油 层套管底部表 面的正压 ．
增剖 面 水平 井钻 井剖 面 ， 对修 井 过 程 中修 井 管 柱 与 油 层 套 管 的 受 力情 况进 行 简要 分析 。
【 关键词 】 双增剖 面地 震技 术； 变曲率单增剖 面； 圆弧单增剖 面
目前 。 胜利油 田水平井钻 井及完井 工艺技术 已经非常成熟 ． 国 是 内水 平井钻井完井 、 投产应用 规模最大 的油 田之一 ． 且为胜 利油 田新 区开发 、 老区挖潜 、 提高采收率 、 保持高产稳产做出 了重大贡献 。 但是 ， 水平井 修井 工艺技术 却严 重滞后 直井及一般斜井 中实施的分层分 在 采、 填砂 、 注灰及 防砂 等修井工 艺技术 ： 用的打捞 、 使 分层及 防砂 等修 井工 具 ．因水平井 的钻井轨迹 及水平段 内重力分散 等特殊性 质的影 响， 无法在水平井 内实施或使用 。尤其是 ： 由于水平 井的特殊钻 井轨 迹 ， 井 管 柱 在 进 行 起 下 、 捞解 卡 及 钻 、 、 等 施 工 时 ， 油 层 套 管 修 打 磨 铣 对 的磨 损 更 是 急 待解 决 技术 难 题 ． ．
曲 ． 在 重 力 及 油 层 套 管 的 斜 度 作 用 下 ． 贴 在 油 层 套 管 底 部 表 面 上 并 紧
完井管柱的四种受力状态
替 ➢ 常温液体进入井筒，管柱受温度效 液 应缩短；
坐 封
➢ ➢
由于低密度替高密度，受活塞效应 影坐响封后浮力消失，管柱重力
得到释放
放 ➢ 井温升高，受温度效应，产生轴向张力； 喷 ➢ 管柱内压力降低，反鼓胀效应，管柱产生
轴向张力 压 ➢ 常温液体进入油管至井底，温度效应管柱 裂 轴向拉伸；
➢ 高泵压产生鼓胀效应，管柱拉伸
完井管柱的受力状态分析
汇报人：宋明哲
2016.7.29
完井管柱四种受力状态
解封力多大？
为什么要用伸
Байду номын сангаас
压裂为什么补
缩管？
重力 套压？
温度效应
鼓胀效应
管柱受力 活塞效应 状态 螺旋弯曲
浮力 效应
油管怎么拉断 了？
套管长个子 了？
完井试油工序中管柱的受力变化
下 管
柱 ➢ 井底温度高，管柱受温度效应伸长
谢谢 请专家和领导批评指正！
钻柱工作状态及受力分析
钻柱工作状态及受力分析一、钻柱的工作状态在钻井过程中，钻柱主要是在起下钻和正常钻进这两种条件下工作。
在起下钻时，整个钻柱被悬挂起来，在自重力的作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。
实际上，井眼并非是完全竖直的，钻柱将随井眼倾斜和弯曲。
在正常钻进时，部分钻柱（主要是钻铤）的重力作为钻压施加在钻头上，使得上部钻柱受拉伸而下部钻柱受压缩。
在钻压小和直井条大钻压，则会出现钻柱的第一次弯曲或更多次弯曲（图1）。
目前，旋转钻井所用钻压一般都超过了常用钻铤的临界压力值，如果不采取措施，下部钻柱将不可避免地发生弯曲。
在转盘钻井中，整个钻柱处于不停旋转的状态，作用在钻柱上的力，除拉力和压力外，还有由于旋转产生的离心力。
离心力的作用有可能加剧下部钻柱的弯曲变形。
钻柱上部的受拉伸部分，由于离心力的作用也可能呈现弯曲状态。
在钻进过程中，通过钻柱将转盘扭矩传送给钻头。
在扭矩的作用下，钻柱不可能呈平面弯曲状态，而是呈空间螺旋形弯曲状态。
