【正文】 強(qiáng)度（若所算的管柱接箍強(qiáng)度低于管體強(qiáng)度，則只需要校核絲扣連接屈服強(qiáng)度，若管柱的接箍強(qiáng)度高于管體強(qiáng)度則需要校核管體強(qiáng)度）；（4）彎曲載荷失效強(qiáng)度，對于本文設(shè)計(jì)的垂直井不需要此種校核，對水平彎曲井眼的管柱要校核彎曲載荷失效強(qiáng)度。（2）在油氣井任意位置任意截面油管柱所受到的內(nèi)外壓和各種載荷應(yīng)力都要小于規(guī)定的安全系數(shù)，滿足整個(gè)施工過程中的安全要求。對于封隔器允許管柱部分移動的管柱，四大基本效應(yīng)產(chǎn)生形變量將會被伸縮節(jié)的伸長或縮短抵消。（2）活塞效應(yīng)變形： （254）式中— 活塞效應(yīng)力形變量，m；— 活塞效應(yīng)力，N；— 油管長度，m；— 楊氏模量，Pa；— 油管壁橫截面積，m2；（3）溫度效應(yīng)變形：井筒中體溫度分布用Ramey模型： （255）溫度效應(yīng)形變量： （256）式中 — 溫度效應(yīng)形變量，m；— 線膨脹系數(shù)，1 /℃，105 /℃；— 流體溫度梯度，℃/m；（4）膨脹效應(yīng)變形： （257）式中— 膨徑效應(yīng)力形變量，m；— 材料的泊松比（對于鋼，=）； — 管內(nèi)流體密度變化量，kg/m3； —管外流體密度變化量，kg/m3；— 油管外內(nèi)徑之比；— 單位長度流動壓力降，假定是常數(shù)，當(dāng)向下流動時(shí)，向下流取正，不流動，=0； — 井口處油壓的變化，Pa； — 井口處套壓的變化，Pa也稱之為密度效應(yīng)，也稱之為地面壓力效應(yīng)。計(jì)算軸向力、套管支承力反力；彎矩時(shí)，坐標(biāo)原點(diǎn)取在井底，向上方向?yàn)檩S[18]（1）浮重引起的軸向力： （240）（2）活塞力： （241）式中—油管內(nèi)截面積，；—油管外截面積，； —封隔器密封腔橫截面積，；—油管內(nèi)壓變化值，；—油管外壓變化值。管柱在溫度變化的情況下要產(chǎn)生形變量，若限制管柱長度，將會有一個(gè)額外的軸向載荷作用在油管柱上，該現(xiàn)象被稱為溫度效應(yīng)。這種狀態(tài)為鼓脹效應(yīng)。反鼓脹效應(yīng)使油管柱有所伸長。中和點(diǎn)的計(jì)算公式如下[15]： （226）式中—封隔器處管柱所受的軸向壓力，；忽略油管柱與套管壁及流體的摩擦阻力，計(jì)算中和點(diǎn)高度的公式 : （227） a b圖27 鼓脹效應(yīng)[7]當(dāng)管柱內(nèi)的壓力 時(shí)，管柱直徑有所增大的現(xiàn)象稱為鼓脹效應(yīng)（如圖27a）。計(jì)算最大有效坐封載荷的公式為： （216）式中—封隔器的有效坐封載荷，；—封隔器最大的有效坐封載荷，；在淺井內(nèi)，對于支撐式或卡瓦式封隔器，套管內(nèi)油管柱的自重不足以壓縮封隔器的膠筒形成密封，因此就要在井口額外施加一外力來壓縮油管形成密封。摩擦力隨著、油管剛度的減小而增大?；钊?yīng)作用力的計(jì)算公式為： （27） （28）活塞效應(yīng)所引起油管形變計(jì)算公式為 （29）式中—活塞效應(yīng)產(chǎn)生的軸向載荷，；—套管內(nèi)經(jīng)面積，；—油管內(nèi)徑面積，；—油管外徑面積，；—套管內(nèi)直徑，； —油管內(nèi)直徑，； —油管外直徑，； —封隔器上部環(huán)空壓力，； —封隔器下部壓力。