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
关于水平井注水管柱的受力分析
关于水平井注水管柱的受力分析作者：张雷来源：《中国新技术新产品》2012年第19期摘要：在石油的开采开发中，水平井开采技术作为开发的最基本和普遍应用的技术，在石油的开采中发挥了重要作用。
而注水是目前油田开采中保持地层能量的主要方式，注水方式是采油实现的稳产、高产的重要措施，，并且随水平井在各油田的普遍应用，水平井注水技术日趋成熟。
本文将从水平井注水工艺、注水管柱的概况来分析注水管柱受力状态的影响因素，通过注水管柱的力学模型和计算方式为实际操作提供技术指导。
关键词：水平井；注水管柱；平衡状态；受力分析中图分类号：TE35 文献标识码：A一、简述水平井注水和注水管柱1 简述水平井注水因为注水井与生产井之间存有径向流，巨压损耗降低采收，而将径向流转变为直线流的方式有垂直向压裂和水平井注采技术，水平井正常注水，管柱所受压力会分散在泄油井端上，界面压力小受到的形变小，降低了含水量的增加速度，油水界面距离增大。
水平井能达到泄油的均匀性使水驱前缘能够向前推进，流速较大。
根据以上特点水平注水在低渗透等地质复杂的油藏中可以提高其油田油层的开发率，提高产量，加速进程。
水平注水可提高水驱波和系数，减小了油层的压力，降低了生产成本。
2简述注水管柱注水管柱的工作原理是利用配水嘴的节流作用来控制不同底层的注水量。
水嘴的大小不同会影响注水的节流损失。
而根据地层的配注量来选择合适的水嘴，具有重要意义。
注水管柱会伴随注水工艺与生产工况的不同而有差别，通常情况下，根据注水管柱的结构特点不同形成多种分类。
根据支撑方式不同，分为底部支撑式、自由悬挂式。
前者难度大于后者，主要因为封隔器的准确度与其管柱的复杂程度有关。
组成管柱的工具结构在一定特点上具有相似性，分为固定注水管柱、偏心注水管柱、空心注水管柱、油套分层注水管柱、双段自调分段注水管柱等。
根据封隔器工作原理不同分为水力压缩式封隔器分段注水工艺管柱、水力扩张式封隔器分段注水工艺管柱、卡瓦式分段注水工艺管柱、支撑式封隔器分层注水工艺管柱。
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
完井工程总结
完井工程基本概念完井工程：使井眼与油气储集层联通的工序。
包括从钻开油气层开始，到下生产套管、注水泥固井、射孔、下生产管柱、防砂、排液，直至投产的系统工程。
1.油气藏类型：（1）孔隙型、裂缝型、裂缝-孔隙型、孔隙-裂缝型、洞隙型（2）块状、层状、断块、透镜体（3）常规油藏、稠油油藏、高凝油油藏、天然气藏。
2.储层岩石类型：碎屑岩和碳酸盐岩。
3.孔隙度：是指岩石中空隙体积占岩石的总体积的百分比。
4.渗透率：是指流体在压差的作用下允许流体通过的能力。
5.储层流体充填与岩石的孔隙中，主要包括油、气、水。
6.表层套管：开始下入的最短、最浅的一层套管。
作用（1）在其顶部安装套管头（2）隔离地表浅水层和浅部复杂地层，使浅水层不受钻井液污染、7.中间套管：介于表层套管和生产套管之间的套管。
作用（1）隔离不同地层孔隙压力的层系或易塌易漏等复杂底层。
8.生产套管：钻达目的层后下入的最后一层套管。
作用（1）保护生产层，并给油气从生产层流到地面提供通道。
9.套管柱受力类型：轴向拉力、外挤力、内压力。
10.水泥浆的稠化时间：水泥浆从配制开始到稠度达到100BC所用的时间。
11.水泥浆的凝结时间：水泥浆从液态转变为固态的时间。
12.窜槽：注水泥过程中由于水泥浆不能将环空中的钻井液完全替走而使环空出现未被水泥浆封固的现象。
13.提高顶替效率的措施：（1）使用套管扶正器，改善套管居中条件（2）在注水泥过程中活动套管（3）调整水泥浆性能（4）调节水泥浆在环空中的流速。