根据井下钻柱的实际磨损情况和工作情况来分析，钻柱在井眼内的旋转运动形式可能是自转，钻柱像一根柔性轴，围绕自身轴线旋转；也可能是公转，钻柱像一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁滑动；或者是公转与自转的结合及整个钻柱或部分钻柱做无规则的旋转摆动。
从理论上讲，如果钻柱的刚度在各个方向上是均匀一致的，那么钻柱是哪种运动形式取决于外界阻力（如钻井液阻力、井壁摩擦力等）的大小，但总以消耗能量最小的运动形式出现。
因此，一般认为弯曲钻柱旋转的主要形式是自转，但也可能产生公转或两种运动形式的结合，既有自转，也有公转。
在钻柱自转的情况下，离心力的总和等于零，对钻柱弯曲没有影响。
这样，钻柱弯曲就可以简化成不旋转钻柱弯曲的问题。
在井下动力钻井时，钻头破碎岩石的旋转扭矩来自井下动力钻具，其上部钻柱一般是不旋转的，故不存在离心力的作用。
另外，可用水力荷载给钻头加压，这就使得钻柱受力情况变得比较简单。
二、钻柱的受力分析钻柱在井下受到多种荷载（轴向拉力及压力、扭矩、弯曲力矩）作用，在不同的工作状态下，不同部位的钻柱的受力的情况是不同的。
高产气井完井管柱完整性控制技术及应用实例
内 蒙 古 石 油 化 工
高 产 气 井 完 井 管 柱 完整 性 控 制 技 术 及 应 用 实 例
邓 乐
（ｌ 钻 探 公 司 工 程 技 术 处 ， 川 ｉ庆 ｌ 四 ｔ成 都 ６Ｏ５） ５ Ｏ １
摘 要 ： 目前 的管 柱 力学较 系统的 分析 了完井 管柱轴 向屈 曲性能 、 向变形 、 轴 载荷 及 其强 度安 全性 ； 分 析 了完井 投 产 与长期 生 产过 程 中 完井 封 隔器 的 受力 、 密封 及定 位 情况 ； 分析 了特 殊 扣 气 密油 管接 头力
学 性能 ； 分析 了高产 气井 完井 管柱振 动 起 因及振 动规 律 。 以此 为基础 ， 即可分 析 完井 管柱 的 完 整性 ， 析 分
完 井工 艺、 管柱 组合 、 工 参数 对 管柱 强度 及 完 整性 的 影响 ， 施 据此 采取 相 应措 施 ， 到控 制并保 证 管柱 完 达 整性 的 目的 。举 例 介 绍 了该技 术应 用情况 。
首先 应根 据 完井 、 业 、 作 配产及 管 柱强 度要 求 选 择 合适 规 格 （ 径 、 厚 ） 直 壁 的管 材 ， 材 规 格 确 定 后 ， 管 还 要 选 择 合 适 的 管 柱 组 合 。如 ３ ／ （ 管 就 有 ９ １２ 油 ．
５５ ２ ｍｍ、 ． ４ ７ ３ ｍｍ、 ． ５ ６ ４ ｍｍ、 ． ９ ｍ 等 壁 厚 ， 择 ５ ４ｒ ａ 选 多大 的 壁厚 ， 各种 壁 厚下 多深 ， 综合 考虑 ， 算 。 需 计
配伍 性 ， 不会 产 生严 重 的腐 蚀与 冲蚀 ， 此 同时 要兼 与 顾 管 材 经济 性 。如 ＨＰ～１ Ｃ 钢 可 以防二 氧 化碳 与 ３ｒ
中心管 插 入 插 管 ， 绝 油管 内外 ， 加 压 坐 封 ， 封 隔 再 该
第四章 完井固井技术
2、外挤力
• 如果下到井中的套管内外部都有泥浆，而且泥 浆比重一致，此时套管内外液柱压力平衡，套 管不受外挤力。
• 诱导油流时需要把套管内的液体逐步淘空，这 样套管便要承受套管外液柱压力引起的外挤力。 当套管内液体全部淘空时，套管所受的外挤力 最大。
