测试方面的力学分析与应用

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通过以上的钢丝受力分析,我们完全可以通 过计算来了解钢丝的实际深度数据。
钢丝的计量深度+仪器自重+堵头盘根的摩擦 力+井口压力上顶力- 钢丝浮力- 仪器浮力- 量轮误 差值(深度×误差率)=地面钢丝的张力
1.7.2 根据钢丝张力计算钢丝测试实际深度:
由于钢丝发生弹性变形的拉应力较大,实际 工作中我们只要取正常起下时地面钢丝的张力-量 轮的误差值即可。如某井油层中深2350米,绞车 误差3‰,那么测压绞车指深仪表的数据就应是: 2350+2350×3‰=2357米。
量来计算。
tp t △t
1.3井筒对试井钢丝的摩擦力
钢丝与井筒内壁产生的摩擦力大小与井 筒的轨迹有关,垂直井的井筒内壁不应该 对钢丝产生摩擦力,但实际中几乎所有的 井筒在空间方位上均存在一定的位移,是 一条空间状态下的曲线形轨迹(见井筒轨 迹图),有些甚至是空间螺旋曲线状态的, 所以井下的钢丝总有大段长度的紧贴管柱 内壁。
目前国内试井绞车 此计量方式的误差原因主要有 钢丝(电缆)的计量 两个方面: 方法,基本都是钢丝 一是量轮摩擦后周长减小,造成计量
缠绕量轮,通过带动 长度大于钢丝实际长度。
量轮旋转的方法来计 量钢丝(电缆)的长 度。
二是钢丝受大负荷拉应力作用后,丝 径变小,造成计量长度大于钢丝 实际长度。
1.7.1 指深仪表的误差数据必须清楚
1.1绞车和仪器对钢丝(电缆)产生的拉应力
1.1.2 屈服强化阶段: 发生塑性变形,钢丝伸长、直径变细阶段,在测试
工作当中,当钢丝承受大的拉应力以后,钢丝明显伸长, 通过计算比较困难,但通过实际观察数据得到,伸长量 可达2‰以上,这也正是我们正常测试当中经常遇到的 钢丝使用几个月以后直径明显变细了,而且变得越来越 脆了的直接原因。
tp t △t
1.3井筒对试井钢丝的摩擦力
摩擦力的大小与钢丝 的直径、表面粗糙度、氧 化物的物理性质、管柱轨 迹的弯曲度大小有关,若 想通过准确的计算很难实 现,只能通过现场实验得 出。
地面试验的数据表
钢丝直 绳帽拉脱 钢丝拉断 钢丝直 应绳帽拉 应钢丝拉 径mm 脱应力KN 断应力KN
ø 2.4
有关测试方面的力学 分析与应用
一,概 述
力学作为最基础的学科被所有的工程技术领域 广泛的应用,作为采油测试工作者,了解和掌握一 定的力学知识,清楚试井钢丝(电缆)以及测试工 具、仪器在井筒中的受力情况,对提高测试工作精 度,测试深度的校核,减少测试事故,提高测试投 捞成功率和测试掉卡落物的打捞成功率具有可靠的 理论指导意义。
1.1绞车和仪器对钢丝(电缆)产生的拉应力
试井钢丝(电缆)在井 筒的正常起下工程中始终受 到仪器和绞车对其的拉应力, 应力的大小与仪器的重量、 起下速度的快慢和井的深度、 斜度有关。
注水层 注水层 注水层
1.1绞车和仪器对钢丝(电缆)产生的拉应力
钢丝在仪器的拉应力下, 钢丝在井筒内始终能够保持 相对直线状态(只要仪器的 重量大于钢丝自身的弹力), 钢丝所受的拉应力是自下而 上逐渐增加的,增加数量即 是井下钢丝的自身重量(摩 擦力不计)。
2.测试工具、仪器受力分析与应用
测试工具、仪器受力在井筒中的受力的种类主要有井筒 内壁对测试工具、仪器产生的摩擦力、油管接箍对测试工具、 仪器产生的震动力、井筒内的液体对测试工具、仪器产生的 浮力、井筒内的液体对测试工具、仪器产生的粘滞阻力,下 面就测试工具、仪器测试在井下受到的各种力进行逐个的分 析。
1.7试井钢丝深度校核
通过以上对钢丝的受力分析后,钢丝的深度校核,就比较 容易,在正常测试工作中,如分层调配水嘴、分注井分层流 量测试、压力、温度、井下高压物性等等,铰车工往往都是 通过探井底深度或座在各级偏心配水器上以及指深仪表的深 度数据来直接作为测试数据,这种方法误差很大。
1.7.1 指深仪表的误差数据必须清楚
2.1井筒内壁对测试工具、仪器产生的摩擦力
测试工具、仪器与井筒内壁产生的摩擦力大小与井 筒的轨迹有关,从理论上讲,垂直井的井筒内壁不应 该对测试工具、仪器产生摩擦力,但实际中几乎所有 的井筒在空间方位上均存在一定的位移,是一条空间 状态下的曲线形轨迹(见井筒轨迹图)。
