【正文】 測試管柱分析 測試管柱分析 目的意義： 對深井和高溫高壓井測試時，為了對整個測試過程實現(xiàn)安全、可控的目的，必須對地下測試管柱進(jìn)行安全分析。 與地面管匯不同的是，從管柱下入井中開始，管柱的受力與變形情況就不可能進(jìn)行實時觀測，因而只能通過井口壓力、 測試管柱分析 溫度、流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行反算。對于高溫高 壓井測試，一旦反算不準(zhǔn)確，極有可能發(fā) 生管串強(qiáng)度破壞、變形過量以及水化物生 成導(dǎo)致管道堵塞等意外事故，造成巨大的 經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。 測試管柱分析 示例： 1. 塔里木柯深 1井： 超深井，井深達(dá) 7000米，生產(chǎn)壓差大，由于對生產(chǎn)壓差未能進(jìn)行合理的控制，井底出砂非常嚴(yán)重，最終導(dǎo)致井壁跨 塌，估計損失在 1億元以上。 測試管柱分析 2. 川西北龍四井： 由于該井產(chǎn)量不合理，導(dǎo)致出砂非常嚴(yán)重，井壁跨塌，油套管變形，從而使測試不能成功。 測試管柱分析 3. 有些井在鉆井和測試的過程中，均有油氣顯示，在生成時卻沒有油氣產(chǎn)出，出現(xiàn)這種情況可能的原因有： (1)出砂 (2)井壁跨塌 (3)裂縫發(fā)生塑性閉合 測試管柱分析 (4)套管發(fā)生嚴(yán)重變形 (掏空深度過大 ) (5)油管發(fā)生嚴(yán)重變形 (液墊深度過小 ) (6)水化物生成堵塞管道 而以上這六種事故的引起與油套管的 強(qiáng)度，油管的內(nèi)外壓力，生成壓差，產(chǎn)量 等有著密切的關(guān)系。 測試管柱分析 為了保證測試的安全性，在測試前，必須 對測試管柱進(jìn)行強(qiáng)度校核和變形分析，得 出整個系統(tǒng)的綜合安全系數(shù)，從而可以更 好的指導(dǎo)我們進(jìn)行測試作業(yè)，確保整個測 試過程的安全性。 測試管柱力學(xué)分析 引言 垂直井眼中管柱的穩(wěn)定性和螺旋彎曲分析 測試管柱靜力學(xué)分析 測試管柱動力學(xué)分析 引 言 油井管柱是油井試油作業(yè)的主要承載和動力 傳遞構(gòu)件。在作業(yè)或生產(chǎn)過程中，管柱要承受內(nèi) 壓、外壓、井底鉆壓、自重、粘滯摩阻、庫侖摩 擦力、井壁支反力、活塞力等多種外載的聯(lián)合作 用。在這些外力的聯(lián)合作用下，管柱有可能發(fā)生 正弦或螺旋失穩(wěn)彎曲；并進(jìn)而使管柱與井壁之間 的法向正壓力以及庫侖摩擦力急劇增加，嚴(yán)重時 可能發(fā)生自鎖。特別是在水平井、定向井中， 摩 引 言 擦力的存在降低了鉆壓的傳遞效率，造成位移滯 后；從而給封隔器坐封以及井下開關(guān)工具及時動 作造成了不利影響。井眼彎曲以及管柱失穩(wěn)彎曲 產(chǎn)生的附加彎曲應(yīng)力，降低了管柱的安全系數(shù)。 特別是當(dāng)內(nèi)、外壓差較大時，三軸應(yīng)力 (軸向、 徑向、環(huán)向 )共同作用容易導(dǎo)致管柱的破裂、擠 扁或永久性螺旋彎曲。 引 言 鼓脹效應(yīng)、溫度效應(yīng)、螺旋彎曲效應(yīng)、軸力效應(yīng) (包括活塞效應(yīng)和摩阻效應(yīng) )等所產(chǎn)生的管柱軸向 位移可能造成封隔器脫封或插管脫出密封筒。 由于鼓脹效應(yīng)、溫度效應(yīng)分析都屬于經(jīng)典 線彈性力學(xué)問題，已有完善的理論。但穩(wěn)定性和 螺旋彎曲分析、摩阻分析則屬于非線彈性力學(xué)問 題，目前尚未形成完善的分析方法，也是目前管 柱力學(xué)研究的重點。 穩(wěn)定性和螺旋彎曲分析 研究成果 管柱的螺旋彎曲分析 研究成果 Lubinski螺旋彎曲理論 Hammerlindl組合管柱彎曲理論 Lubinski螺旋彎曲理論 在 50年代初， Lubinski首先研究了鉆 柱在垂直井眼中的穩(wěn)定性，導(dǎo)出了鉆柱在 垂直平面內(nèi)的彎曲方程： 033??? cdxdyxdxydLubinski螺旋彎曲理論 同時也給出了該方程的級數(shù)解，并利 用邊界條件給出了鉆柱在垂直平面內(nèi)的發(fā) 生失穩(wěn)彎曲的臨界載荷計算公式： qqEIkF cr ???? 31)(Lubinski螺旋彎曲理論 到 50年代未， Lubinski等人對抽油井 中油管及抽油桿柱的螺旋彎曲進(jìn)行了研究。 