• 进行套管柱设计时，一般从安全着眼，按套管 内全淘空时套管所受的外挤力计算，这个外挤 力即为套管外泥浆的液柱压力。但也有人认为， 在水泥封固段，可按盐水柱压力计算套管的外 挤力。
• 同时，一口油井往往有许多油气层，各油 气层的性质是不同的，为防止各油气层相 互串通，实现分层开采，分层注水，分层 管理和分层改造，也必须下油层套管固井， 用水泥将各油气层封固和隔离开来。
• 表层套管尺寸最大，油层套管尺寸最小， 各套管层次之间应有足够的间隙，以保证 套管能顺利下入和有足够厚度的水泥环。
（5）水泥头
– 用于联接联顶节和注水泥管汇， 并装有胶塞，注水泥时，胶塞 用锁销锁住，注水泥后释放入 井。水泥头上还装有压力表， 观察注水泥及试压时的压力。
– 胶塞尾随水泥浆进入套管内， 靠其尾翼将粘附在套管内壁的 水泥浆刮掉，防止以后测井时 遇阻，当胶塞下行到浮箍处阻 流环位置时，关闭循环通道， 标志着水泥浆已到达环空预定 位置。
• 减少伤害主要取决于控制水泥浆滤失量、完井液 性能、液柱压差
3、油、气井开采要求
• 满足最小支持强度 • 提高热稳定性 • 增强抗腐蚀能力
• 天然气井注水泥应考虑加防气窜剂，以 防止窜槽
• 对特殊井况：低压、高压地层，有漏失 地层、盐岩层、高温地层，均应有针对 性措施
抗挤、抗崩强度的要求，并留有一定的安全余 量。根据套管柱在井内不同部位的受力情况和 工作条件，结合套管的强度规范和技术性能， 按照等强设计原理，以确定套管柱各个部位的 扣型、钢级和壁厚，使整个套管柱的设计达到 安全、经济和合理的目的。API套管设计不考 虑泥浆的浮力，以保证更加安全。
油气井杆管柱力学
三、管柱的屈曲研究及发展现状
1.垂直井眼中管柱屈曲
Lubinski 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。对抽油井中油管及抽油杆柱的螺旋弯曲进行了研究。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。1996 年, 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。
五、参考文献
[9] 于永南, 韩志勇, 路永明. 斜直井眼中钻柱侧向屈曲的研究[J]. 石油大学学报, 1997, 21(3): 65-67. [10] 于永南, 胡玉林, 韩志勇, 路永明. 井眼中钻柱稳定性分析的有限元法[J]. 石油大学 学报, 1998, 22(6): 74-78. [11] 李子丰. 油气井杆管柱力学及应用[M]. 北京: 石油工业出版社, 2008. [12] 高德利. 油气井管柱力学与工程[M]. 山东东营: 中国石油大学出版社, 2006. [13] 刘峰, 王鑫伟, 周宏. 斜直井眼中钻柱螺旋屈曲的非线性有限元分析[J]. 南京航空 航天大学学 报, 2004, 36(1): 62-66. [14] 刘健, 林铁军, 练章华等. 考虑残余应变的连续油管螺旋屈曲载荷新公式[J]. 石油 机械, 2008, 36(1): 25-29. [15] Chen Yuche, Yuhsu, Cheatham J B. Tubing and casing buckling in horizontal wells[J]. JPT, February 1990: 140-141, 191.