2.2油管接箍对测试工具、仪器产生的震动力
1.1绞车和仪器对钢丝(电缆)产生的拉应力
低 碳 钢 材 料 的 拉 伸 试 验 图
1.1绞车和仪器对钢丝(电缆)产生的拉应力
1.1.3 局部变形(断裂)阶段:
当钢丝拉应力达到极限后,钢 丝的薄弱位置或受拉应力最大的位 置某一点,形成缩径,并瞬间从缩 径处断裂,这是测试工作中常遇到 的。
其缩径断裂点一般绞车至测试车 窗口滑轮之间,因为此处受到的拉 应力最大(原因分析)。
1、试井钢丝(电缆)受力分析与应用
试井钢丝(电缆)在测试起下过程当中,受到力的 种类繁多,有井口防喷管堵头密封盘根对钢丝产生的摩 擦力、井口压力对钢丝产生的上顶力、试井钢丝自身的 弹力、井下液体对试井钢丝的浮力,绞车、仪器对其产 生的拉应力等等,下面就试井钢丝(电缆)在测试过程 当中,受到的各种力进行逐个的分析。
1.1绞车和仪器对钢丝(电缆)产生的拉应力
试井钢丝基本上属
于低碳钢,从低碳钢的
注水层
拉伸试验图上可以看出
低碳钢具有4种性质阶段: 注水层
弹性阶段、屈服强化阶
段、局部变形(断裂) 阶段。
注水层
1.1.1弹性阶段钢丝的应力与应变成正比
弹性阶段服从虎克定律:
其弹性伸长量计算公式: △L=NL/EA 式中
拉应力 为零以下 钢丝形状
下全部支撑在管柱内壁上。
1.4试井钢丝的弹力(收缩)
因此得出钢丝在井下的收缩长度与弹力、丝 径、堵头盘根的摩擦力、井口的压力有关,要精 确计算出其收缩量很难实现,实际工作中我们可 以通过井口压力和盘根的摩擦力以及钢丝的直径 与新旧程度来凭经验估算。
1.4试井钢丝的弹力(收缩)
1.4试井钢丝的弹力(收缩)
由于钢丝生产工艺 是在盘圆状态下淬 火的,所以其自身 的螺旋弹力是无法 消除的。
1.4试井钢丝的弹力(收缩)
当测试工具、仪器拉动钢丝 下到井底或支撑在井下工具上 后,钢丝在自身作用下克服堵 头盘根摩擦力、上顶力下行, 其轨迹形态应当是由井口呈垂 直对中向下存在一条直线段。
拉应力 为零以上 钢丝形状
1.4试井钢丝的弹力(收缩)
此段钢丝产生的重力大致
和堵头盘根对钢丝产生的摩擦 拉应力
力、井口压力对钢丝产生的上
为零处钢 丝形状
顶力相等,此段钢丝受拉应力,
拉应力由上而下逐渐减少,至
刚接触油管内壁处的钢丝所受
拉应力为零。
1.4试井钢丝的弹力(收缩)
以下的钢丝呈螺旋状 紧贴油管内壁,其自身重 量在钢丝自身弹力的作用
4
8
ø 2.2 3.5
6.5
tp t △t
1.3井筒对试井钢丝的摩擦力
通过拉伸实验得出。许多井远大于4KN,现场 当中Φ2.4mm钢丝(其极限拉力达8KN以上)却常 常出现从地面被拉断的情况,而低于拉应力一半的 受剪应力的绳帽圆环无法被拉断,足以说明井筒对 钢丝的摩擦力大于4KN。所以针对此类井,测试当 中应采取相应的对策来减小磨檫力个个个个个个个 避免测试掉卡,提高测试成功率。
△L——钢丝变形量 N——应力 L——钢丝长度 E——弹性模量 A——钢丝截面积
1.1.1弹性阶段钢丝的应力与应变成正比
正常情况下,测试遇卡后,钢丝都能从绳帽处拉脱,因为 钢丝绳帽圆环是受的剪应力,其应力一般低于钢丝被拉断时拉 应力的一半左右。之所以出现钢丝从地面拉断的问题,一是因 为定向井斜度大,拐点多,对钢丝产生的摩擦力大(下文专门 介绍),二是因为操作问题造成测试仪器、工具顶钻套住钢丝 造成钢丝的拉应力传不到绳帽圆环处,形不成剪应力。这是测 试工作者必须要随时注意到的。
电缆则不同,由于其自
身弹力不足以将自身的重量
支撑在管柱内壁上,所以电 拉应力
缆螺旋状的螺距由上而下依
为零以下 电缆形状
次缩短,此段钢丝受压应力,
压应力由下而上逐渐减少,
至直线段时的电缆所受拉压
应力均为零。
1.4试井钢丝的弹力(收缩)
上面的直线段电缆受拉 应力,拉应力由下而上逐渐 增大,其长度产生的重力大 致和密封器对其产生的阻力 以及井口压力对其产生的上 顶力相等。其在井下的收缩 量的估算与钢丝相同。
—仪器重量 P——井口压力
摩擦力与密封盘根的材 A——钢丝的截面积 F——仪器
质、井口压力、试井钢 在流体中的浮力 X——压力比值
丝表面的粗慥度有关,
