油气井杆管柱的静力稳定性
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。
抽油杆柱轴向受力分析
单级抽油杆柱轴向力的组成当游梁机工作时，任意井深处抽油杆柱的轴向力均由以下几项组成： 1)抽油杆柱自重，作用方向垂直向下；2)油井液体对抽油杆柱的液体浮力，作用方向垂直于抽油杆柱轴线向上； 3)油管内液柱在抽油泵柱塞有效面积(即柱塞截面积减去抽油杆截面积)上所产生的液体力，即油柱重，其方向垂直于柱塞表面向下；4)油管外液柱对柱塞下表面的浮力，其大小取决于泵的沉没度，方向垂直于柱塞表面向上；5)抽油杆柱于液柱运动所产生的惯性力。
惯性力正比于悬点运动的加速度，方向与加速度方向相反；6)抽油杆柱与液柱运动产生的振动力，其大小和方向都是变化的；7)各运动副之间的摩擦力，包括：泵筒与柱塞之间、抽油杆柱与油管之间的半干摩擦力、抽油杆柱与油柱之间、油柱与油管之间以及液体流过抽油泵游动阀时的液体摩擦力，它们均与抽油杆的运动方向相反。
上述(1)、(2)、(3)、(4)四项与抽油杆柱的运动无关，称为静载荷；(5)、(6)、(7)三项力与抽油杆柱的运动有关，称为动载荷。
1.单级抽油杆柱轴向力的计算方法下面将列出上述各力的计算公式，其公式中的各符号意义参考见本章后面的说明。
1)半干摩擦力14094.0-=δpM D P (2－1)2)液体通过泵阀时的水力阻力对柱塞底部所形成的向上的推力 先计算液体的雷诺数cp l e u d D s n .R 06352⨯⨯⨯=ρ (2－2)流量系数28.0=u (当4103⨯≤e R 时)n s d D u d u p l c ⨯⨯⨯⨯⨯=2020191ρ(当4103⨯>e R 时)下冲程液体通过游动阀时的水力阻力产生的向上推力L pp kld )n s (A)A A (A u n .P ρ⋅⋅⋅+⋅=2232172951 (2－3)上冲程液体通过游动阀时的水力阻力产生的向上推力L p lu v A A u P ρ⋅⋅⋅=220221 (2－4)3)作用于抽油杆柱底部液体向上的浮力gH A P L r f ⋅⋅⋅=ρ (2－5)4)液柱与抽油杆柱之间的摩擦力抽油杆柱与液柱之间的摩擦力主要与杆柱的运行速度以及油液本身的物性有关，其最大值可由下面的近似公式来确定：max p c lr v )m (m ln )m (m L u P ⋅--+-⋅⋅=1112222π (2－6)上述lr P 的计算中并未考虑抽油杆接箍的附加阻力，通常采用实验资料确定附加阻力。
复杂油气井管柱优化设计与安全评价系列标准及应用
复杂油气井管柱优化设计与安全评价系列标准及应用1. 全井深度评价标准：评估复杂油气井井深对管柱设计的影响。
考虑井深对钻井液体积、压力和温度的影响，通过确定相应的安全措施和设计参数来保证井深范围内的管柱运行安全。
2. 孔隙压力评价标准：评估复杂油气井的孔隙压力分布以及泥浆失控的可能性。
考虑地层压力变化、井眼稳定性和泥浆重力平衡等因素，确定相应的管柱设计参数，确保管柱能够承受孔隙压力的变化并预防泥浆失控。
3. 井眼稳定性评价标准：评估复杂油气井井眼的稳定性，包括井眼塌陷、井眼热裂纹等问题。
通过考虑地层力学特性、井眼完整性要求等因素，确定相应的管柱设计参数和井眼稳定性评估标准。
4. 钻井液体积评价标准：评估复杂油气井的钻井液体积对管柱设计和运行的影响。
考虑井眼液体积要求、钻井液性质、容积效应等因素，确定相应的液体积计算方法和管柱设计参数。
5. 压力梯度评价标准：评估复杂油气井井筒压力梯度对管柱设计和运行的影响。
考虑地层压力梯度变化、气体积效应、液体密度等因素，确定相应的管柱设计参数和压力梯度评估标准。
6. 温度评价标准：评估复杂油气井井筒温度对管柱设计和运行的影响。
考虑地层温度变化、井筒散热条件、液体密度变化等因素，确定相应的管柱设计参数和温度评估标准。
7. 拉伸和压缩强度评价标准：评估复杂油气井管柱的拉伸和压缩强度，确保管柱在垂直和水平方向上能够承受正常负荷。
通过考虑材料强度、管柱几何形状、运输和安装过程中的负荷等因素，确定相应的拉伸和压缩强度评价标准。
8. 扭转和弯曲强度评价标准：评估复杂油气井管柱的扭转和弯曲强度，确保管柱能够承受旋转和弯曲负荷。
通过考虑材料强度、管柱几何形状、钻井过程中的旋转和弯曲力等因素，确定相应的扭转和弯曲强度评价标准。
9. 井眼润滑评价标准：评估复杂油气井管柱与井眼之间的润滑状态，确保管柱在运营过程中能够顺利通过井眼。
通过考虑井眼形状、润滑剂选择、井眼润滑要求等因素，确定相应的井眼润滑评价标准。
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。
油气管道施工质量稳定性研究
2017年04月油气管道施工质量稳定性研究王玉梅(四川石油天然气建设工程有限责任公司成都分公司,四川成都610213)摘要：管道输送已经成为油气资源输送的一种主要方式。
在油气管道施工过程中，由于施工周期比较长，施工地形复杂多变，工作量和施工难度较大。
为了保证油气管道的施工质量，需要做好质量控制工作。
本文首先对隧道油气管道的施工特点进行了分析，然后对施工质量控制措施进行了分析和探讨，保证了工程施工质量。
关键词：山体隧道；油气管道；施工质量；稳定性油气资源是现代化社会中重要的一种能源，在工业生产和日常生活中都有对油气资源的利用。
在新的时代背景下，随着我国经济的不断发展，对油气资源的需求也日益增加。
为了解决油气供需矛盾，油气输送管道工程的建设规模和建设数量了日益增加，油气输送管道成为了一项重要的建设内容。
山体隧道油气管道施工作为工程施工的重点，对整个工程的质量都会产生比较大的影响，需要科学的选择质量管理措施，保证施工进度和施工质量。
1山体隧道油气输送管道的施工特点油气输送管道具有输送压力高、运输距离长等特点，施工复杂性和特殊性比高。
在施工过程中，由于隧道内部作业面小、湿度高，施工条件恶劣，机具、设备、人员等比较集中，容易引发安全事故，施工质量控制难度大。
而且油气管道在穿越山体隧道是时，会对隧道四周的环境造成比较大的影响，容易出现落石、塌方、崩塌等情况，施工危险性比较高。
另外，如果在进行山体隧道油气管道施工过程中出现质量问题，会出现油气泄露的情况，造成比较大的经济损失，引发安全事故。
所以在油气管道施工过程中，需要做好质量控制工作。
2隧道穿越施工准备工作2.1做好输油管道的除锈和堆放在进行油气输送管道的建设之前，对隧道的具体情况进行实际的具体调查，将施工环境调整到最佳状态，确保隧道内的环境适合防腐管的运输，要在隧道附近安排一块空地进行防腐管的临时堆放，在这块堆放防腐管的地方根据设计方案对防腐管进行编号，在一切的准备工作做好之后就可以进行布管了，在隧道内进行油气管道铺设的一大限制就是空间不足，因此要在防腐管的管口进行刷漆，在防腐管的接口处要进行除锈剂的喷洒，在进行随带内的油气输送管道的铺设工作时一定要注意施工安全[1]。