2003 年, 冷继先利用经典微分方程法对三维弯曲井眼中管柱屈曲进行了系统的分 析 。高德利利用经典微分方程法建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。刘峰等摒弃了等螺距、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。
常用井下工艺管柱的使用讲解
Q(iao)S(hi)配水器。
作业常用的控制类工具主要有配产器、配水器、堵
水器、开关、节流器、堵塞器、喷砂器、水力锚、
安全接头、油管锚、滑套、扶正器，活门等。这些
控制类工具与不同的封隔器组合成为生产措施、完
井的井下工艺管柱。
1常规采油管柱
常规采油管柱常规采油管柱一般分为单管封隔器分采，双管分类和油 套分采。我油田常用为单管封隔器分层采油。其它两种方式在油田不 常用，这里不作介绍了。
⑨控制工具识别
型号识别
K分类号
工具型式代号
尺寸特征或使用性能参数
工具名称
K—控制汉语拼音字头：kong 工具形式代号，由汉字用途或性能名称的汉语拼音
字头，如：偏心P(ian),X(in)
尺寸特征或使用参数，按最大外径150mm或114mm等。
工具名称，如配水器、开关等。
例如KQS-110配水器表示外径为110mm的桥式
•
注意事项：
管柱要有防砂卡功能
管柱选用井斜要控制在一定范为内
管柱要有二次丢手功能
管柱图如下： （一）封下采上（即可捞式桥塞）
图2.1
油层
油层
Y445大通径丢手封隔器
表1 分类代号
分类名称 自封式 分类代号 Z
压缩式 Y
扩张式 K
组合式
用各式的分类代号 组合表示
表2 固定方式代 号
固定方式名称 尾管支撑 单向卡瓦 悬挂 双向卡瓦 锚瓦
固定方式代号
1
2
3
4
5
表3 坐封方式代 号
坐封方式名称ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
提放 管柱
转动管 柱
自封
液压
下工具
热力
石油钻井卡钻事故管柱卡点计算方法
( 14)
当管柱受到上提力 p1Байду номын сангаас、p2 作用时 , 其伸长量 λ 1 、
( 2 q1 L1 + q 2 L 2) gL2 gq1 L1 p1 2 k2 2k 1 ( 2 q1 L1 + q 2 L 2) gL2 gq1 L1 p2 2 k2 2k 1
2
( 15)
16
油 气 井 测 试 2008 年 2 月
λ 2 =
p2 L qgL 2 k 2k
( 5) ( 6)
式中 , k1 为大管径管柱钢材的弹性系数与截面 积的乘积 。 下部小管径管柱积分单元的受力情况如图 2 所 示 。 根据虎克定律 , 积分单 元 d x 在合 力作用下的 伸长量为
力如图 1 所示 。 根据虎克定律 , d x 在受到合力 F 作 用下的伸长量 d λ 为 d λ= p - qgx dx k ( 1)
计算公式
1. 单一管柱卡点计算公式推导 单一管柱受到上提力 p 作用时 , 其深度 x 点以 下管柱受 2 个力作用 : ①上提力 p ; ② x 点以上管柱 在井液中的重力 。 若管柱在井液中单位长度的质量 为 q , 则深度 x 点的合力 F 为 F = pqgx , g 为重力加 速度 。 若 p =qgx , 则合力 F =0 , x =p qg , 即该深度点 为中和点 。 若 p <qgx , 则合 力 F <0 , 即 深度 x >p qg , 中和点以下管柱处于压缩状态 。 若 p >qgx , 则合 力 F >0 , 即深度 x <p qg , 中和点以上管柱处于拉伸 状态 。 式中 , k =EA , 为钢材的弹性系 数与截面积的乘积 ; dλ 为管柱在上提力作用下的理论伸长量 。 两边积 分得
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。
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
完井屈曲受力分析
完井屈曲受力分析完井管柱屈曲变形后，一方面弯曲管柱与井壁产生摩擦力，会减少井口释放的悬重。
另一方面管柱沿轴向产生位移，会导致产生封隔器的脱封。
文章通过建立静力方程分析管柱的受力，为井下作业设计提供帮助，避免上述井下作业事故的发生。
标签：完井；屈曲变形；受力分析引言在完井过程中，管柱下部承受的轴向力过大，管柱会发生正弦屈曲变形和螺旋屈曲变形。
完井管柱的螺旋屈曲会减少管柱的有效通过空间，有可能造成起、下作业工具或完井仪器时遇卡或落井。
1 几何关系管柱在竖直井中，弯曲如图1。
选取直角坐标系x，y，z，管柱的半径为r。
x沿井眼中心线向上为正。