圖23 油管帶有定位銷（3）油管上存在伸縮短節(jié)（如圖24），伸縮節(jié)的作用是下方管柱前，伸縮節(jié)保持初始未伸縮狀態(tài)，當(dāng)溫度壓力變化使管柱產(chǎn)生形變時(shí)，伸縮節(jié)就會中和掉管柱的變形量。（2）卡瓦式：施工過程中上提管柱，管柱下部不受力而處于自由懸吊狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)管柱，管柱下部仍然不受力。凸耳到達(dá)長槽后，施加壓縮載荷會使下心軸往下移動，卡瓦椎體往下移動就會把卡瓦張開，卡瓦上的合金塊的棱角嵌入套管壁，然后膠筒受壓膨脹，直到兩個(gè)膠筒都緊貼在套管壁上，形成密封。如果要解封的話，只需將施加在封隔器上的軸向力解除，讓管柱回到自由伸長狀態(tài)即可。將計(jì)算公式編制程序，程序代碼見附錄A，其基本思路是將井深平均分成N段，采用壓力迭代的方法逐段求取。⑤ 計(jì)算對應(yīng)于的壓力增量。（2）按深度增量迭代的步驟① 以井口或井底壓力作為已知起點(diǎn)，選取合適的深度間隔（可將等分成段）。③ 計(jì)算該段的壓力梯度?！嘞嗷旌衔锏牧魉伲?；—流動流體的摩擦阻力系數(shù)； —管徑，；—壓力，；—深度，；—重力加速度，；—井斜角的余角。、壓力預(yù)測模型根據(jù)油井流入動態(tài)曲線（IPR曲線）可知任意配產(chǎn)下的井底流壓，以井底為原點(diǎn)，向上進(jìn)行多相管流計(jì)算，就可計(jì)算整個(gè)井筒的壓力溫度分布。第二章 深井油井管柱力學(xué)分析進(jìn)行深井管柱力學(xué)研究，主要目的是計(jì)算管柱在不同井況和條件下的載荷、應(yīng)力和應(yīng)變。（3）研究深井管柱中溫度場和壓力場分布，分析溫度、壓力變化引起的活塞效應(yīng)、螺旋彎曲效應(yīng)、鼓脹效應(yīng)和溫度效應(yīng)對井下測試管柱受力和變形的影響。給出用第四強(qiáng)度理論校核危險(xiǎn)截面點(diǎn)的方法。（2）建立井筒溫度場、壓力場預(yù)測模型。盡管有這樣的限制，普遍認(rèn)為鉆柱力學(xué)分析最要效的方法這種方法還是有限元法，有限元法會逐步取代其他求解方法。國內(nèi)學(xué)者對于管柱力學(xué)的研究普遍采用這種方法。差分系數(shù)是變化的，就要考慮非線性的影響，通過減小差分區(qū)間就可以比較容易的考慮到井眼的約束，但要想得到精確的解，必須讓差分區(qū)間足夠小，這會造成矩陣維數(shù)的增加，大大降低了計(jì)算速度。逆解法微分方程另一種解法是逆解法，該方法在建立鉆柱線彈性微分方程后，采用遞推的方法，構(gòu)造一個(gè)含多個(gè)未知數(shù)的解。（1）經(jīng)典微分方程法鉆柱力學(xué)中最早使用的方法就是經(jīng)典微分方程法，該方法以經(jīng)典材料力學(xué)為基本前提， 建立鉆柱線彈性的經(jīng)典微分方程并求解。組合鉆柱理論主要研究井下鉆具組合，確定各穩(wěn)定器在鉆鋌上的位置，同時(shí)也對底部鉆具組合進(jìn)行受力和變形分析，求得鉆頭上的側(cè)向受力，以達(dá)到控制井斜的目的。