14.完井方法：射孔完井、裸眼完井、割缝衬管完井、砾石充填完井、防砂筛管完井、化学防砂完井。
15.裸眼完井包括先期裸眼完井和后期裸眼完井。
16.割缝衬管防砂机理：允许一定大小的随着原油携带至井中的细砂通过，而把较大的砂粒阻挡在衬管的外面。
17.缝口宽度：e<2d18.各种水平井的完井方法的优缺点。
19.完井液的分类：油、气、水基完井液。
目前国内使用最广泛的是水基完井液。
热采水平井裸眼完井技术
2、钻塞过程造成套管串损坏。
——对策：1）制定了钻完井施工技术要求。 （已完成） 2）配套了可旋转扶装置。（正试验）
3、水平井冲砂（含大砾石）困难。 ——对策：配套泡沫冲砂工艺，设计专用工具。（已完成）
续的砂体，这一砂体的作用一是在井壁与筛管之间形成支撑，
避免由于热采造成近井地带环空由于地层坍塌造成渗透率下 降，二是在井壁与筛管之间形成高渗透的档砂屏障，避免生 产式的携砂液流对精密滤砂管的冲击和磨蚀，提高其使用寿 命。
四种完井防砂方式分析
综合评价下来，滤砂管完井泡沫酸洗防砂一体化工艺实施后，
取得油气比升高，投资大幅下降的效果，具有良好的前景。
套管完井挂精密滤砂管完井
套管完井+金属毡滤砂管防砂井第一周期情况统计表
井号 郑411-P2 射 开 厚 203 油压 19.2 温度 357 平均 干度 40 平均 速度 8.8 注汽 量 2187 周期产 油 2241 周期产 水 2549 含水 53.2 采注 比% 2.19 油汽 比% 1.02
完井管柱损坏原因分析
1）管柱下入过程中的受力影响 在相关的文献中，水平井管柱下入过程中，在弯曲段 所受到的力最大。以坨826-平4为例，下入过程中最大套管 应力为85MPa，深度1628米，套管应力明显要低于套管屈服 应力值，可见整个套管在完井过程中是安全的。
套管外壁Mises应力图
完井管柱损坏原因分析
完井方式 应用井数/ 第一周期平 第一周期平 可对比井数 均单井累油 均油汽比 9/9 1378 0.63 完井费用
200米水平段
221万 270万 102万 146万
采油工程设计指南
采油工程设计指南采油工程设计第一节完井工程设计一、完井方法1、油藏工程及采油工程对完井的要求列出各方案的井别及数量：采油井、注水井（或注气井）、水平井、丛式井、多底井、观察井及水源井等。
2、井身结构确定1）套管程序的确定根据原始地层压力和破裂压力剖面、注水压力，确定井身结构层次、下深和水泥面返高。
根据采油工程要求确定完井方式、完钻井眼尺寸及油层套管尺寸。
给出套管程序：（1）表层套管：钢级×外径×壁厚（2）技术套管：钢级×外径×壁厚（3）生产套管：钢级×外径×壁厚绘出完井工程示意图。
2）水泥固井根据要求确定注水泥方式（一次注水泥，分级注水泥或管外封隔器注水泥），根据油藏要求确定水泥性能、返高及主要外加剂和外加剂的数量。
3、完井设计根据油藏特性优选完井方法。
①.套管固井射孔完井若采用套管固井射孔完井，生产套管内径应与最大产油量油管相匹配，并要考虑大修和侧钻更新的要求。
在此基础上选择生产套管的尺寸、钢级、强度、壁厚、螺纹连接类型、螺纹密封脂的类型及上扣扭矩。
若尾管完井，则要给出悬挂深度及悬挂方式。
②.裸眼完井确定是采用先期裸眼完井还是后期裸眼完井。
③.割缝衬管完井割缝衬管完井，要确定缝割的形状、缝口宽度、缝眼排列形式及数量。
若尾管完井，给出悬挂深度及悬挂方式。
若选用定向井和水平井则要考虑套管弯曲，套管螺纹承受的拉力、螺纹的密封问题，造斜段过泵及井下工具等问题。
④.砾石充填完井砾石充填完井时要根据筛管及砾石充填设计要求，（比如绕丝筛管尺寸及缝隙尺寸要求，砾石质量要求、扩眼尺寸及工艺要求等确定充填砾石中径，携砂液配方及性能。