(备注:一般取5N/MPa)
单纯的计算其摩擦力难
从式中可以得到为了正常测试中起下顺
度较大,只有通过能顺 利,我们只能通过仪器佩重、优选密封盘根 利下行时测试仪器的重 材质来达到目的。
上提钢丝,张力逐渐增加, 当张力增至下放前钢丝张力时, 记住此时钢丝计量深度X,那 么X—X×误差率即为配水器 的实际深度数据,通过同样方 法对各级配水器的实际深度进 行校核,得出真实的井下作业 管柱数据。
上提 钢丝时 形状
张力相 等时钢 丝形状
1.7.3利用井下参照物校对深度数据:
总之通过以上受力分析,把各种受力因素考虑全 面,测试深度校核误差应当可以控制在2米以内,对提 高测试资料精度,避免分层测试调配工作中的投捞和分 层流量停测层位错误,具有可靠的理论指导意义。达到 提高分层测试调配工效的目的。
测试工具、仪器在井筒下行过 程中,受自身重力作用,测试工具、 仪器在井筒井筒中都是贴着管壁下 行的,因此测试工具、仪器每过一 个油管接箍,都将发生一次震动, 因此测试工具、仪器在井筒下行过 程当中始终受到震动力的影响,其 大小与井筒的轨迹度数大小和测试 工具、仪器的重量有关,由于比较 复杂,在此不做介绍。
1.6试井钢丝的受力变化情况
在测试当中不同的情况下,钢丝所受的主应力不同: 钢丝正常下井中 仪器对钢丝的拉应力最大;
仪器上起中 铰车对钢丝的拉应力最大;
井下遇卡后
铰车对绳帽的剪应力最大;
1.6试井钢丝的受力变化情况
井筒轨迹复杂
井壁大于绳帽的剪应力后,铰 车对钢丝的拉应力为最大值,大于 钢丝的断裂应力,往往造成钢丝被 从地面拉断。
拉应力 为零处电 缆形状
1.5试井钢丝井下液体中的浮力和重力
钢丝在井筒中的浮力计算,其计算方式: F=πD2Lρ液/4
钢丝的自重计算,其计算方式: G=πD2Lρ/4(ρ-ρ液)
1.6试井钢丝的受力变化情况
由此可见,钢丝的受力情况非常复杂,有仪器、 铰车的拉应力、盘根的摩擦力、液体的上顶力、 管壁的摩擦力、压应力、滑轮的压应力,以及剪 应力等。
1.7.3利用井下参照物校对深度数据:
在测试中,井下可用来参照的参照物有井底、 分层注水(采油)井的配水(产)器,由于井底易沉 淀砂垢等杂质,实际深度不能作为参照深度,分层测 试调配投捞中的配水(产)器作为参照物是可靠的。
1.7.3利用井下参照物校对深度数据:
因为作业管柱深度数据是通过实际丈量出来的, 但不排除有管柱下错的问题,所以我们在测试当中 首先要对作业管柱数据进行校核。其校核方法主要 是通过测试投捞时地面钢丝的张力和绞车的误差率 来校对。
1.7.3利用井下参照物校对 深度数据:
投捞工具下过配水器后, 上提打开投捞器,过配水器 5—10米后,停车下放,下放 前记清楚地面钢丝的张力,投 捞器坐入配水器后,支撑在配 水器中,钢丝收缩产生一定的 收缩量,地面钢丝张力为零。
投捞器 支撑在配 水器上钢 丝的形状
1.7.3利用井下参照物 校对深度数据:
作为测试工作者要想清楚铰车的计量误差,除了要清楚钢 丝的计量原理,还要勤于细心观察和了解钢丝的实际收缩量, 尤其是专业铰车工,对自己操作的铰车的计量误差率必须清楚 (每千米钢丝计量轮的计量误差),做到心中有数,减少测试 误差,避免操作失误。另外我们必须清楚不同的铰车误差率不 同。
1.7.2 根据钢丝张力计算钢丝测试实际深度:
源自文库
1.1绞车和仪器对钢丝(电缆)产生的拉应力
电缆则不同,由于其自身结构原因,其钢 丝受拉应力同时还承受剪应力,计算方法非常 复杂,在此不做介绍。
1.2井口密封盘根对试井钢丝的摩擦力
其计算公式: 试井钢丝在测试起
下过程当中,受到井口 防喷管堵头密封盘根的
M=G+P(A+X)-F 式中: M——盘根摩擦力 G—
tp t △t
1.3井筒对试井钢丝的摩擦力
从宏观上来分析,钢丝和管柱内壁是 线性接触,由于钢与钢的摩擦系数很低, 其摩擦力虽然很难计算,但其摩擦力应当 很小,但实际当中,井筒都附着有结垢物 (氧化物),我们知道氧化物的硬度要远 远低于钢丝,因此钢丝与管柱内壁由线接 触改为面接触,另外其摩擦系数也成几何 级数增加。
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