在這篇文獻(xiàn)中 Lubinski首次闡述了油管在 內(nèi)壓作用下發(fā)生失穩(wěn)彎曲的現(xiàn)象，提出了 油管在井眼中發(fā)生螺旋彎曲的概念和內(nèi)壓 引起管柱失穩(wěn)的“ 虛構(gòu)力 ”的概念。 Lubinski螺旋彎曲理論 1962年， Lubinski等人又對帶封隔器管柱的 螺旋彎曲進(jìn)行了研究。在這篇文獻(xiàn)中，他們討論 了鼓脹效應(yīng)、效塞效應(yīng)、溫度效應(yīng)和螺旋彎曲效 應(yīng)等四種基本效應(yīng)所引起管柱軸向位移的計算問 題。這些研究奠定了垂直井封隔器管柱力學(xué)研究 的基礎(chǔ)。所得到的有關(guān)結(jié)果也是封隔管柱設(shè)計和 作業(yè)參數(shù)選擇的理論依據(jù)，對指導(dǎo)井下作業(yè)有著 非常重要的實際意義。 Hammerlindl組合管柱彎曲理論 70年代末到 80年代初， Hammerlindl在 Lubinski螺旋彎曲理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討 論了帶封隔器多級組合管柱的受力、應(yīng)力和 位移的計算問題：討論了作用于管柱上的液 壓力的作用效應(yīng)和“中性點”的計算問題；研 究了多封隔器管柱及其中間封隔器的受力計 算問題。這些研究進(jìn)一步擴(kuò)大了 Lubinski理 論的適用條件和應(yīng)用范圍。 管柱的螺旋彎曲分析 實 驗 架 示 意 圖 管柱的螺旋彎曲分析 線彈性變形階段 AB段為變形發(fā)展階段，即線彈性變形 階段，變形服從虎克定律，軸向力與軸向 變形基本呈正比，管柱沒有屈曲變形。 平面屈曲階段 在 BC段管柱軸向力達(dá)到屈曲值， 整段管柱發(fā)生屈曲，即平面屈曲階段，軸向力基 本不變，但軸向變形大幅度發(fā)展。當(dāng)變形達(dá)到 C 點后，管柱平面屈曲不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)為空間變形，即 螺旋屈曲，在轉(zhuǎn)變時軸向載荷浮動，出現(xiàn)谷值 D 點（此時，管柱開始與井壁接觸，摩擦力造成載 荷浮動，能量的釋放）。谷值 D點是變形由平面 屈曲到螺旋屈曲轉(zhuǎn)變的標(biāo)志。 螺旋屈曲階段 由于管柱較長， D點之后管柱出現(xiàn)螺 旋狀變形。此后相當(dāng)長一段時間，空間螺 旋處于發(fā)展階段，軸向力與變形基本呈正 比（相當(dāng)于一彈簧），直到 E點。在 E點附 近，摩擦力的影響又開始顯現(xiàn)，從而影響 了變形的進(jìn)一步發(fā)展，造成載荷浮動。 螺旋屈曲階段 從 E點到 O點，盡管軸向力上下 浮動較大，但是平均值卻變化不大。在這段，軸 向力反復(fù)出現(xiàn)峰值和谷值，反映了變形對軸向力 的影響。 DE、 GH、 JK、 N0段是能量積累階段， 軸向力與變形近似呈正比。 EFG、 HIJ、 KLMN 段是釋放能量階段，能量釋放（摩擦釋熱），管 柱縮短（熱脹冷縮），使變形向縱深發(fā)展階段， 由于受到摩阻影響，中途出現(xiàn)臺階?？梢韵胂螅? 如果沒有摩擦力影響， E0段將是比較平滑的。 螺旋屈曲階段 加載到 0點后，開始卸載，直到 Z點卸載結(jié)束。圖中從 P點到 Z點，軸向力的變化 趨勢基本為一直線，但是載荷同樣出現(xiàn)浮動現(xiàn)象。 值得注意的是，卸載段的峰谷值點與加載段的峰 谷值點相對應(yīng)， Q點對 N點， R點對 M點， S點對 L點， T點對 K點， U點對 J點， V點對 H點， W點 對 G點， X點對 E點。這反應(yīng)了管柱變形的形成與 恢復(fù)時軸向力的對應(yīng)關(guān)系，同時也證明了數(shù)據(jù)的 可靠性。 變形與摩阻的關(guān)系 在加載和卸載過程中，摩阻的影響是使軸向 力上下浮動。通過對比加載和卸載過程，可以更 清楚地看到摩擦效應(yīng)。如果沒有摩擦，加、卸載 過程的軸向力應(yīng)該基本重合，但是圖中的軸向力 卻相差懸殊。這種差別主要表現(xiàn)在螺旋屈曲階段， 在平面屈曲段，影響很小，主要是因為平面屈曲 時管柱與井壁的接觸力比較小，而在螺旋屈曲段， 管柱與井壁的接觸力比較大。 加載時軸向力分析 下圖中給出了加載過程中的底端和頂 端軸向力，其中上面的曲線為底端軸向力， 下面的曲線為頂端軸向力，為了分析方便， 把加載段用幾條豎線分開，分別標(biāo)為 A、 B、 C、 D區(qū)。 加載時軸向力分析 加載時軸向力分析