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)2

d 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。

1.2修井管柱力学分析

1.2.1修井管柱工况分析

1）修井作业管柱受力类型 （1）上提或下放作业。

上提下放过程中，管柱可能受到的力有：套管压力、油管压力、大钩拉力、重力、浮力、接触反力、摩擦力、抽吸作用力、惯性力。

（2）打捞作业。

打捞作业过程中，管柱除了考虑上提下放过程受力外，还要考虑鱼头作用力，鱼头作用力如果太大，需要增力器解卡或倒扣处理。

（3）解卡或倒扣作业。

解卡或倒扣作业管柱的受力：套管压力、油管压力、大钩拉力、重力、浮力、接触反力。对于井下液压驱动的解卡和倒扣作业，解卡力或倒扣力的反作用由井下动力上的锚定装置承担，需要考虑井下动力锚定装置的作用力。

（3）磨铣或切割作业。

磨铣或切割作业管柱的受力：套管压力、油管压力、大钩拉力、重力、浮力、接触反力。对于螺杆驱动的磨铣或切割作业，需要考虑液压的末端作用力、钻压反力和鱼头的反扭矩作用。

（4）泵注或循环作业。

泵注或循环作业管柱的受力：套管压力、油管压力、大钩拉力、重力、浮力、接触反力、流动阻力、末端作用力、变径效应力、胀径效应力，等等。

另外，对于两端固定的管柱，作业前后如果温度变化比较大，还需考虑温度对管柱应力的影响，即温度效应力。

2）修井管柱的力学计算

根据水平井修井作业的主要工序，作用在修井管柱上的基本载荷形式主要有：外压（套管压力）、内压（油管压力）、大钩拉力、鱼头或水力锚作用力、重力、浮力、扭矩、接触反力、摩擦力、惯性力、流动阻力、抽吸作用力、温度效应力，等等。

另外，还有由内压和外压派生出来的作用力：末端作用力、变径效应力、胀径效应力，和由轴向力和接触反力派生出来的作用力：弯曲效应力、屈曲效应力。

对于惯性力和抽吸作用力，在操作要求中强调平缓作业，严禁猛提猛刹，可以不考虑惯性力和抽吸作用力；如果温度变化不明显，也可以忽略温度效应力。

修井管柱承受的主要外部载荷形式如图。末端效应力包括封隔器的活塞力、油管端面的液压力等；末端作用力包括鱼头作用力、修井工具作用力等。

图9 修井管柱受力主要类型

1.2.2轴向力计算

1）外压 2）内压

3）油管重力

长为L ∆的油管重力为：

L g W t ∆ρ= （1-1-4）

当存在井斜时，重力的轴向分力为：

θ∆ρ=cos L g W t z （1-1-5）

式中：

W —油管重力，N ；

L ∆—油管长度，m ；

t ρ—油管线密度，kg/m ；

θ—井斜角，o ； t W —油管重力分力，N 。 4）油管浮力 油管浮力为：

guan bhy f G G ρρ/⨯= （1-1-23）

式中：

f G —油管浮力，N ；

G —油管重力，N ；

guan

ρ—管材密度，kg/m ；

bhy ρ—保护液密度，kg/m 。

5）流动阻力

沿管壁流动的流体受到摩擦阻力的作用，该力的反作用力将引起油管轴向力和轴向变形。其计算方法由水力学中的达西阻力公式进行计算。

油管受到的摩擦力为：

8

2L

D u F ti f ∆⋅⋅⋅⋅⋅=

ρλπ （1-1-6）

式中：

f F — 摩阻力，N ； λ— 摩阻系数； ρ— 气体密度，kg/m 3；

u — 气体流速，m/s ； ti D — 油管内径，m ；

L ∆— 油管段长度，m 。

其中摩阻系数的计算由Jain 公式直接计算得出

2

9.0Re 25.21lg 214.11

⎪⎪⎭⎫

⎝

⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=

ti D e λ （1-1-7）

式中：g

ti

D u μρ⋅⋅=

Re ，g μ— 气体粘度，Pa •s 。 6）弯曲产生的附加应力

7）变径效应力

油管内、外压力作用在管柱直径变化处和油管端面上引起的轴向力。如果封隔器没有被锚定，则封隔器前后的压力也会产生轴向力，是变径效应力的一种（如图1-1-8）。