【正文】 止。⑤ 計(jì)算對(duì)應(yīng)于的壓力增量。③ 計(jì)算出該管段的平均溫度及平均壓力，并確定在該和下的全部流體參數(shù)。（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）。⑤ 將第五步計(jì)算得到的與第二步估計(jì)的進(jìn)行比較，兩者之差超過(guò)允許范圍，則以新的作為估算值，重復(fù)②～⑤的計(jì)算，使計(jì)算的與估算的之差在允許范圍內(nèi)為止。③ 計(jì)算該段的壓力梯度。找一個(gè)對(duì)應(yīng)的深度增量，由溫度計(jì)算模型計(jì)算該段下端的溫度?！嘞嗷旌衔锏牧魉?，；—流動(dòng)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。換算體積含水率和質(zhì)量含水率的的公式為： （25）式中—恒溫層溫度，℃；—油層溫度，℃；—油層中部深度， ；—井筒中任意點(diǎn)深度。、壓力預(yù)測(cè)模型根據(jù)油井流入動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)（IPR曲線(xiàn)）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。對(duì)于深井采油管柱來(lái)說(shuō)，管柱軸向屈曲分析對(duì)計(jì)算管柱載荷、應(yīng)力和形變是十分有必要的，掌握深井油管柱所處的狀態(tài)，選擇合適的結(jié)構(gòu)分析法，才能進(jìn)行正確的力學(xué)分析。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。研究管柱所受到的各種載荷：軸向載荷、彎曲力矩、摩擦力及四種基本效應(yīng)引起的載荷建立綜合力學(xué)模型。（3）研究深井管柱中溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)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(duì)井下測(cè)試管柱受力和變形的影響。（1）弄清深井管柱及井下工具的結(jié)構(gòu)和原理。給出用第四強(qiáng)度理論校核危險(xiǎn)截面點(diǎn)的方法。（3）研究深井采油管柱力學(xué)理論，考慮溫度、壓力變化引起的四種效應(yīng)，對(duì)管柱載荷、變形進(jìn)行分析。（2）建立井筒溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)預(yù)測(cè)模型。通過(guò)增加勢(shì)函數(shù)項(xiàng)數(shù)可有效提高精度，當(dāng)然也會(huì)增加運(yùn)算量。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(huì)逐步取代其他求解方法。有限元所涉及到的物理概念比較簡(jiǎn)單清晰，適用性很強(qiáng)，適合任何材料、形狀和尺寸的鉆柱，又能容易地考慮到非線(xiàn)性的影響。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于管柱力學(xué)的研究普遍采用這種方法。（4）縱橫彎曲連續(xù)梁法縱橫彎曲連續(xù)梁法是一種精確解法, 該方法將管柱近似看成相互關(guān)聯(lián)的縱橫彎曲連續(xù)梁，根據(jù)材料力學(xué)中的三彎矩方程，建立一組非線(xiàn)性關(guān)系的代數(shù)方程，該方法所涉及的的物理概念比較清晰，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)而快。差分系數(shù)是變化的，就要考慮非線(xiàn)性的影響，通過(guò)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(huì)造成矩陣維數(shù)的增加，大大降低了計(jì)算速度。（3）有限差分法有限差分法是一種變分近似法。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(xiàn)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。（2）能量法能量法是針對(duì)簡(jiǎn)單的彈性力學(xué)問(wèn)題而提出的，該方法要求勢(shì)函數(shù)既要滿(mǎn)足彈性力學(xué)的控制方程，又要滿(mǎn)足邊界條件，通過(guò)確定有關(guān)參數(shù)及假設(shè)解的形式來(lái)解出實(shí)際問(wèn)題。（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(xiàn)彈性的經(jīng)典微分方程并求解。⑸ 三維組合鉆柱理論在各種因素的綜合影響下，實(shí)際鉆出的井眼軌跡都是三維的空間曲線(xiàn)，因此只能對(duì)鉆柱進(jìn)行三維力學(xué)分析才能模擬實(shí)際鉆柱的工作狀態(tài)。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(duì)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。這既是“鐘擺鉆柱理論”。該點(diǎn)稱(chēng)為上切點(diǎn)，上切點(diǎn)線(xiàn)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(lái)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(huì)使井眼趨于垂直，當(dāng)施加上鉆壓以后，就會(huì)在鉆頭上產(chǎn)生另一個(gè)側(cè)向分量，該力會(huì)使井眼偏離垂直方向。魯賓斯基認(rèn)為，鉆頭處偏轉(zhuǎn)角是導(dǎo)致井斜的主要原因，因此鉆進(jìn)時(shí)保證鉆壓不在一次和二次彎曲臨界值之間可有效防止井眼彎曲，這就是“二次彎曲理論”。