該點(diǎn)稱為上切點(diǎn)，上切點(diǎn)線面的鉆柱將貼在井壁上，不施加鉆壓時(shí)，鉆頭的側(cè)向力來源于上切點(diǎn)和鉆頭之間那段鉆鋌的重量的橫向分量，這個(gè)力也就是鐘擺力會使井眼趨于垂直，當(dāng)施加上鉆壓以后，就會在鉆頭上產(chǎn)生另一個(gè)側(cè)向分量，該力會使井眼偏離垂直方向。先后提出了“二次彎曲理論”、“鐘擺理論”、“三維理論”，在這些理論中,研究人員提出了許多求解方法，這些方法根據(jù)問題方程的建立和求解過程可以粗略地分為微分方程法和變分近似法兩種,前者可細(xì)分為經(jīng)典微分方程法、有限差分法、逆解法和縱橫彎曲連續(xù)梁法,后者可細(xì)分為能量法和有限元法[8]。（4）對于自由懸吊的管柱，中性點(diǎn)會在管柱的下方。（3）管內(nèi)外同時(shí)施加地面壓力，軸向力沒有改變而增加了一個(gè)舉升力，減小了大鉤負(fù)荷。阿德諾埃認(rèn)為材料受到的總應(yīng)力包括靜水壓力和變形應(yīng)力兩部分。并且進(jìn)一步給出了浮力系數(shù)的計(jì)算公式。論文給出了四個(gè)方面的計(jì)算：（1）鉆柱斷面上的三軸應(yīng)力計(jì)算；（2）三軸應(yīng)力下的屈服條件；（3）鉆柱有效軸向力和真實(shí)軸向的計(jì)算方法。帕提羅進(jìn)一步研究了鉆鋌和鉆柱組成的復(fù)合管柱，當(dāng)中性點(diǎn)處于鉆桿上時(shí)，關(guān)于中性點(diǎn)的給出的定義依然正確。論文主要糾正中性點(diǎn)定義和介紹中性點(diǎn)的計(jì)算方法。1978年肯戴爾發(fā)表了《浮力怎樣影響鉆柱性能》，論文的亮點(diǎn)就是使用了真實(shí)軸向力和有效軸向力的術(shù)語。文中給出力穩(wěn)定力的概念：周向力和徑向力的平均值稱為“穩(wěn)定力”，并給出了計(jì)算穩(wěn)定力的公式。文中漢默林陡再次支持并證明了浮力等于排開液體的重量，對于垂直且內(nèi)外直徑不變的管子，浮力的大小等于作用在管子末端的集中力；論文中中性點(diǎn)位置的通用計(jì)算公式是漢默林陡重要的貢獻(xiàn)。同時(shí)漢默林陡很肯定的指出，無論桿管柱的狀態(tài)如何，桿管柱所受的浮力的大小是一樣的，只不過是浮力的作用點(diǎn)不同而已，流體靜液壓力的方向垂直于物體表面。管柱失去穩(wěn)定性就會處于屈曲狀態(tài)，可林肯伯格認(rèn)為中性點(diǎn)應(yīng)是可能發(fā)生屈曲和不可能發(fā)生屈曲的過渡點(diǎn)。魯賓斯基所提出的塑性圓理論優(yōu)于橢圓理論，主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)：（1）當(dāng)套管柱位于屈服破壞區(qū)時(shí)，塑性橢圓與塑性圓是完全等效的，但塑性圓理論圓所涉及的表達(dá)和計(jì)算要簡單；（2）當(dāng)管柱內(nèi)壓不為零時(shí)，外壓可以直接由有效外壓代替；（3）當(dāng)套管在擠毀破壞區(qū)時(shí)，塑性圓比塑性橢圓更接近于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所得到的計(jì)算結(jié)果比塑性橢圓準(zhǔn)確度更高。