管道的稳定性应力分析及解决方案
管道的稳定性应力分析及解决方案一、失稳的定义失稳定义：轴向受压的细长直杆当压力过大时，可能会突然变弯，失去原来直线形式的平衡状态，而丧失继续承载的能力，称这种现象为丧失稳定，即失稳。
针对管道，下面发生的问题均为管道整体失稳：1、架空管道（左右摆龙）：2、埋地管道（顶起，顶出地面，河面，起褶皱）架空或埋地管道发生失稳的原因是管道热胀被两侧锚固，或连续土壤约束给限制住了，导致管道形成挤压作用，如果温差大，挤压力大，架空管道缺少导向架，或埋地管道埋深覆土过浅，就会让管道抵抗挤压能力变弱，容易发生上述失稳。
解决方法：解决上述管道失稳有两个办法，一个是采用补偿设计增大管道柔性，降低轴力；另外一个就是增加导向架密度和埋深，增大管道抗挤压能力。
局部失稳的概念局部失稳指在钢结构中，受压、受弯、受剪或在复杂应力下的板件由于宽厚比过大，板件发生屈曲的现象。
管道局部失稳主要是针对大口径薄壁管道，轴向挤压严重，发生局部褶皱，也有外压影响，管道环向发生失稳，产生压瘪现象：热力直埋管道在轴向挤压作用下发生褶皱（中国热力俗称“起包”），是因为管道被约束住（两端固定，或处在埋地锚固段），热胀产生的轴力挤压管道，管道径厚比r/t过大，壁厚薄，抗挤压能力弱，就容易发生上面局部失稳情况。
解决的方法是增大管道柔性降低轴力或加大壁厚增加抗挤压能力。
针对环向外压压瘪失稳，最好的办法就是在管道外壁增设补强圈，抵抗外压作用，避免发生外压失稳。
还有一种局部失稳，就是管道在轴力推挤和弯曲应力共同作用下，一侧产生褶皱：这种一侧发生管道褶皱，往往都是发生在折角弯管或弯管附近直管上面，直线管道热胀推压弯管，弯管发生弯曲变形，由于直管推压导致大弯曲应力作用，弧段发生失稳，就会进入塑性变形，产生一侧褶皱变形。
这个折角弧段失稳，不同于引发管疲劳破坏的二次应力。
首先，它是重量+温度+压力等全部载荷共同作用下，导致折角弧段或直段发生失稳破坏。
失稳控制是第一位的，这个满足后，我们才会检查弯头，折角和三通的疲劳二次应力。
辽河油田水平井测试管柱相关
， Q(x ) = φ K
（ K = 0,1,2, , N ）；在 [a, b] 上 S (x )和Q(x ) 具有连续的 二阶导数。 根据三次样条函数的性质，容易推导出三次井 斜样条函数和三次方位样条函的表达式如下：
S (x ) =
3 3 M K −1 ( xk − x ) M ( x − xK −1 ) α K M K LK + K + L − 6 6 LK 6 LK K
1 2 q − µks F = F 0 + ( − 1) sin φ − 2 µ cos φ e 2 0 0 µ 1+ µ k k q 1 2 ( 1 ) sin 2 µ cos( k s ) − − − + φ0 φ0 2 µ 1+ µ k
合的扶正特性，定向井井眼轨迹是一条连续变化的 “光滑”曲线，因而井斜角和方位角的变化也是连 续的，即不会在通常的测距范围内出现“拐点”， 本文用三次样条插值计算水平井进眼轨迹，从而得 出水平井任意点处的井斜角和方位角。 给定水平井某井段[ a ，b]上的井斜数据：井 深： a = x0 < x1 < x 2 <,, < x N = b ； 井 斜 角 ： α 0 , α 1 , α 2 ,, α N ； 方 位 角 ：
1 概述
杆管柱是油气钻采工程中最重要的下井工具。 油气井杆管柱在充满流体的狭长井筒内工作，在各 种力的作用下，处于十分复杂的受力、变形和运动 状态。国内外学者对定向井、水平井、大位移井的 管柱受力及变形问题进行了大量的研究，建立了对 应的力学模型。但这些模型主要集中在定向井和水 平井钻柱受力分析，预测井底钻压和优化井眼轨迹 和钻柱的优化设计，没有专门针对测试管柱的模 型，也没有用于大位移井测试管柱力学分析的软 件，大位移井测试管柱的力学分析手段主要还是手 工计算，由于其计算复杂、工作量大，工程实践中 主要是根据直井的受力情况进行估算。本文对水平 井井眼数据进行了插值计算，求出了全角变化率， 并在此基础上研究了水平井测试管柱的受力情况， 求出了管柱在不同井段的摩擦阻力，并在此基础上 求出了管柱上提、下放过程的大钩载荷，这是做好 水平井开发和小修施工作业的基础。
教学媒体2-屈曲分析 油气井管柱力学
临界载荷
Pcr 1.94 ~ 2.65 3 EIq2
平 面 屈 曲
实验装置示意图
轴向加载装置
测距仪(LVDT)
模拟井筒
模拟钻柱 顶杆
垂直井中管柱的屈曲问题
平面屈曲临界力实验验证
理论值 Fcr 2.553 EIwe2 7.31034(N )
实验值 相对误差
保持隔水管不弯曲对应的轴向力
关于管柱屈曲的深入分析
接头影响
屈曲临界力（千牛）
a)
Fhel
Fcr1
b)
Fcr2
Fcr
接头外径(毫米)
螺旋屈曲临界力（牛顿）
关于管柱屈曲的深入分析
螺旋屈曲临界力理论值与实验数据
Wu 模型 Chen模型 Salies模型
实验数据点 井径(毫米)
关于管柱屈曲的深入分析
侧向接触力模型曲线和实验数据点
800
1600 2400 3200
Axial depth (m)
4000
关于管柱屈曲的深入分析
140
Axial Load (kN)
120
T=50℃
T=40℃
100
T=30℃
T=20℃
80
T=10℃
T=0℃
60
40
20
0 1200
1700
2200
2700
3200
Well Depth (m)
3700
4200
侧向接触力（牛顿）
Sadiq 实验数据点
Dawson 模型
Mitchell 模型
轴向压力(牛顿)
思考题：
两封隔器之间的完井管柱发生螺旋屈曲的条件。
国内连续油管技术应用与研究现状
国内连续油管技术应用与研究现状摘要：本文探讨了国内连续油管技术现状，此外，国内还涉足了针对CT本身的部分研究工作，如江汉机械研究所开展了“CT椭圆度恒磁检测技术及装嚣研究”和“CT缺陷综合检测传感器的磁路设计” 单元技术的研究，地面设备将继续体现作业用途、工况和道路条件的差异性与特殊性，突显其个性化。
控制系统将朝着数字化和智能化方向发展，设备性能将进一步提高。
关键词：连续油管现状建议研究国内开展连续油管技术与装备的研究与开发始于20世纪90年代初，主要由中国石油集团科学技术研究院江汉机械研究所承担。
该所从充分调研和学习消化国外相关先进技术入手，先后开展了如下工作.一、国内连续油管技术现状我国引进和利用连续油管作业技术始于20世纪70年代。
