【正文】 （ N/m） ： 為油管內(nèi)流體密度 （ Kg/m3） ： 為油管內(nèi)圓面積 （ m2） ： 為油管外流體密度 （ Kg/m3） ： 為油管外圓面積（ m2） ooiie gAgAqq ?? ???qi?iAo?oA抗內(nèi)壓強(qiáng)度校核 抗內(nèi)壓安全系數(shù)計(jì)算 ：抗內(nèi)壓安全系數(shù) ：抗內(nèi)壓強(qiáng)度 （ Pa） ： 油管內(nèi)外流體壓力（ Pa） )( oirir p i ppM a xPK??rpiKriPoi pp 、? ?oi pp ?油管內(nèi)外流體壓力計(jì)算 根據(jù)流體力學(xué)的有關(guān)理論，可得管內(nèi) 流體的壓力梯度為： ：管內(nèi)流體的密度 ； (kg／ m3) ：管內(nèi)流體的平均流速； ： 管柱內(nèi)半徑 ； (m) ：無因次粘滯摩阻系數(shù)，與流體的流態(tài)及雷諾數(shù)有關(guān)。 具有塑性變形的管柱，在加卸載過程中，屈曲臨界值的概念已經(jīng)沒有什么意義。在卸載時(shí)，會(huì)遇到同樣的問題。 管柱的螺旋彎曲分析結(jié)論 摩阻的存在改變了管柱的受力狀態(tài)和變形方式。 發(fā)生螺旋屈曲后，再增加軸向力，螺旋螺距變化不大，只有管柱與井壁的接觸力增加。 管柱的螺旋彎曲分析結(jié)論 在直井眼中，管柱在較小軸向力作用下就可發(fā)生平面屈曲。自重的影 響又使兩端軸向力分開，并達(dá)到管柱重量。所以這段數(shù)據(jù)可以很好地說明接 觸摩擦力對管柱受力與變形的影響。此段摩 擦力正好等于自重，兩端的軸向力等于管 柱的彈性恢復(fù)力。受力分析圖為： 卸載時(shí)軸向力分析 由靜力平衡知： tFbFfF fFWWFFF ftb ???卸載時(shí)軸向力分析 F區(qū)：本段的特點(diǎn)是，在相當(dāng)長的一段卸 載過程中，管柱上下端軸向力基本相等。 卸載時(shí)軸向力分析 這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由摩擦力 引起的。由于實(shí) 驗(yàn)管柱兩端特殊的約束條件，在卸載過程 中，除去上端點(diǎn)外，整段管柱要向下移動(dòng)， 所以管柱所受摩擦力方向該為向上，繼續(xù) 阻礙變形發(fā)展。兩端軸向力差值變化不象 C 區(qū)那么明顯。 加載時(shí)軸向力分析 本段中管柱兩端軸向力之差再減去管 柱自重，可以得到摩擦力，測定摩擦系數(shù) 后，可以得到接觸力。在 C區(qū)中管柱上下兩端 軸向力差值迅速增加，完全是由摩擦阻力 引起的。 圖中顯示這一段軸向力上升幅度很小，位 移變化量比較大。在變 形形狀改變時(shí)（由平面屈曲到螺旋屈曲）， 管柱發(fā)生瞬時(shí)跳躍，積累的變形能重新分 布，致使軸向力下降。由于平面彎 曲時(shí)管柱起始不接觸井壁，后來即使接觸 井壁，接觸力也比較小，所以摩擦力不大， 對軸向力的傳遞影響不明顯，管柱兩端軸 向力基本平行，其差值為管柱自重。 加載時(shí)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)。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。 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(dòng)。 值得注意的是，卸載段的峰谷值點(diǎn)與加載段的峰 谷值點(diǎn)相對應(yīng)， Q點(diǎn)對 N點(diǎn)， R點(diǎn)對 M點(diǎn)， S點(diǎn)對 L點(diǎn)， T點(diǎn)對 K點(diǎn)， U點(diǎn)對 J點(diǎn)， V點(diǎn)對 H點(diǎn)， W點(diǎn) 對 G點(diǎn)， X點(diǎn)對 E點(diǎn)。 螺旋屈曲階段 加載到 0點(diǎn)后，開始卸載，直到 Z點(diǎn)卸載結(jié)束。 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(tái)階。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。在 E點(diǎn)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(dòng)。 螺旋屈曲階段 由于管柱較長， D點(diǎn)之后管柱出現(xiàn)螺 旋狀變形。當(dāng)變形達(dá)到 C 點(diǎn)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(shí)軸向載荷浮動(dòng)，出現(xiàn)谷值 D 點(diǎn)（此時(shí)，管柱開始與井壁接觸，摩擦力造成載 荷浮動(dòng)，能量的釋放）。 管柱的螺旋彎曲分析 實(shí) 驗(yàn) 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。 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(jì)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(diǎn)”的計(jì)算問題；研 究了多封隔器管柱及其中間封隔器的受力計(jì) 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)。 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。 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(shí)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(jì)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。 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。 特別是當(dāng)內(nèi)、外壓差較大時(shí)，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。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(shí)動(dòng) 作造成了不利影響。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。 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(gè)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(gè)測 試過程的安全性。 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。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 測試管柱分析 目的意義： 對深井和高溫高壓井測試時(shí)，為了對整個(gè)測試過程實(shí)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(shí)時(shí)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。 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(jì)損失在 1億元以上。 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(shí)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