燕山大学-李子丰-油气井杆管柱力学研究进展与争论-2018

1、目的意义 应油气田开发的迫切需要, 自二十世纪五十年代到九十年代初针 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”、“八五” 和“九五” 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。
空间维数 二 能量法 经典微分方程 纵横弯曲法 差分法 加权余量 有限元法 √ √ √ √ √ √ √ √ √ 三 √ √ √ √ √ √
静动态 静态 动态
大小挠度 小 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 大
五、下部钻具三维力学分析
五、下部钻具三维力学分析
五、下部钻具三维力学分析
（2）防斜工具和方法
4 5 6
动力 导向 导向
大钻压 设计 设计
防斜、纠斜 钻速较慢、 效果好 昂贵 防斜、纠斜 钻速较慢、 效果好 昂贵
五、下部钻具三维力学分析
防斜、降斜原理： ①静力型。靠钻头与地层的相互作用的综合结果。包含地层各 向异性、钻头各向异性、钻压、钻头的侧压力、钻头转角等因素的 影响。 ②动力型。动力型与静力型的不同之处是，在侧向破岩过程中， 利用了动力和非线性破岩特性。
(2)徐深903-平1井压裂管柱力学分析
四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩
（1）如果下入到2950m处，并且摩擦系数为0.4，则整个压裂过程能正常进行。
四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩
（2）如果下入到3960m处，并且摩擦系数为0.4，则下入和起出过程能正 常进行。坐封不能正常进行。当摩擦系数为0.35时，就可以了。
一、研究目的、基本步骤和基本原理
研究步骤：分离、简化、力学模型、数学模型、求解、计算、验证、结论。 基本原理：力学平衡、最小势能和最小耗散功率。 (1) 钻柱的任何一点、任何时刻，都必须满足力学平衡方程。 (2) 若出现多解，先用最小势能原理判断。 (3) 若还存在多解，则用最小耗散功率原理判断。
油气井杆管柱力学
油气井杆管柱力学的研究目的、基本步骤和基本原理 油气井杆管柱的运动状态 油气井杆管柱动力学基本方程
油气井 杆管柱 的稳态 拉力扭 矩
下部钻 具三维 力学分 析
油气井 杆管柱 的稳定 性
钻柱的 振动与 涡动
套管柱 力学分 析
测试管 柱力学 分析
压裂管 柱力学 分析
定向井 有杆泵 抽油系 统诊断 与参数 优选
(1)莺深4井试气管柱力学分析
图1 下管柱到底油管柱受力状态图
图3 开井油管柱受力状态图
图2 封隔器坐封油管柱受力状态图
图4 求产油管柱受力状态图
四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩
图5 关井油管柱受力状态图
图7 封隔器解封油管柱受力状态图
图6 反循环油管柱受力状态图
四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩
[1]李子丰, 王长进, 田伟超, 等. 钻柱力学三原理及定性模拟实验[J]. 石油学报, 2017, 38(2): 227-233. [2] Zifeng Li, Changjin Wang, Weichao Tian, et al. Fundamental principles of drill-string mechanics and their qualitative simulation[J]. Journal of Engineering Mechanics, 2017, 143(7): 04017031.
五、下部钻具三维力学分析
1、目的、意义 （ 1）定量描述下部钻具组合的受力和变形, 算出钻头与地层的 作用力和钻头转角； （2）选择底部钻具组合和钻进参数, 使钻头按设计方向钻进。
五、下部钻具三维力学分析
2、研究现状 （1）研究方法及软件
经典微分方程法 微分方程法 差分法 加权余量法 BHA分析 纵横弯曲法 有限元法 能量法
F+Δ F mΔs Δs M hΔs F r r+Δr
O
M+ΔM R
o
ω O
2
R
i
Ω
O1
r ro O
钻柱微元受力分析
钻柱的运动状态
三、油气井杆管柱动力学基本方程
2、研究现状 假设(1) 杆管柱处于线弹性变形状态;(2) 杆管柱横截面为圆形 或圆环形;（3）略去剪力对杆管柱变形的影响。 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 井杆管柱进行动静力学分析的几何方程、运动平衡方程和本构方程。 由于油气井钻柱动力学基本方程统一了现有一切油气井钻柱力 学分析的微分方程，现有的油气井钻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。 在油气井中，杆管柱动力 学基本方程
[1] 李子丰, 李雪娇, 范英娜, 赵民. 石油钻井工程——石油工业的火车头 和脊梁[J].科技信息, 2009, (36): 30-31.