1977年，我国引进了第一台Bowen Oil Tools（波恩工具公司）的产品。
四川油田首先利用引进的连续油管设备进行气井小型酸化、注氮排残酸、气举降液、冲砂、清蜡等一些简单作业。
大庆油田自1985年引进Hydra-Rig公司的连续油管设备以来，共在100多口井中进行了修井等多种井下作业。
吐哈油田自1994年引进连续油管设备以来，每年的作业量不断增加。
油管技术在我国油田已经得到认可。
目前，国内共有引进连续油管作业机28台，主要分布陆地上（自走车装或大拖车装式）有大庆、胜利、中原、河南、大港、辽河、华北、四川、吉林、吐哈、塔里木等油田。
海洋上（橇装式）也有少数几台。
1）广泛收集国外连续油管技术与装备的技术状况和应用情况，重点调研有关作业工艺技术，翻译、编辑和出版了《连续油管作业技术文集》一书；2）针对塔里木油田早期引进的连续油管作业装备，学习消化该设备的使用、操作与维护，并翻译、编辑和出版了《连续油管作业机操作与维护》一书；3）针对连续油管侧钻工艺技术，承担并完成了中国石油天然气集团公司科研项目“连续油管侧钻技术调研报告”的撰写工作；4）对管径为32mm的连续油管作业机进行了总体设计和主要部件的详细设计；5）1997～1998年，与塔里木油田合作，在对引进的连续油管作业井下配套工具进行学习和消化的基础上，研制了适应于Φ31.75 mm和Φ38.1 mm CTU使用的液压断开接头、双向震击器、加速器、旋转冲洗工具、拉拨工具等近l6种，已在新疆油田进行现场试验与使用；6）目前，正在针对长庆油田低压低产小水量排水采气工艺，开展“XPC Q—36小直径连续管排水采气装置的研制”；针对辽河油田对水平井进行修井作业的工艺需求，开展“连续管技术在水平井作业中的应用技术研究”。
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。
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。
浅析石油钻井任意井眼的井壁稳定性
浅析石油钻井任意井眼的井壁稳定性发布时间：2022-12-06T08:14:47.895Z 来源：《科学与技术》2022年第15期第8月作者：应磊[导读] 石油资源为我国社会建设和经济发展提供了可靠的能源支持应磊胜利石油工程有限公司黄河钻井总公司山东东营 257000摘要：石油资源为我国社会建设和经济发展提供了可靠的能源支持，随着石油资源应用领域的不断增多，石油资源出现了严重短缺的情况。
在这种情况下，就需要加强对石油资源的开采，而石油钻井技术的持续发展有效地提升了石油资源开采的效率，特别是加强石油钻井不同井眼井壁稳定性技术的不断发展、提高，对于石油钻井技术整体水平的良性发展有着重要的影响，同时也关系到石油钻井施工井下安全和生产时效的提升。
关键词：石油钻井；任意井眼；井壁；稳定性随着我国工业化进程的不断加快，对石油资源的需要量不断的增多，石油钻井施工受到了更多的重视，石油钻井施工会受到地质环形、岩性变化、特殊地层等多种因素的影响，钻井施工的难度不断加大，不利于石油钻井工程项目整体施工质量的提升。
基于此，应进一步对石油钻井任意井壁的稳定性进行深入的研究，对现有的钻井施工技术进行合理的升级和优化，从而提升石油钻井技术水平，为石油钻井安全和提速提效提供可靠的技术保障。
一、完善石油钻井任意井眼井壁稳定性的要点分析（一）根据钻井顺序，严格执行钻井技术操作要点对于石油钻井工程来说，在钻井施工开展前应制定统一的钻井规划，确保全国各个区域石油钻井工作的顺利有效开展，特别是需要对石油钻井工作实施的顺序进行统一规定。
石油钻井施工人员应对钻井结构的调整和石油整体布局情况进行详细的掌握，并制定完善的施工方案，对石油钻井各项工作的高效开展提供有效的监督和指导。
同时还需要对石油钻井工作进行科学合理的部署，对石油钻井施工技术人员的专业能力和操作水平等进行详细的规范，从根本上提升石油钻井不同井眼井壁的稳定性。
另外，石油企业应对突出重点石油密集区域进行科学的选择，对石油钻井布局实施合理的调控和指导，深入发掘全国范围内具有潜力的石油资源，利用专业的石油钻井施工技术，提升石油资源开采的质量和效率。
坚持唯物主义时空质能观
科技日报/2008年/12月/2日/第010版节能减排坚持唯物主义时空质能观——访燕山大学石油工程研究所教授、博士生导师李子丰刘伟王玉华燕山大学石油工程研究所教授、博士生导师李子丰，长期坚持在石油工程学科的研究和教学第一线，甘为石油工程学科奉献一生。
他热爱祖国、热爱教育事业、热爱科学。
李子丰教授从事的是石油与天然气钻采工程中基础理论和应用基础理论研究。
油气井杆管柱是石油工程的脊梁和中枢神经。
油气井杆管柱力学是石油与天然气工程学科的核心基础理论之一。
自1985年以来，李子丰教授集中精力从事油气井杆管柱力学的理论与应用，在“八五”“九五”国家重点科技攻关项目和“863”高科技发展规划为主的科研项目支持下，建立了油气井杆管柱力学理论体系，取得了创新性成果；同时，对哲学和物理学的一些基本理论问题进行了探讨，并在燕山大学建立了石油工程本科专业和石油与天然气工程学科硕士点。
一成功总是为有准备人提供机会。
李子丰教授结合石油工程科学和技术发展的需要，开展国家“八五”重点科技攻关项目研究，率先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，为油气井杆管柱各种动静态力学分析奠定了基本理论基础，从而实现应用方便，理论精确的效果；油气井杆管柱的拉力和扭矩方面，建立了定向井、水平井杆管柱稳态拉力—扭矩模型，得到了广泛的应用；在杆泵抽油系统井下工况诊断与预测方面，建立了定向井有杆泵抽油系统动态参数监测与仿真的数学模型，并应用于有杆泵抽油系统的参数优选和井下工况诊断中；油气井杆管柱的稳定性方面，推导了斜直井中受压扭细长杆管柱几何非线性屈曲的微分方程,建立了水平井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型,分析了无重受压扭圆杆管柱的螺旋屈曲，同时指出“压不弯钻铤”缺乏理论基础；钻柱振动方面，改进了钻柱纵向振动、扭转振动、纵向与扭转耦合振动的数学模型，发现以往防纵向振动数学模型的边界条件错误是导致钻铤破坏的主要原因之一；下部钻具力学分析方面，建立了下部导向钻具三维小挠度静力学分析、三维大挠度静力学分析和三维小挠度动力学分析的数学模型，其中，下部导向钻具三维小挠度静力学分析已经广泛应用于定向井、水平井的井眼轨道预测和工具研制中，取得了良好的效果；热采井管柱力学分析方面，从水蒸汽的热力学性质入手，已经建立了井筒地层热学计算的理论数学模型，结合现场实际，建立了井筒地层热学计算的简化数学模型，利用热弹性力学理论对套管和隔热油管进行了力学分析，提出了预膨胀固井技术。