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(wèn)題方程的建立和求解過(guò)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]。深井管柱主要包括光管柱和封隔器[7]，類(lèi)似于鉆柱，因此可借鑒和吸收鉆柱力學(xué)的研究成果。（4）對(duì)于自由懸吊的管柱，中性點(diǎn)會(huì)在管柱的下方。（2）定向井中管柱的浮重等于其線(xiàn)重乘以井眼長(zhǎng)度在垂直井深方向的投影長(zhǎng)度（投影高原理），再乘以浮力系數(shù)。（3）管內(nèi)外同時(shí)施加地面壓力，軸向力沒(méi)有改變而增加了一個(gè)舉升力，減小了大鉤負(fù)荷。（2）環(huán)空加壓，軸向應(yīng)力保持不變。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。阿德諾埃在論文中論述了軸力的兩種計(jì)算方法，分析了兩種軸向力的區(qū)別，又以材料的失效機(jī)理上為理論基礎(chǔ)介紹了有效軸向力。并且進(jìn)一步給出了浮力系數(shù)的計(jì)算公式。2006年阿德諾埃發(fā)表了《井內(nèi)浮力的理論與應(yīng)用》，引起了巨大的轟動(dòng)。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。壓力面積法求解時(shí)要考慮穩(wěn)定力。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?！奔m正了以前普遍認(rèn)為的真實(shí)軸向力等于零的點(diǎn)是中性點(diǎn)的錯(cuò)誤概念。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?？洗鳡柕慕Y(jié)論是完全正確的，但他僅僅是使用了真實(shí)軸向力和有效軸力的概念，并未給出二者的定義，也未指出二者的區(qū)別。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(yǔ)。他文中給出了屈曲力的概念：軸向載荷減去穩(wěn)定力就是“屈曲力”，列出了相應(yīng)的計(jì)算公式。文中給出力穩(wěn)定力的概念：周向力和徑向力的平均值稱(chēng)為“穩(wěn)定力”，并給出了計(jì)算穩(wěn)定力的公式。論文以管柱屈曲問(wèn)題而展開(kāi)，高因斯的貢獻(xiàn)就是首次提出了屈曲力和穩(wěn)定力的概念。文中漢默林陡再次支持并證明了浮力等于排開(kāi)液體的重量，對(duì)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)。對(duì)于水平管柱來(lái)說(shuō)，整個(gè)管柱會(huì)均勻的受到浮力的影響。同時(shí)漢默林陡很肯定的指出，無(wú)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(guò)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。中性點(diǎn)也可稱(chēng)為中性平衡（或稱(chēng)為隨遇平衡）。管柱失去穩(wěn)定性就會(huì)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(guò)渡點(diǎn)。給出的計(jì)算中性點(diǎn)的公式適用用于各種施工工況。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(jiǎn)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。超中性值軸向應(yīng)力：軸向應(yīng)力以中性點(diǎn)的軸向應(yīng)力為參照零點(diǎn)。即后來(lái)啟尼斯和高斯所定義的穩(wěn)定力。1975年魯賓斯基發(fā)表了《中性軸向應(yīng)力對(duì)管子屈曲和擠毀的影響》，首次提出了零軸向應(yīng)力和中性軸向應(yīng)力新的概念，分析了塑形橢圓理論（雙向應(yīng)力橢圓理論）在實(shí)際施工過(guò)程中的弊端，為此提出了塑性圓理論。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。1969年啟斯尼發(fā)表了《管柱的載荷與穩(wěn)定性》，論文中首次提出了穩(wěn)定載荷的概念。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(wú)關(guān)。管內(nèi)外液柱壓力變化可引起封隔器管柱產(chǎn)生形變，在封隔器允許管柱軸向移動(dòng)的情況下，若管柱縮短量過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致封隔器內(nèi)的管柱滑脫出來(lái)。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(wèn)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(lái)的管柱長(zhǎng)度變化問(wèn)題。這是因?yàn)橛凸芫哂袆偠刃?、臨界屈服壓力小的特點(diǎn)。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。盡管如此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)魯賓斯基論文中關(guān)于鉆柱中性點(diǎn)的定義提出了爭(zhēng)議。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)。虛力并不是不存在的力，但又有真實(shí)力都有的大小、方向以及作用效果。文中魯賓斯基首次提到“虛力”的概念。