杆管柱在石油工程中的作用
杆管柱在石油工程中的 作用 支撑油井 从井下向地面传递信息 从地面向井下传递指令 从地面向井下传递能量 和物质,生产油气 起下工具
= 脊柱在人体中的作用
侧面工 作区
底面工 作区
侧向钻速
侧压力
五、下部钻具三维力学分析
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 静力降斜力 动力侧向力 0 0 0 破岩规律 井斜趋势 降斜1 降斜2 降斜3 降斜1 降斜2 降斜3 稳斜 增斜1 增斜2 增斜3 增斜1 增斜2 增斜3 13 最大增斜 9#=12# 9#=12# 8 1 最大降斜 2#=5# 2#=5# 降斜排序 注释
钻柱若存在 弯角则正向 向公转。
二、油气井杆管柱的运动状态
（3）斜井 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： ① 纵向振动减轻； ② 横向振动减轻； ③ 扭转振动减轻； ④ 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。 钻柱绕自身 轴线旋转。
钻柱若存在 弯角则正向 向公转。
四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩
2、研究现状 以油气井杆管柱动力学基本方程为基础,考虑了钻柱的运动状态、 钻井液的结构力、粘滞力, 建立了油气井杆管柱稳态拉力——扭矩模 型，编制了实用的计算机软件,较成功地应用于定向水平井管柱的各种 作业中。
四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩
四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩=ຫໍສະໝຸດ 电磁学中的Maxwell方程
四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩
1、目的意义 拉力和扭矩模型,尤其在地面扭矩、大钩载荷、井底扭矩和钻压的 测量仪器结合使用时, 可达到如下目的: （1）优选井眼轨迹, 使整个杆管柱的摩擦阻力和扭矩损失最小; （2）选择和校核地面设备, 优化杆管柱设计; （3）监测井下问题; （4）指导下套管作业; （5）确定杆管柱与井壁的接触压力, 估计套管的磨损程度和键槽 是否存在; （6）决定是否改变泥浆性能。
二、油气井杆管柱的运动状态
1、目的意义 油气井杆管柱的运动状态，是研究油气井杆管柱力学的基础。 2、研究现状 （1）运动状态 轴向运动：起下钻，纵向振动。 横向运动：横向振动。 自转：绕自身轴线的旋转、扭转振动。 公转（涡动）：正向公转、反向涡动。
F+ΔF mΔs
-M r
hΔs r+Δr
O
二、油气井杆管柱的运动状态
序号 1 2 3 类型 静力 静力 动力 名称 钟摆钻具 降斜钻具组合 弯接头、偏轴 接头、偏重钻 铤等 光钻铤 导向钻井系统 垂直钻井系统 施工参 数 小钻压 设计要 求 正常 优点 防斜、纠斜 效果好 防斜、纠斜 效果较好 防斜、纠斜 效果较好 防斜、纠斜 效果较好 缺点 钻速慢 钻速一般 钻具易疲 劳破坏 钻具易疲 劳破坏
四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩
下放到底时，看一下大钩负荷（注意大钩负荷与指重表读数是有差别的）， 然后在表中“下放大钩负荷”栏中找与现场的最接近的数值，该数值右边的两个 数，就是钻压在3kN-12kN时，大钩负荷的数值范围。 此套工具，在本井内在摩擦系数很小（0.25）时，才能完成任务。摩擦系数 一大，就下不到底。如果施工中存在下入困难，建议在直井段和小斜度段，采取 加重措施。只要下入没问题，起出就没有问题。 在此之前，不知道如何加钻压，不敢加钻压。有了这个计算后，钻桥塞高速 进行，且没有问题。
脊柱在人体中的作用 支撑身体 从身体向大脑传递信息 从大脑向身体传递指令
杆管柱在石油工程中是多么重要啊?！
• 油气井杆管柱指的是什么？ • 这些杆管柱有哪些用途？ • 这些杆管柱能够安全的起下吗？ • 这些杆管柱设计的经济吗？ • 地面设备合适吗？ • 如何控制井眼轨道？ • 如何提高这些杆管柱的使用寿命？ • 如何从地面的测量结果知道井下的工作状态？ ……..
想知道这些, 请
油气井杆管柱力学。 .
（石油学报, 2016, 37(4): 531-556.）
具体内容
• • • • • • • • • • • • • • • • • 油气井杆管柱的运动状态 油气井杆管柱动力学基本方程 油气井杆管柱的稳定性 油气井杆管柱的稳态拉力扭矩 下部钻具三维力学分析 钻柱动力学 套管柱力学分析 测试管柱力学分析 压裂注水注汽管柱力学分析 有杆泵抽油系统诊断和参数优选与节能 采气管柱的振动 管柱的冲击震动 膨胀筛(套)管力学分析 隔水管柱力学分析 振动波信号在管柱中的传播 管柱的磨损和腐蚀与冲蚀 管柱的剩余强度和疲劳强度预测
四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩
（4）钻柱力学分析 大钩负荷与所钻井深的关系
上提
下放 钻柱受力与测深的关系
旋转
上提
下放