⑤.预充填烧丝筛管完井对预充填烧丝筛管完井进行施工设计。
⑥.其它防砂完成井是否选择有金属纤维防砂筛管、陶瓷防砂、化学预包砂人工井壁等完井，根据具体储层条件来筛选。
对事故井和抢险井的完井方法按现场条件来决定。
4、自喷井系统装置选择1）井口装置优选自喷井井口装置（采油树）的型号、连接基本形式（法兰、卡箍连接）、最大工作压力及公称通径和试压等级。
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。
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！
封隔器坐封受力分析及坐封负荷计算
封隔器坐封受力分析及坐封负荷计算摘要：机械堵水是油田增油控水的重要手段，本文旨在就如何控制坐封负荷提高机堵质量，延长油井免修期，提高堵水效果方面做一些讨论。
关键词：机械堵水；偏磨；尾管重量；负荷计算；引言机械堵水是油田开发中调整开发方案，控制含水上升，提高开发效果的一项重要措施，卡瓦支撑封隔器堵水是机械堵水中一种常用的方法，它具有操作方便，成本低，可与生产管柱一同下井，调层灵活的特点，在河南油田被广泛采用。
此种工艺在现场操作中，因多种因素造成有效期短，坐封吨位计算公式繁琐易出错，凭经验控制不准确的缺点。
而坐封负荷的过大将造成管柱弯曲，加剧管杆偏磨；过小会使胶筒密封不严而使机堵失败。
我们对机堵中存在问题和工具受力情况一一分析，制定相应对策，并对传统坐封高度度计算公式进行了简化，在现场应用中取得了较好的效果。
1封隔器坐封状况分析重力坐封封隔器在坐封时经常发生从指重表读出坐封负荷与设计负荷相差较大而解封后再次坐封的情况，不但拖延工期而且多次坐封易造成封隔器胶筒损伤，缩短封隔器在井下工作的有效期，我队半年来机堵作业50井次，完井时多次坐封调整坐封吨位的井有5口，因坐封引起管柱弯曲加剧磨损的免修期100天以下的井有3口，给生产造成了一定影响。
图1 多次坐封因素统计图由上图看出完井时为调整坐封吨位至设计要求而再次坐封比例最大，分析其原因主要有以下几方面：1.1不同结构封隔器卡瓦空行程不同，坐封上提高度相差较大。
1.2经验估计坐封上提高度误差大。
1.3传统坐封上提高度公式计算复杂，易算错。
1.4对封隔器下部管柱重量对坐封力的影响估计不充分。
2具体解决办法2.1针对封隔器生产厂家不一的问题，我们对每一厂家的封隔器均丈量各重要尺寸，如卡瓦空行程就有12cm，50cm，62cm三种。
2.2简化坐封高度计算公式，减少计算工作量，提高计算速度。
2.3适当增加封下管柱重量来减少封上管柱的压缩弯曲。
3卡瓦封隔器坐封高度计算公式及公式简化为了加压一定管柱重量，以保证封隔器在坐封时所需要的坐封载荷，封隔器就必须要有一定的坐封高度（四通上平面与油管挂上平面或偏心下平面的距离）。
钻井与完井工程教材第五章压力控制
第五章 钻井过程压力控制钻井过程井筒压力控制理论是压力控制钻井（平衡压力钻井、近平衡压力钻井、欠平衡压力钻井）和油气井溢流、井喷控制的重要理论论据和应用范围。
本章主要介绍稳态井内波动压力预测模型及计算方法；溢流及井喷过程井筒压力变化规律及控制方法。
欠平衡钻井井内压力系统分析、控制及欠平衡钻井涉及的主要技术问题；第一节 压力控制钻井中的几个概念压力控制钻井包括过平衡钻井、平衡钻井、近平衡钻井及近年发展极快的欠平衡钻井、低压头钻井。
平衡钻井是科学化阶段后10年的主要技术成果，这项技术是基于压差对钻速影响的理论发展起来的。
平衡钻井、近平衡钻井、欠平衡钻井及低压头钻井虽然都是几个不同的概念和具有其独特的理论、技术特征，但它们都能不同程度地达到以下目的：⑴有效地保护储层产能，据国外某油田调查资料表明：当钻开储层时压差小于10.3Mpa 时，储层产量接近638m 3/d ，而压差大于10.3 Mpa 时，储层产量仅为318m 3/d 。