即后來啟尼斯和高斯所定義的穩(wěn)定力。穩(wěn)定載荷就是管子任意位置處這樣兩種橫向力之差或者是使管柱不發(fā)生橫向位移的最小軸向載荷。魯賓斯基還指出虛力只受封隔器的內(nèi)徑影響，與油管柱的內(nèi)徑無關(guān)。1962年魯賓斯基發(fā)表了《密封于封隔器中的油管柱的螺旋彎曲》，該文所研究的核心問題是帶有封隔器的管柱在溫度壓力變化的情況下，桿管柱發(fā)生螺旋彎曲的條件以及防止管柱發(fā)生螺旋彎曲的措施和螺旋彎曲所帶來的管柱長度變化問題。關(guān)于油管柱和鉆柱中性點(diǎn)的定義，看似矛盾，但實(shí)際上有很大差別。此外，魯賓斯基還定義了油管柱中性點(diǎn)的概念，油管中性點(diǎn)是指該點(diǎn)以下油管柱受壓則處于屈曲狀態(tài)，該點(diǎn)以上的油管柱由于受拉則基本上處于伸直狀態(tài)。文中魯賓斯基首次提到“虛力”的概念。魯賓斯基對于頂部屈曲的問題也做了一定的工作，指出一定條件下管柱上段彎曲而下段處于伸直狀態(tài)。讓兩端固定管柱承受一定的拉力可有效避免管柱屈曲。1951年魯賓斯基發(fā)表了《拉壓對油井管柱的穩(wěn)定和屈曲的影響》。②相對于靜液壓力的軸向力。文中可林肯伯格反對豪金斯和拉芒特關(guān)于“靜水壓力引起的軸向壓縮將導(dǎo)致屈曲”的論點(diǎn)。靜液壓力系統(tǒng)包括管柱和環(huán)空，管柱下端封閉使管內(nèi)外壓力隔離，動力系統(tǒng)的壓力、管內(nèi)壓力以及環(huán)空壓力隨井深的增加而增加，但幅度較小。該定義一直延用至今。雖然液體浮力向上使底部管柱受壓，但整個(gè)管柱的重力是向下且大于浮力。（2）井深越深，作用在桿柱底面的液柱壓力就越大，中性應(yīng)力面上移，使更長段的桿柱處于受壓狀態(tài)，受壓段越長，下部管柱越容易失穩(wěn)發(fā)生屈曲，縮短管柱的使用壽命。漢陡門還給出了靜液壓力作用下管柱不可能發(fā)生屈曲的三種情況：液壓力是均勻的沒有梯度差異；簡支梁的滑動端處在壓力較低的一端；壓力小于臨界壓力。井下管柱包括鉆套管柱、鉆柱、抽油桿桿柱、測試管柱、連續(xù)油管等[4]，主要由光管柱和各種工具、閥件及接頭組成，井下管柱位于套管內(nèi)，主要承受自重、管外流體壓力、管內(nèi)流體流動時(shí)的粘滯摩阻、管內(nèi)流體壓力、管柱彎曲后與井壁之間的支反力、彎曲彎矩、摩擦力[5]。（3）井筒內(nèi)彎曲段的管柱在高速流體的沖擊下會發(fā)生較大的震動和沖擊，會縮短管柱和封隔器的使用壽命，發(fā)生安全隱患。（2）多項(xiàng)聯(lián)作，射孔、酸化、抽汲、氣舉、測試中的兩種或兩種以上聯(lián)作。深井生產(chǎn)作業(yè)管柱力學(xué)研究畢業(yè)論文 目錄第一章 前言 1 1 2 9 9 10 12： 12 13第二章 深井油井管柱力學(xué)分析 1壓力預(yù)測模型 14 14 1壓力預(yù)測模型程序編制（附錄A） 18 19 22 23 27 29 31 35第三章 深井油井管柱安全校核 41 41 41 42 44 絲扣連接屈服強(qiáng)度校核 44 45 46第四章 實(shí)例計(jì)算 50 常用油管技術(shù)參數(shù) 50 5溫度分布（為一段） 54 56 60 61 62第五章 結(jié)論 65參考文獻(xiàn) 66致謝 68附錄 69 頁第一章 前言隨著石油勘探開發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，鉆井深度越來越深，環(huán)境也越來越惡劣。