油气井杆管柱力学课件
05
油气井杆管柱的应用 实例
油气井杆管柱在石油工程中的应用实例
1 2 3
石油开采
油气井杆管柱在石油开采过程中起到关键作用， 用于支撑井壁、传递扭矩和压力，确保石油顺利 开采。
钻井工程
油气井杆管柱作为钻杆的重要组成部分，用于输 送钻井液、传递钻压和扭矩，同时起到保护钻头 和井壁稳定的作用。
油气分离
材料检测与评估
对杆管柱的材料进行检测和评估，以确保其质量和可靠性。
油气井杆管柱的工艺优化设计
工艺流程优化
01
对杆管柱的制造工艺流程进行优化，以提高生产效率和降低成
本。
工艺参数优化
02
对杆管柱的制造工艺参数进行优化，以提高其质量和性能。
工艺质量控制
03
建立完善的工艺质量控制体系，以确保杆管柱的质量和可靠性
油气井杆管柱的强度分析
材料强度分析
研究杆管柱材料的强度特性，如抗拉、抗压、抗弯等。
结构强度分析
研究杆管柱结构的强度特性，如连接处、弯曲处等。
03
油气井杆管柱的稳定 性分析
油气井杆管柱的静态稳定性分析
静态稳定性分析
研究杆管柱在静止状态下的稳定 性，分析其受到的静力平衡状态 ，以及在各种外力作用下的稳定
有限元分析
利用有限元分析方法，对杆管柱的结构进行仿真 分析，以评估其力学性能和优化设计方案。
参数化设计
采用参数化设计方法，对杆管柱的结构参数进行 优化，以实现最优的结构设计。
油气井杆管柱的材料优化设计
材料选择
根据油气井的工况和要求，选择合适的材料，以提高杆管柱的力 学性能和使用寿命。
管柱的稳定性问题
dy d3y + x +c =0 3 dx dx
（10）
– （10）中的c也是无因次量。所以，（10） 是具有普遍性。求得的解，对各种钻柱都 适用。
钻柱的纵弯（屈曲）
• Lubinski 的垂直井眼内钻柱弯曲微分方程的建立
d3y dy + x +c =0 3 dx dx
dY dy d 2Y 1 d 2 y = （6） （7） = 2 2 dX dx dX m dx
=
=
=
d 3Y 1 d3y = 2 3 3 dX m dx
（8）
钻柱的纵弯（屈曲）
• Lubinski 的垂直井眼内钻柱弯曲微分方程的建立 – 将（6）、（8）二式代入（5）式中，得：
qm 3 1 d 3 y qm 3 dy + m x + F2 m =0 3 EI qm ⋅ m dx EI dx
钻柱的纵弯（屈曲）
• 具有重大意义的是发生一次弯曲 式的临界值： – 临界受压长度： L1 = 2.04m – 临界钻压： W 1 = 2 . 04 m ⋅ q m
– 钻头处的倾角：
r θb = tg (1.02 ) m
−1
r = 0.5( Dh − Dc )
Dh—井眼直径； Dc—钻柱直径；
定向井内钻柱的屈曲
m—一个无因次单位的长度，ft； r—视半径，ft ；
钻柱的纵弯（屈曲）
• 定向井中钻柱的失稳屈曲：
– 2. 20世纪50年代，Lubinski和Woods在研究钻 柱弯曲问题时，对倾斜井眼内钻柱的失稳屈 曲，进行了实验研究。根据试验曲线，回归了 发生屈曲的临界压力计算公式：
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。
水平井修井管柱的受力分析
水平井修井管柱的受力分析水平井修井管柱的受力分析第1章概述1.1 研究的目的和意义随着油气田勘探开发的进行，钻井重点向深部、西部和海上发展。
大位移深井、水平井、定向井修井工作量显著增加。
提高斜井、水平井、大位移井修井技术水平，已成为石油工业的一个重要课题。
水平井造斜后井迹弯曲，使管柱入井时受到的阻力远比直井大，给修井作业增加了难度，因此对管柱摩擦阻力的分析计算是保证管柱顺利入井的关键。
通过建立管柱受力平衡方程，推导出水平井管柱入井时摩阻计算的力学模型。
实例计算分析表明，摩擦阻力计算结果可为修井设备选型、优化管柱参数和井身结构以及选择下入方式提供可靠依据。
在修井中，通常所修井眼不可能完全垂直，管柱与井壁间存在着接触压力，在管柱运动时，由于摩擦作用，就会在管柱上施加轴向阻力和旋转扭矩，使得轴向载荷增加、旋转扭矩增大，尤其是在大位移井和水平井中，由于其具有长水平位移段、大井斜角及长裸眼稳斜段的特点，因此存在较大的摩阻和扭矩。
为了保证钻进作业的安全，避免管柱发生强度破坏而造成井下复杂事故，对管柱进行摩阻估计和计算，从而进行受力分析和强度校核是非常重要的。
在大斜度、大位移深井修井过程中，摩阻/扭矩的预测和控制往往是成功地修井的关键和难点所在。
开展摩阻、扭矩预测技术研究，在大位移井、大斜度深井的设计（包括修井设备选择、轨道形式与参数、管柱设计、管住下入设计等）和施工（轨道控制、井下作业等）阶段都具有十分重要的意义。
修井界早就认识到摩阻/扭矩预测、分析和减摩技术在大位移、大斜度深井中的重要性。
摩阻问题贯穿从设计到完井和井下作业的全过程，如：（1）根据摩阻扭矩分布，设计选用钻杆强度和管柱组件分布。
（2）地面装备（顶驱功率和扭矩，起升能力、泵功率和排量压力）需要根据摩阻、扭矩预测来选用，并考虑到预测误差需留有足够的富余能力。
（3）作为井眼轨道的设计和轨道控制的依据。
充分考虑完井、井下作业或修井可行性。
如果在修井阶段，管柱可旋转下入或倒划眼起出那么就需考虑套管或尾管是否需要旋转才能下人，生产油管、连续油管或其它测试管往能否下人等问题。
油气井杆管柱动力学基本方程及应用
文章编号:025322697(1999)0320087290油气井杆管柱动力学基本方程及应用Ο李子丰Ξ李敬元 马兴瑞 黄文虎(中国地质大学) (中国空间技术研究院) (哈尔滨工业大学)摘要:随着油气田开发的需要,自本世纪50年代以来,针对油气井杆管柱力学的某些特殊问题已进行了较广泛、较深入的研究,但所有的研究工作都是基于某项特殊需要而进行的,未形成统一的理论。
文中通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析,建立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,介绍了在油气井杆管柱的拉力和扭矩计算、下部钻具力学分析、油气井杆管柱的稳定性、有杆泵抽油系统井下工况诊断与预测、钻柱振动和热采井管柱力学分析中的应用。
主题词:钻柱;套管;油管;抽油杆;钻具;受力分析;偏微分方程1 前 言杆管柱是油气钻采工程中最重要的下井工具。
油气井杆管柱在充满流体的狭长井筒内工作,在各种力的作用下,处于十分复杂的受力、变形和运动状态。