美国阿拉斯加普鲁德霍湾油田针对油井产量递减问题进行了三年调查研究，分析了多个环节对油层损害的影响，结论为过平衡条件下钻井促使液相与固相侵入地层，损害地层的渗透率10%~75%。
薄片鉴定和扫描电镜分析证明，微粒侵入地层是储层损害的主要原因。
⑵明显提高钻速，理论及室内实验表明，钻速本质上受压力差影响，当孔隙压力与井筒有效液柱压力相等时钻速最高。
1959年坎宁安和尹英克（Eeoink ）在室内用微型钻头在渗透性Berea 砂岩、Indina 灰岩和松散砂岩上试验，压差由0增至6.889Mpa ，钻速下降60~70%。
⑶更灵敏地反映地层特征，便于检测地层孔隙压力和估计地层破裂压力。
⑷优化井身结构设计，合理确定必封点深度套管程序和下深。
⑸可将钻井复杂问题，如压差卡钻、井喷、井漏和井眼不稳定减少到最低限度。
下面给出这几个压力控制钻井的概念，其理论及技术内容在有关章节详讲。
一．平衡钻井（Balanced Drilling ）平衡压力钻井是指在钻进时井内有效钻井液柱压力等于地层压力的钻井技术。
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。
完井管柱受力分析
活塞效应
活塞效应产生的基本条件是由于完井管 柱中存在面积差, 当油管或环空压力改变 时便产生向上、向下的轴向力或产生油管 的上下移动。海上油气井井底通常均下有 封隔器，当封隔器坐封后封隔油套环空时， 有一个受力面积差，便产生活塞效应的条
件。
δ
δ
F4
F4
活塞效应力学图
计算方法
活塞效应产生的力的计算
参考文献
1.《中国海洋油气田开发图集》上册，中国海 洋石油总公司。
2.《海上油气田完井手册》第七章。 3.《PAKER CALCULATION HANDBOOK》BAKER 。 4．《油藏动态分析报告》油藏部动态室。
示例计算
(1) 自重产生的伸长 △L1= 20.7in (2) 鼓胀效应
△L3=－9.25in(-0.23m)
（3）温度效应 F2= 207×As×Δt = 207×2.59×35= 18764.6 lb ΔL2= L×B×Δt= 1770×3.281×12×6.9×10-6×35 = 16.83in≈0.427 m
F=22998.15
lb+23321.66lb-1799lb-
30900lb=13620.8lb
双管或多管完井方式
双管或多管完井时油管与封隔器的连 接与单管完井一样，有螺纹直接连接的， 也有锚定式或插入式的。因此其管柱的 受力是分开进行分析的，不论采用何种 形式连接，其受力种类也是上述的几种 效应。
温度效应管柱图
温度效应力学图
计算方法
热膨胀力的计算 F2= 207As×Δt = 207×As×(t2-t1)
温度效应长度变化的计算
ΔL2 = L×B×Δt
其中，As------油管截面积，in2; Δt------平均温度的变化值, 0F;
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。
钻井完井井口试压管理规定
钻井完井井口试压管理规定一、试压管柱（自下而上）：丝堵+27/8″平式油管2根＋井口试压器＋27/8″加厚油管3根＋油管挂。
二、试压程序1、对上部为51/2″套管完井安装采油（气）树的试压程序：①、按规定安装好套管短节、底法兰、大四通及套管闸门；②、下入试压管柱；③、安装采油（气）树及压力表；④、套管接压风机管线，油管接泵车管线，打开相应闸门；⑤、开泵车灌水，灌满井筒，停泵；⑥、开压风机，排出套管头以上容积水（一般排出10m左右，100升即可），关闭出口。
继续打气压至12MPa，停压风机，关压风机进口。