魯賓斯基進(jìn)一步還給出了定量計(jì)算兩端固定的管柱發(fā)生屈曲的臨界條件的公式，同時(shí)還給出兩端固定條件下的自由段套管出現(xiàn)頂部屈曲的條件：自由段套管排開(kāi)管外液體的重量要大于該段套管自重與管內(nèi)流體重量之和；套管頂部要處于壓縮狀態(tài)。魯賓斯基對(duì)于頂部屈曲的問(wèn)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)。（4）在管柱密度大于管外流體密度的前提下，無(wú)論管外液柱壓力多大，管柱始終處于伸直狀態(tài)。讓兩端固定管柱承受一定的拉力可有效避免管柱屈曲。魯賓斯基的結(jié)論可歸納為：（1）環(huán)空流體的液柱壓力有利于管柱保持直立狀態(tài)。1951年魯賓斯基發(fā)表了《拉壓對(duì)油井管柱的穩(wěn)定和屈曲的影響》。與此同時(shí)，烏茲提出判別管內(nèi)外壓力不等條件下管柱屈曲穩(wěn)定的著名的“烏茲模型”，具有很大的創(chuàng)新性，通過(guò)調(diào)整管內(nèi)外和端部的液柱壓力研究管內(nèi)外和端部壓力對(duì)管柱屈曲的影響。②相對(duì)于靜液壓力的軸向力。靜液壓力只是使管柱的線(xiàn)密度較少，僅此而已。文中可林肯伯格反對(duì)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)。1951年可林肯伯格發(fā)表了《鉆桿和套管“中性區(qū)”及其對(duì)屈曲和擠毀的重要意義》。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(dòng)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。除此之外，文中還介紹了流體流動(dòng)壓力的影響，推導(dǎo)指出管內(nèi)壓力明顯大于環(huán)空壓力。該定義一直延用至今。直觀(guān)感覺(jué)管柱在空氣是一定處于伸直狀態(tài)的，在液體中，差異只是液體密度比空氣密度大點(diǎn)，因此靜液壓力不會(huì)引起處在液體中的桿管柱發(fā)生彎曲。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。豪金斯和拉芒特認(rèn)為浮力是可以引起管柱屈曲的，而霍爾姆奎斯特不同意他們的觀(guān)點(diǎn),認(rèn)為靜液壓力不會(huì)引起管柱屈曲。（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(zhǎng)段的桿柱處于受壓狀態(tài)，受壓段越長(zhǎng)，下部管柱越容易失穩(wěn)發(fā)生屈曲，縮短管柱的使用壽命。1949年，豪金斯和拉芒特發(fā)表了《鉆柱軸向應(yīng)力分析》一文，文中闡述了“浮力可以導(dǎo)致鉆柱屈曲”的觀(guān)點(diǎn)。漢陡門(mén)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(méi)有梯度差異；簡(jiǎn)支梁的滑動(dòng)端處在壓力較低的一端；壓力小于臨界壓力。尤其在深井中，壓力高，溫差大，管串長(zhǎng)，摩阻大，施工時(shí)間長(zhǎng)，管柱工作環(huán)境在不停的變化，油管受力復(fù)雜，變形很大，因此要充分考慮管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)引起的管柱變形，否則會(huì)發(fā)生封隔器密封失效等嚴(yán)重的井下作業(yè)事故[6]。井下管柱包括鉆套管柱、鉆柱、抽油桿桿柱、測(cè)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(dòng)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]。溫度梯度、流體密度壓力梯度以及油套之間庫(kù)倫摩擦力、粘滯阻力的變化在不同井深處對(duì)油管柱受力和變形的影響是不同的。（3）井筒內(nèi)彎曲段的管柱在高速流體的沖擊下會(huì)發(fā)生較大的震動(dòng)和沖擊，會(huì)縮短管柱和封隔器的使用壽命，發(fā)生安全隱患。 因此進(jìn)行深井管柱力學(xué)分析要充分考慮以下特點(diǎn)[3]：（1）井底溫度高，以不同產(chǎn)量生產(chǎn)，所得到的井筒溫度分布發(fā)生很大變化，溫度梯度并不是定值，屬非線(xiàn)性分布。（2）多項(xiàng)聯(lián)作，射孔、酸化、抽汲、氣舉、測(cè)試中的兩種或兩種以上聯(lián)作。深井具有高溫高壓高產(chǎn)以及施工條復(fù)雜的特點(diǎn)。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(cè)模型 14 14 1壓力預(yù)測(cè)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(yè)第一章 前言隨著石油勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，鉆井深度越來(lái)越深，環(huán)境也越來(lái)越惡劣。目前許多井的垂直深度都超過(guò)了4500米，屬于深井[1]。具體如下[2]：（1）高溫高壓，井底溫度普遍超過(guò)130℃，壓力超過(guò)70Mpa。（3）采用復(fù)合管柱，井下安全閥、測(cè)試閥和封隔器組合使用。 （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(huì)發(fā)生變化，井筒壓力屬非線(xiàn)性分布。（4）敏感性隨井深變化。深度也大，敏感性也就越大。在不同的施工條件和工況下，管柱的工作狀態(tài)和受力也在發(fā)生變化，若受力和變形超過(guò)管柱的極限，則會(huì)存在安全隱患。1946年,漢陡門(mén)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。漢陡門(mén)的研究開(kāi)啟了油氣井管柱力學(xué)的大門(mén)?？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