对油气井杆管柱进行系统全面、准确的力学分析,可以达到如下目的:(1)快速、准确、经济地控制油气井的井眼轨道;(2)准确地校核各种杆管柱的强度,优化杆管柱设计;(3)优化油气井井身结构;(4)及时、准确地诊断、发现和正确处理各类井下问题;(5)优选钻采设备和工作参数。
自本世纪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,未形成统一的理论,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。
本文通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析,建立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。
最后,简要介绍了这些基本方程在石油钻采工程中的应用。
钻柱力学
钻柱力学是指应用数学、力学等基础理论和方法,结合实验以及井场资料等数据综合研究受井眼约束的钻柱的力学行为的工程科学。
开展钻柱力学研究, 对钻柱进行系统、全面、准确的力学分析,在井眼轨道设计与控制、钻柱强度校核、钻柱结构和钻井参数优化等都具有重要意义。
钻柱力学研究已经有五十多年的发展历史, 许多研究成果已经应用到生产实践并产生了巨大的经济效益, 但由于钻柱在充满流体的狭长井筒内处于十分复的受力、变形和运动状态,直到今天仍然无法做到对钻柱力学特性的准确描述和和精确的定计算。
近年来, 着欠平衡井、深井、超深井、水平井、大斜度井和大位移井在油气勘探开发中所占的比重越来越大, 井眼轨道控制、钻具疲劳失效、钻井成本等问题逐年突出,对钻柱力研究提出了更高的要求。
与现代钻井技术发展相适应,钻柱力学必然朝着更贴近井眼。
实际工况、控制和计算精度更高的方向快速发展。
文中首先介绍钻柱力学问题的提出、研究目标、研究方法、钻柱的运动状态和钻柱动力学基本方程。
然后将钻柱力学分为钻柱力学和动力学2个部分;介绍钻柱拉力扭矩、钻柱的弹性稳定性、底部钻具组合受力、钻柱与涡动等几个主要方面,并对未来发展趋势做出初步的预测。
在20世纪20- 30年代, 人们就发现了井斜,同时发现井斜与钻柱的力学问题有Lubinski是钻柱力学的创始人。
1950年,他从定量分析直井中钻柱的屈曲问题入手, 开创了钻柱力学研究的新局面,该研究成果得到了公认。
(1)钻柱的运动状态; (2)钻柱的应力、应变和强度; (3)钻柱与井底、井壁和钻井液相互作用及效果。
这是钻柱力学研究的3个主要方面, 互相联系、互相影响、不可分开。
在钻柱力学长期发展中,经过不断的优化和比较,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、有限差分法、纵横弯曲连续梁法、有限元法和加权余量法。
经典微分方程法是钻柱力学中应用最早的研究方法。
该方法要求在满足经典材料力学的基本假设的前提下,建立钻柱线弹性的经典微分方程并求解。
气井带压作业管柱稳定性安全评估方法研究
◀石油管工程▶气井带压作业管柱稳定性安全评估方法研究∗付必伟1㊀魏梦辉1㊀杨超2,3(1.长江大学机械工程学院㊀2.宝鸡石油机械有限责任公司㊀3.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司)付必伟,魏梦辉,杨超.气井带压作业管柱稳定性安全评估方法研究[J ].石油机械,2023,51(5):136-142.Fu Biwei ,Wei Menghui ,Yang Chao.Safety evaluation method of gas well pipe string stability in snubbing operations[J ].China Petroleum Machinery ,2023,51(5):136-142.摘要:为实现气井带压作业管柱安全性的主动控制,防止管柱失稳造成页岩气井喷事故,基于力学分析,考虑作业工况和井内环境参数等复杂因素的影响,建立了管柱轴向压曲力和管柱无支撑长度理论模型,并结合压杆稳定性理论提出了管柱安全无支撑长度理论模型,计算发现,理论计算结果与文献结果相近,验证了模型的可行性㊂理论模型计算结果表明:管柱下入作业比上提作业更易发生失稳,井内压力越大㊁井内管柱长度越短㊁管柱尺寸越小,越易发生失稳安全问题㊂最后基于安全无支撑长度理论模型和现场管柱起下作业安全准则,提出了失稳区㊁控制区和稳定区管柱稳定性安全评估方法㊂研究结果可为气井带压作业管柱稳定性安全智能预警与控制方法设计提供理论依据㊂关键词:气井;带压作业;管柱稳定性;无支撑长度;安全评估中图分类号:TE931㊀文献标识码:A㊀DOI:10.16082/ki.issn.1001-4578.2023.05.018Safety Evaluation Method of Gas Well Pipe StringStability in Snubbing OperationsFu Biwei 1㊀Wei Menghui 1㊀Yang Chao 2,3(1.School of Mechanical Engineering ,Yangtze University ;PC Baoji Oilfield Machinery Co.,Ltd.;PC National En-gineering Research Center for Oil &Gas Drilling Equipment Co.,Ltd.)Abstract :In order to realize the active control of pipe string safety in gas well snubbing operations and pre-vent the shale gas blowout accidents caused by pipe string instability,based on mechanical analysis and consider-ing the influences of complex factors such as operating conditions and wellbore environmental parameters,a theo-retical model of axial compression force and unsupported length of the pipe string was developed.In accordance with the axially-loaded rod stability