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。

二、建立了斜直井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型，指出了“虚构力”理论的错误

石油工程中的钻柱、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，发生正弦或螺旋屈曲。屈曲后，杆管柱内的应力急剧增加，与井壁的摩擦阻力增加，会发生自锁现象，严重时可发生强度破坏。

李子丰教授从油气井杆管柱动力学基本方程出发，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,给出了螺旋屈曲管柱的力学分析方法。

通过对内外压力对管柱稳定性的影响研究发现，(1)传统的油井管柱稳定拉力或虚构拉力的计算公式是错误的；(2)内外压力对悬挂油井管柱的稳定性没有影响；(3)内外压力本身对两端固定的油井管柱的稳定性没有影响，两端固定后，内外压力的变化对油井管柱的稳定性有影响；封固后管柱的等效轴向力与封固时管柱的轴向力、材料泊松比、内压变化量、外压变化量和内外管截面积有关；(4)对于两端固定的油井管柱，内压增加降低管柱的稳定性，外压增加提高管柱的稳定性。

三、建立了油气井杆管柱的稳态拉力——扭矩模型

在油井作业中, 由杆管柱和井壁接触所产生的轴向阻力和扭矩损失对钻采作业有很大的影响, 甚至成为作业成败的关键。先进的拉力和扭矩模型, 尤其在与先进的地面扭矩、大钩载荷、井底扭矩和钻压的测量仪器结合使用时可以实现如下目的: (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; (7) 根据地面悬重计算钻头实际钻压。

李子丰教授依据油气井杆管柱动力学基本方程, 建立了定向井、水平井杆管柱稳态拉力—扭矩模型，并在下列领域得到了成功的应用：（1）钻柱强度分析和优选；（2）井下作业管柱力学分析；（3）井下岩屑床和其它复杂情况监测；（4）优选井眼轨道；（5）钻柱和套管减磨设计等。

四、建立了试油管柱力学分析的数学模型

地层测试是油气田勘探和开发的重要过程。在地层测试过程中，测试管柱在多种载荷的作用下，形成复杂的应力和应变，有时会引起管柱的屈服破坏、断脱破坏或发生永久性的螺旋屈曲，造成较大的经济损失。

李子丰教授根据地层测试作业过程，考虑井眼轨道、测试管柱的组成、井内流体的性能、管柱内外压强、管柱与井壁的摩擦系数、地温梯度、空气温度、油管温度、测试阀的类型、封隔器的类型、封隔器的活塞效应、管柱螺旋失稳效应等参数，建立了测试管柱在整个作业阶段的力学分析的数学模型，并用差分法求解，给出沿整个管柱的拉力、扭矩、应力、安全系数、稳定性、伸长等参数，并在西北油田、大庆油田等得到了成功的应用。

五、建立了压裂管柱力学分析的数学模型

油层压裂是重要的增产措施。压裂管柱在管内外压力、轴向力、弯矩、扭矩、温度等因素的作用下，有时会引起屈服、断脱破坏或发生永久性的螺旋屈曲，造成较大的经济损失。

李子丰教授针对不同的压裂方法，分别建立了下入过程、坐封过程、注入过程、解封和起出过程中管柱力学分析的数学模型，给出了强度校核方法，并在西北油田、大庆油田等得到了成功的应用。

六、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

在油田采油的人工举升方式中, 有杆泵抽油系统的效益最高、最可靠、适应性最强、应用最广泛。准确地了解有杆泵抽油系统运行时的各项动态参数对于防止各种机械事故、优选抽油设备和抽吸参数以及其它各种工艺措施是十分必要的。由于对抽油系统的动态力学参数了解不足，使得抽油过程中经常发生问题。因此，研究有杆泵抽油系统动态参数分析方法即诊断技术和预测技术具有非常重要的意义。

李子丰教授从油气井杆管柱动力学基本方程出发，已经分别建立了有杆泵抽油系统井下动态参数诊断和预测的数学模型；其中斜直井有杆泵抽油系统诊断技术已获得了较成功的应用。

七、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

在钻井过程中，由于钻头牙齿间断地与地层接触或岩石的间歇破碎，导致钻头并带动钻柱振动。钻柱振动按形式分为纵向振动、扭转振动和横向振动三类。产生振动的原因，一是钻头间歇破碎岩石所产生的轴向交变力和位移，二是钻柱绕井眼中心的涡动。当钻头振动的频率为钻柱固有频率的整数倍时，钻柱将处于共振状态。钻柱内的交变应力和振幅相当大，导致钻柱断裂或粘扣。研究钻柱的纵向振动对设计钻柱、设计减振器和选择合适的转速有重要的指导意义。