具體如下[2]：（1）高溫高壓，井底溫度普遍超過130℃，壓力超過70Mpa。 （2）井底壓力高，以不同產(chǎn)量生產(chǎn)，所得到的井筒壓力分布也發(fā)生較大的變化，產(chǎn)量變化，混合流體密度以及壓力梯度都會發(fā)生變化，井筒壓力屬非線性分布。深度也大，敏感性也就越大。1946年,漢陡門發(fā)表了著名的《靜液壓力下的桿柱屈曲》，他在本文中給出了存在靜液壓力時(shí)管柱發(fā)生屈曲的臨界條件，同時(shí)給出了靜液壓力作用下桿柱屈曲的臨界條件，該成果具有很大的影響?？蓺w納為：（1）在桿柱重力、靜液壓力、鉆壓共同作用下，鉆柱上存在一個(gè)中和點(diǎn)，該點(diǎn)以上鉆柱受拉力處于拉伸狀態(tài)，該點(diǎn)以下鉆柱受壓力處于壓縮狀態(tài)。他提出通過增加鉆鋌數(shù)量來防止管柱屈曲與深度無關(guān)，只要所用鉆鋌的總浮重大于鉆壓就不會發(fā)生管柱屈曲。1950年魯賓斯基發(fā)表了《旋轉(zhuǎn)鉆柱屈曲的研究》，重新定義了中性點(diǎn)：中性點(diǎn)將鉆柱分成兩部分，下部鉆柱浮重等于鉆壓，上部鉆柱浮重等于鉆重。魯賓斯基還研究了流動壓力的影響，在鉆井液循環(huán)條件下，除了靜液壓力外，還有循環(huán)流動壓力。在魯賓斯基已給出中性點(diǎn)定義的基礎(chǔ)上，可林肯伯格進(jìn)一步給出了真空、空氣、液體三種環(huán)境下中性點(diǎn)的變化。文中可林肯伯格開創(chuàng)性的提出了兩種軸向力：①物理意義上的軸向力，是根據(jù)壓力傳遞進(jìn)行計(jì)算的軸向力，可林肯伯格稱為軸向力的絕對值。烏茲模型是油氣井管柱力學(xué)中公認(rèn)的經(jīng)典模型。（2）管內(nèi)液柱壓力使管柱趨向屈曲。（5）通過增加管內(nèi)液柱壓力可有效增加管柱軸向力，進(jìn)而避免管柱屈曲。1957年魯賓斯基發(fā)表了《抽油井油管的屈曲—它的作用及其控制方法》。它的作用會使管柱發(fā)生屈曲。這是因?yàn)楫?dāng)鉆壓未達(dá)到鉆鋌發(fā)生屈曲的臨界壓力時(shí)，中性點(diǎn)以下那段鉆鋌是不會發(fā)生屈曲的。鉆壓是不能施加在油管上的，因此油管和鉆柱中性點(diǎn)定義是不同的兩個(gè)概念。運(yùn)用該項(xiàng)研究成果就可以計(jì)算油管柱的縮短量，采取相應(yīng)的措施即合理設(shè)計(jì)封隔器的長度，就可避免管柱從封隔器內(nèi)滑脫出來。為了更好的定義穩(wěn)定載荷，啟尼斯借用了兩種橫向力的概念：一種是在管子端部不受液壓作用時(shí)，液柱壓力管柱內(nèi)壁產(chǎn)生的橫向力使管柱發(fā)生彎曲；另一種是在管子端部不受液壓作用時(shí)，液壓在管柱內(nèi)壁產(chǎn)生的橫向力使管柱屈曲。中性軸應(yīng)力與之前提到的虛力實(shí)際上是同一概念。即有效軸向應(yīng)力。漢默林陡首次給出了平衡的概念，指出物理上存在穩(wěn)定、中穩(wěn)定和不穩(wěn)定三種穩(wěn)定形式，其中穩(wěn)定對應(yīng)系統(tǒng)的