theory,a theoretical safe unsupported length model was proposed.It is found that the theoretical solutions are in good agreement with the results of previous studies,which verifies the feasibilityof the model.The calculation results of the theoretical model show that the running-in operation is more prone toinstability than the running-out operation.Instability risks are higher,in cases of larger wellbore pressure,shorter pipe string length and smaller pipe string diameter.Finally,based on the theoretical model of the safe unsupported length and the safety criterion of pipe string tripping field operations,the safety evaluation method of pipe stringstability for unstable zone,control zone and stable zone was proposed.The research findings provide a theoretical basis for the design of intelligent alarming and control method for the stability of gas well pipe strings during snub-bing operations.Keywords :gas well;snubbing operation;pipe string stability;unsupported length;safety evaluation631 ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械CHINA PETROLEUM MACHINERY㊀2023年㊀第51卷㊀第5期∗基金项目:国家油气钻井装备工程技术研究中心项目 气井带压作业机主动安全控制技术研究 (BOMCO -J118-JKY016-2022)㊂0㊀引㊀言目前,页岩气是最低碳环保的化石能源,在 碳达峰㊁碳中和 大趋势下,依然具有较好的发展前景[1-2]㊂气井带压作业是川渝页岩气区块完井增产的有效手段,逐渐在页岩气开发中推广应用㊂但是非常规页岩气带压作业投产施工时井口压力高,施工难度大㊁风险高[3-5]㊂在作业过程中,管柱承受井内高压产生的上顶力㊁管柱与井筒之间的摩擦阻力和举升系统提供的下压力等,同时游动卡瓦与环形防喷器间的管柱长度(管柱无支撑长度)随管柱起下作业也在实时变化㊂在众多复杂因素的影响下,当管柱受到的轴向力超过管柱的临界压曲力时,位于游动卡瓦和环形防喷器之间的管柱就会发生弹性弯曲,甚至发生塑性形变,对管柱造成破坏,进而造成管柱脱落㊁井喷失控等事故[6-8]㊂许多学者对管柱作业风险和受力情况进行了分析,得到了许多有价值的研究成果㊂G.J.DUN CAN等[9-10]分析了气井带压作业风险,提出管柱安全无支撑长度是评价管柱是否稳定的重要指标㊂卿玉等[11-15]推导了举升油缸压曲力的计算模型和管柱无支撑长度计算模型,但未考虑或分析管柱柔度㊁井内管柱长度㊁井内压力等作业参数对压曲力和管柱无支撑长度的影响㊂冯民等[16-18]研究表明,带压作业机液压缸最大作业行程是控制无支撑管柱稳定㊁保证带压作业效率的重要方法,但如何控制液压缸行程保证管柱安全缺乏理论依据㊂综上,众多学者的研究推动了气井带压作业自动化控制和智能化发展,但目前关于井内环境参数㊁管柱尺寸和气井带压作业参数等对管柱稳定性的影响研究较少,缺少对管柱起下作业过程中稳定性安全评估理论和方法㊂为此,有必要建立管柱稳定性安全评估模型,揭示管柱安全无支撑长度与井内压力㊁油管材料㊁油管尺寸等参数的内在关系,提出管柱作业稳定性安全评估方法,以期为管柱作业稳定性安全智能预警与控制提供理论依据㊂1㊀油管柱力学分析1.1㊀压曲力模型图1是气井带压作业管柱受力分析示意图㊂图中,L1表示游动卡瓦与环形防喷器固定距离,为管柱作业实际最小无支撑长度;L2表示游动卡瓦行程,为管柱作业无支撑长度可调控范围;H表示游动卡瓦与环形防喷器之间的最大管柱长度,为管柱作业实际最大无支撑长度㊂管柱无支撑段U L与其轴向受力紧密相关㊂图中显示管柱轴向受力主要包括:①井内压力对管柱的上顶力F wp;②带压作业举升系统液压缸对管柱施加的举升力或下压力F sn;③管柱浮重W;④油管柱受到的摩擦阻力f (包含防喷器密封对油管的摩擦力F fr,油管在套管内运动与套管相互接触所产生的摩擦力F dr),当管柱下放时f=f d,管柱起升时f=f u;⑤管柱起㊁下作业过程中的惯性力,令最大加速度为a max ㊂图1㊀管柱受力分析Fig.1㊀Force diagram of the pipe string1.1.1㊀管柱下放作业力学平衡方程管柱下放过程中,可以分为3种工况:①管柱下入初始阶段,管柱自重小于井内压力产生的上顶力,此时管柱两端受到压力,可能发生失稳;②随管柱下入,管柱自重逐渐增大,当管柱自重等于上顶力和摩阻力的合力,液压缸下压力F sn=0,管柱达到中和点;③当管柱下入深度超过中和点后,管柱受拉不会发生失稳㊂综上,管柱下入的初始阶段是最可能发生失稳的阶段㊂气井带压作业中由于气井产生的浮力相对管柱重力较小,可忽略浮力的影响,同时考虑油管下入时的加速度影响,故建立油管力学平衡方程如下:F sn=F wp-W+f d+(W/g)a max(1)式中:f d表示管柱下入阶段受到的摩擦阻力,kN; g表示重力加速度,m/s2㊂1.1.2㊀管柱上提作业力学平衡方程管柱上提过程也可分为3种工况:①管柱上提初始阶段,管柱自重大于上顶力F wp和摩阻力f的合力,此时管柱受拉不发生失稳;②随着管柱上提,当管柱达到中和点,拉力F sn=0;③在管柱上提最后阶段,管柱自重小于上顶力和摩阻力的合力,此时管柱受压可能发生失稳㊂假设管柱上提阶7312023年㊀第51卷㊀第5期付必伟,等:气井带压作业管柱稳定性安全评估方法研究㊀㊀㊀段的加速度为a