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。

同时，上述研究成果基本上都是国家“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和“863”项目海底大位移井井眼轨道控制技术的研究内容，不但在理论上取得了较大进步，在经济上也获得了巨大的效益，赢得了国内外石油工程界和力学界的一致好评。

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, 处于十分复杂的变形和运动状态。对油气井杆管柱进行系统的、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) 优化油气井井眼轨道;

(4) 及时准确地诊断和正确处理各类井下问题;

(5) 优选钻采设备和工作参数。

油气井杆管柱力学主要研究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、下部钻具三维力学分析、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方面的应用。

油气井杆管柱的运动状态主要有轴向运动、横向运动、自转和公转(涡动) , 其中轴向运动包括起下钻、纵向振动; 横向运动包括横向振动; 自转包括绕自身轴线的旋转、扭转振动; 公转(涡动)包括正向公转、反向涡动。

(1) 在直井内, 上部受拉段, 钻柱绕自身轴线旋转; 下部受压段, 钻柱绕

自身轴线旋转、反向涡动; 钻柱若存在弯角则正向公转。全井都有可能发生纵向振动和扭转振动, 并导致钻柱破坏, 地面观察明显。下部受压段易发生横向振动, 并导致钻柱破坏, 地面观察不明显。

(2) 在斜井内, 由于钻柱靠重力作用躺在井壁下侧并与井壁产生滑动摩擦, 导致纵向振动、横向振动和扭转振动减轻, 反向涡动减轻或消失, 所以在斜井中, 钻柱振动导致的疲劳破坏较少。但在开始旋转钻柱时, 由于逐段间接从静止的静摩擦状态向动摩擦状态转变, 会产生滑振。

关于钻柱的运动状态, 目前主要是定性描述,虽然已经向定量描述钻柱的振动和涡动状态努力,但还没有获得工程实用的结果。今后的研究重点为钻柱的振动和涡动。