⑦、开泵车升压至25 MPa（250采油、气树）或35MPa（350采油、气树），停泵，关泵车进口，观察压力表变化。
有漏失的，放压后进行整改，再重新试压，直至合格。
油管控制放压至零；⑧、倒管线，泵车接套管，压风机接油管。
开压风机，打气压至12MPa，停压风机，关压风机进口。
开泵车升压至25 MPa（250采油、气树）或35MPa （350采油、气树），停泵，关泵车进口，观察压力表变化。
有漏失的，放压后进行整改，再重新试压，直至合格。
套管控制放压至零；⑨、拆井口起出试压管柱，完成试压工作（对井口试压器进行清洗，回收保养），按规定下入完井管柱。
2、对上部为7″套管完井安装采油（气）树的试压程序：①、按规定安装好套管短节、底法兰、大四通及套管闸门；②、下入试压管柱；③、安装采油（气）树及压力表；④、套管接压风机管线，油管接泵车管线，打开相应闸门；⑤、开泵车灌水，灌满井筒，停泵；⑥、开压风机，排出套管头以上容积水（一般排出10m左右，200升即可），关闭出口。
继续打气压至12MPa，停压风机，关压风机进口。
⑦、开泵车升压至25 MPa（250采油、气树）或30MPa（350采油、气树），停泵，关泵车进口，观察压力表变化。
有漏失的，放压后进行整改，再重新试压，直至合格。
油管控制放压至零；⑧、倒管线，泵车接套管，压风机接油管。
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
海上油气田完井手册 第七章 生产完井管柱
第七章生产完井管柱完井管柱设计是完井工程的重要环节，完井工程的最终目的要通过完井管柱来实现。
海上油（气）田完井管柱的设计必须遵循以下原则：1）完井管柱必须与井下状况（包括油气层层系、产能、水动力系统、流体特性等）相适应；2）完井管柱必须与地面条件相适应；3）完井管柱必须满足油气田开发方案的要求；4）一般都应具备测试功能和自动控制的安全功能；5）尽可能减少或避免生产过程的起管柱作业，因此，一般都应具备钢丝作业或（和）连续油管作业的功能，减少生产操作费；6）结构和施工尽可能简单，降低投资费用。
完井管柱一般可按以下分类：热采注水管柱单管合采自喷单管分合采双管分合采生产完井管柱油井生产管柱电潜泵气举人工举升射流泵气井生产管柱螺杆泵水力活塞泵本章将介绍海上常用的自喷井完井管柱、气井完井管柱、气举井完井管柱、电潜泵完井管柱、射流泵完井管柱、螺杆泵完井管柱及注水井完井管柱的结构特点、适用范围和设计要点以及生产完井管柱的受力分析。
本章各管柱中，在井口与第一级封隔器之间或两个液压封隔器之间，是否需要连接伸缩节，在实际设计中必须对管柱可能的受力载荷变化情况进行计算确定，不受示例管柱的限制。
有关作业施工程序和操作规程，各油公司都有具体的规定或标准，施工时应严格执行，本文也不作详细叙述，仅在一些比较特殊或难度较大的地方提出需注意的要点。
第一节自喷井完井管柱本节将重点介绍单管合采完井管柱、单管分采／合采完井管柱和双管完井管柱。
一、单管合采完井管柱一般管柱结构如图7-1-1所示。
1．管柱特点l）结构简单，施工容易，投资费用低；2）适用于多层系统中，进行多层合采（在各层压力系统和流体物性比较一致情况下各层同时射孔生产）；3）既适合于前期自喷生产，又可用于后期的射流泵生产，所以特别适用于没有修井能力的平台条件；4）封隔器和井下安全阀构成安全防溢油的功能，确保油井安全。
2．管柱上各井下工具名称及功能（1）安全阀液压控制管线：其出口连接到井口采油树，由地面液压系统控制井下安全阀的开关，其选择参阅第四章。
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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！