ᶄmax ㊂综上,根据受力分析,建立管柱上提阶段的力学平衡方程如下:F sn =F wp -(W +f u +(W /g )a ᶄmax )[](2)式中:f u 表示管柱上提阶段受到的摩擦阻力,kN㊂1.1.3㊀井内压力产生的上顶力F wp =πp out D 2j -d 2c ()/4(3)式中:p out 为管柱外压力,MPa;D j 为接箍外径,m㊂1.1.4㊀管柱自重WW =ρg Al(4)式中:ρ为油管密度,kg /m 3;A 表示油管截面积,m 2;l 表示油管长度,m㊂1.1.5㊀摩擦阻力(f u 或f d )㊀㊀在管柱起下作业过程中,井内管柱与闸板防喷器㊁环形防喷器㊁套管等之间的摩擦阻力为滑动摩擦力,通常摩阻力一般为最大压曲力的20%[19-20]㊂1.2㊀压曲力与柔度的关系模型根据压杆稳定性理论,假设油管柱压曲力F sn是油管柱的临界压力,则基于欧拉公式可得到油管柱柔度λ:λ=π2AE /F sn(5)式中:λ表示压杆柔度,无量纲;E 表示弹性模量,MPa㊂2㊀管柱稳定性评估理论模型2.1㊀油管柱无支撑长度计算模型2.1.1㊀模型简化根据油管受力情况,可以将游动卡瓦和环形防喷器之间的油管柱简化为两端固定铰支座的细长压杆稳定问题,如图2所示㊂图2㊀管柱无支撑长度简化模型Fig.2㊀Simplified model of the pipe string unsupported length2.1.2㊀油管柱无支撑长度计算模型气井带压作业过程中油管可视为细长压杆,管柱无支撑长度U L 是游动卡瓦与环形防喷器之间的管柱长度㊂在带压作业中,U L 即为细长压杆的长度,其柔度可表示为:λ=μU L /i(6)式中:μ为长度系数,无量纲;i 为惯性半径,m㊂由于气井带压作业过程中油管的约束为两端铰支结构,故取长度系数μ=1㊂油管的惯性矩为:I =π(D 4c -d 4c )/64(7)㊀㊀惯性半径为:i =I /A =D 2c -d 2c /4(8)㊀㊀综合式5()~式8()可得油管柱无支撑长度:U L =π2AE D 2c +d 2c /4F sn ()(9)2.1.3㊀安全无支撑长度当管柱受到的实际压曲力F sn 与临界压曲力F cr 相等时,此时对应的管柱无支撑长度U L 称为最大无支撑长度L max ㊂为保证管柱安全作业,需设置一定的安全系数α㊂最大无支撑长度和安全系数的乘积称为安全无支撑长度S ㊂S =L max α(10)㊀㊀当油管直径为60.3mm (2 in)㊁73.0mm (2 in)和88.9mm (3⅟ in)时,α=0.7;当油管直径为38.1mm (1⅟ in)时,α=0.6㊂若油管为N80(非抗硫规格)旧油管,井内压力大于35MPa,或H 2S 体积分数超出1.0%(1.5ˑ104mg /L),则将无支撑长度降低25%[9]㊂2.2㊀临界压曲力2.2.1㊀临界应力根据柔度的大小,压杆类型可分为3种:大柔度杆㊁中柔度杆和小柔度杆㊂3种柔度杆对应的失稳临界应力计算模型可采用下式表达:㊀㊀㊀σcr =π2E /λ2㊀㊀㊀λȡλp a -bλλs ɤλ<λp σsλ<λsìîíïïïï(11)λp =π2E /σp (12)λs =a -σs ()/b(13)式中:a ㊁b 为与材料有关的应力常数,取a =478MPa,b =3.744MPa;σs 为屈服极限,MPa;σp 为强度极限,MPa㊂2.2.2㊀临界压曲力F cr =σcr A j(14)式中:A j 表示接箍段截面积,m 2㊂2.3㊀管柱稳定性安全评估方法与模型验证2.3.1㊀管柱安全无支撑长度计算流程图3为油管稳定性安全评估计算流程㊂计算中首先根据管柱力学平衡方程求解管柱最大轴向压曲力F sn 和初始管柱无支撑长度U ,并计算管柱柔度,判别管柱类型,计算临界压曲力F cr ㊂然后对比F sn 与临界压曲力F cr ,如果F sn >F cr ,表明初始管柱无支撑长度U 不满足管柱稳定性要求,此时831 ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械2023年㊀第51卷㊀第5期设置递减量ΔU ,直到F sn =F cr ;反之当F sn <F cr 时,设置递增量ΔU ,直到F sn =F cr ,得到L max 即为油管柱在该工况下的最大无支撑长度㊂最后乘以安全系数α,输出油管柱安全无支撑长度S㊂图3㊀管柱安全评估计算流程Fig.3㊀Simplified model of the pipe string unsupported length2.3.2㊀管柱稳定性安全评估方法受气井带压作业机本身结构的限制,实际作业中油管柱的最小无支撑长度为游动卡瓦与环形防喷器之间的固定距离L 1,油管柱的最大无支撑长度为游动卡瓦与环形防喷器之间的最大距离H ㊂因此评估油管柱稳定性时,可对比安全无支撑长度S 和游动卡瓦与环形防喷器固定距离L 1,游动卡瓦与环形防喷器的最大距离H 的大小,根据油管柱安全无支撑长度S 所处范围将管柱状态分成3个区㊂(1)失稳区:当S ɤL 1时,油管柱在气井带压作业过程中一直处于失稳状态,无法通过控制游动卡瓦行程L 2改变油管柱的失稳状态㊂(2)控制区:当L 1<S <H 时,表示通过控制油管卡瓦行程L 2的大小,可保证管柱在作业过程中的安全稳定性㊂(3)稳定区:当S ȡH 时,油管柱在气井带压作业过程中一直处于稳定状态,游动卡瓦可以达到最大行程㊂本研究建立的管柱安全评估方法是以L 1和H作为管柱安全控制的预警值,采用油管柱安全无支撑长度S 为指标,达到评估油管柱是否安全的目的㊂该方法可有效预警管柱安全事故,为油管柱可控安全作业提供了理论依据㊂2.3.3㊀模型案例验证与管柱安全评价模型案例中管柱强度极限σp 为825MPa,屈服极限σs 为279MPa,弹性模型E 为210GPa,泊松比为0.3,密度为8456kg /m 3,加速度为0.1m /s 2㊂管柱外径D c 为73.0mm,内径d c 为62mm,接箍外径D j 为88.9mm,固定距离L 1为3m,行程L 2为3.6m,实际最大无支撑长度为6.6m㊂图4是ø73mm 管柱下入阶段,无支撑长度L max 和压曲力F sn 理论计算结果与文献的对比曲线㊂由图4可知,理论结果与文献结果基本保持一致㊂表明理论模型的计算结果准确,该模型可用于预测管柱安全无支撑长度和压曲力㊂图4㊀理论计算结果与文献结果对比Fig.4㊀Comparison between theoretical calculationresults and literature data图5是ø73.0mm 管柱下入10m (即第一根油管)或管柱上提至最后一根油管时,井内压力与压曲力F sn 的关系曲线㊂图5㊀井内压力与压曲力之间的关系曲线Fig.5㊀Correlation between wellbore pressure and buckling force由图5可知,当井内压力增大时,因管柱受到的上顶力F wp 增大,同时结合式(1)和式(2)可知管柱的压曲力F sn 线性增大,与文献[9]和[12]的结论一致;并且管柱受摩擦阻力的影响,下931 2023年㊀第51卷㊀第5期付必伟,等:气井带压作业管柱稳定性安全评估方法研究㊀㊀㊀入阶段压曲力的递增速度明显大于上提阶段压曲力㊂图6是ø73.0mm 油管管柱下入阶段,最大无支撑长度L max 与安全无支撑长度S 的对比曲线㊂基于3区管柱安全评估方法,图中显示与最大无支撑长度L max 相比,安全无支撑长度S 的失稳区较大,井内压力超过55MPa 则认定管柱处于失稳区,管柱作业过程中发生失稳事故㊂当井内压力在15~30MPa,管柱安全无支撑长度处于控制区,可控制游动卡瓦行程,保证管柱作业的安全稳定性㊂当井内压力小于15MPa,管柱处于稳定区,管柱作业一直处于稳定状态㊂同时安全无支撑长度S 与最大无支撑长度L max 相比,控制区和稳定区减小㊂为此,以安全无支撑长度S 作为管柱是否安全的评价指标,更能保证气井带压作业管柱的安全性㊂图6㊀L max 与S 的对比曲线Fig.6㊀L max vs.S3㊀结果分析3.1㊀井内压力对管柱稳定性的影响图7是ø73.0mm 管柱下入10m (即第一根油管)或管柱上提至最后一根油管时,井内压力与安全无支撑长度S 的关系曲线㊂图7㊀井内压力与S 的关系曲线Fig.7㊀Wellbore vs.S图7中显示当井内压力增大,因管柱受到的上顶力F wp 增大,根据式(1)和式(2),管柱的压曲力F sn 增大,为此S 逐渐减小,并从稳定区逐渐向失稳区过渡㊂当管柱下入时,井内压力小于10MPa,管柱处于稳定区不发生失稳;井内压力在10~55MPa 范围内,管柱处于控制区,可控制液压缸行程,使管柱下入过程不失稳;当井内压力超过55MPa,管柱处于失稳区,管柱处于失稳状态㊂因管柱受到摩擦阻力,上提作业比下入作业更稳定,为此控制游动卡瓦行程,保证油管稳定下入即可保证管柱在起下作业中的稳定性㊂3.2㊀管柱下入深度对管柱稳定性的影响图8是井内压力70MPa 时,管柱长度与安全无支撑长度S 的关系曲线㊂由图8可知,随井下管柱长度增加,管柱重力增大,根据式(1)和式(2),管柱所受的压曲力逐渐减小,故安全无支撑长度S 逐渐增大㊂当压曲力为负时,此时管柱受拉,不会发生失稳,定义安全无支撑长度S 为无穷大㊂管柱下入深度在0~250m 范围内,安全无支撑长度S处于失稳区㊂在250~850m 范围内,可通过控制游动卡瓦行程保证管柱起下作业的稳定性㊂管柱起㊁下作业时,当井内管柱长度分别超过500和850m 后,管柱安全无支撑长度S 大于H ,此时管柱不发生失稳,可保证管柱安全作业㊂图8㊀管柱长度与S 之间的关系曲线Fig.8㊀Pipe string length vs.S3.3㊀管柱尺寸对下入工况管柱稳定性的影响图9是不同尺寸油管下入10m (即第一根油管)时,井内压力与安全无支撑长度S 的关系曲线㊂图9㊀3种油管井内压力与S 的关系曲线Fig.9㊀Wellbore pressure vs.S for three types of tubing041 ㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械2023年㊀第51卷㊀第5期由图9可知:井内压力相同时,大尺寸管柱截面积大,受到的上顶力较大,此时受到的压曲力F sn 较大,同时管柱无支撑长度也较大,表明大尺寸油管的抗失稳性能越好㊂并且当压力超过20MPa 后,ø38.1mm 油管处于失稳区;当压力超过55MPa,ø73.0mm 油管柱处于失稳区;而ø88.9mm 油管在80MPa 时,油管还处于控制区㊂综上,油管柱尺寸越大,失稳区越小,控制区和稳定区越大,油管柱作业稳定性越好,作业越安全㊂图10是井内压力为70MPa 时,不同管柱尺寸油管管柱长度与安全无支撑长度S 的关系曲线㊂由图10可知:随管柱长度增加,管柱无支撑长度快速从失稳区向稳定区过渡,表明管柱下入长度越大,管柱稳定性越好:ø38.1mm 油管柱在0~800m 内处于失稳区,800~940m 处于控制区,超过940m 后进入稳定区;ø73.0mm 油管柱在0~200m 处于失稳区,在200~830m 内处于控制区,超过830m 后进入稳定区;ø88.9mm 油管柱在0~300m 处于控制区,超过300m 后处于稳定区㊂综上,油管尺寸越大,失稳区和控制区越小,稳定区越大,油管作业越安全㊂图10㊀3种油管管柱长度与S 之间的关系曲线Fig.10㊀Pipe string length vs.S for three types of tubing4㊀结㊀论(1)建立了管柱安全无支撑长度理论模型,并且理论模型计算结果与文献结果相近,可作为气井带压作业管柱稳定性安全评估模型㊂(2)通过分析井内压力㊁管柱长度和油管尺寸对管柱起下作业安全无支撑长度的影响管柱下入作业比上提作业更易发生失稳㊂井内压力越大㊁管柱长度越短㊁管柱尺寸越小,越易发生失稳㊂(3)基于安全无支撑长度和气井带压作业机参数,提出了失稳区㊁控制区和稳定区管柱稳定性安全评估方法㊂基于安全评估结果,可确定不同尺寸管柱安全作业条件和游动卡瓦行程与下压力控制方法,为现场管柱安全作业工艺参数和失稳事故预警值设计提供了理论依据㊂参㊀考㊀文㊀献[1]㊀史建勋,王红岩,董大忠,等.中国页岩气产业发展的特点与经验[J].油气与新能源,2022,34(1):25-30,35.SHI J X,WANG H Y,DONG D Z,et al.Character-istics and experience of the development of shale gas in-dustry in China [J].Petroleum Planning &Engineer-ing,2022,34(1):25-30,35.[2]㊀张然,李根生,杨林,等.页岩气增产技术现状及前景展望[J].石油机械,2011,39(增刊1):117-120.ZHANG R,LI G S,YANG L,et al.Present situationand prospect of shale gas stimulation technology [J].China 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