图1 井下管柱坐标图（1）（2）2 静力平衡方程在管柱上任一点x处截取一微元段dr或dx，其上作用有内力矢F（x）和-F （x+dx），内力距矢M（x）和M（x+dx）及分布的外力f：f=-qi-Nsin？兹j+Ncos？兹k （3）其中，q为管柱单位长度重量（N/m），N为井壁作用与管柱上的法向支反力。
则微元体在上述内、外力共同作用下的静力平衡方程为■=F×■（4）■=rFxcos？兹■-Fy（5）3 物理方程完井管柱发生屈曲变形后，力矩My，Mz与变形y、z有如下关系：My=EI■=-EIr■ （6）Mz=-EI■=-EIr■（7）4 屈曲方程的导出及求解将物理方程代入平衡方程可得：Fy=rFxcos？兹■+EIr■ （8）Fz=rFxsin？兹■-EIr■ （9）将其代入可得：■=EIr2sin？兹■+cos？兹■■=-EIr2■■■积分得：Mx=Mx0+EIr2■■■-■■ （10）消去N并简化可以得到：■+■-6（■）2■+■■=0 （11）即为管柱的屈曲方程。
轴力Fx（x）可积分求出：Fx（x）=F0-qx （12）根据方程可以计算出正弦弯曲临界载荷Fcrs和螺旋弯曲临界载荷Fcrk：Fcrs=3.30qm（13）Fcrk=5.62qm （14）螺旋弯曲对应的变形为：（15）式中：m=■；E-管柱材料弹性模量；q-每米管柱在空气中的重量，N/m；Fe-管柱受到的等效轴向力，N；？啄-油套环空间隙，m；I-管柱横截面惯性矩。
完井管柱的四种受力状态
完井管柱的受力状态分析
汇报人：宋明哲
2016.7.29
完井管柱四种受力状态
解封力多大？
为什么要用伸缩管？
重力 温度效应 管柱受力状 态 活塞效应 浮力
压裂为什么补套压？
鼓胀效应
ห้องสมุดไป่ตู้螺旋弯曲效 应
油管怎么拉断了？
套管长个子了？
完井试油工序中管柱的受力变化
下 管 柱
井底温度高，管柱受温度效应伸长 常温液体进入井筒，管柱受温度效应缩短； 由于低密度替高密度，受活塞效应影响 坐封后浮力消失，管柱重力得到释放
替 液
坐 封 放 喷 压 裂
井温升高，受温度效应，产生轴向张力； 管柱内压力降低，反鼓胀效应，管柱产生轴向张力 常温液体进入油管至井底，温度效应管柱轴向拉伸； 高泵压产生鼓胀效应，管柱拉伸
谢谢 请专家和领导批评指正！
完井管柱受力与完井施工方案制订的因素分析
完井管柱受力与完井施工方案制订的因素分析董锐【摘要】Completion string will be affected inside the well by different external forces along with different working conditions .The external forces contain gravity effect ,piston effect ,spiral bend effect ,swelleffect ,temperature effect and friction effect .At the same time ,stress effect on completion string will change in line with changeable completiontypes .To establish a safe and sound completion scheme ,it is suggested to consider all kinds of effects , make a special effort to analyze working conditions of completion string and downhole tools and determine the key point to be calculated .%完井管柱在井内随着工况的不同会受到不同外力因素的影响，主要有重力效应、活塞效应、螺旋弯曲效应、膨胀效应和温度效应等，同时，完井管柱由于完井方式的不同其效应受力也会有所变化；因此，要制订安全合理的施工方案就要充分考虑各种效应的影响，着重分析完井管柱及井下相关工具的工作状态与环境，确定需要计算的关键点。
【期刊名称】《江汉石油职工大学学报》【年(卷),期】2016(029)002【总页数】3页(P58-60)【关键词】完井管柱;受力分析;施工方案【作者】董锐【作者单位】中石化江汉石油工程有限公司井下测试公司，湖北武汉 430040【正文语种】中文【中图分类】TE243完井生产管柱往往需要完成测试、酸压、采油等多种工况，其设计和施工参数的合理选择是制订施工方案的重要环节，而准确地对完井管柱进行受力分析则是制订安全合理的施工工艺方案、确定生产施工管柱结构的重要依据。