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深井生產(chǎn)作業(yè)管柱力學(xué)研究畢業(yè)論文-在線瀏覽

2024-08-02 17:42本頁面
  

【正文】 鉆柱受拉力處于拉伸狀態(tài),該點以下鉆柱受壓力處于壓縮狀態(tài)。(3)為了防止管柱屈曲,應(yīng)增加鉆鋌的長度,使中性面處于較粗且強度大的鉆鋌上,中性點出桿柱處于拉壓交替應(yīng)力狀態(tài),易發(fā)生疲勞破壞。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。在下方過程中可能存在小幅度的彎曲,但重力的力矩會促使管子伸直。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:中性點將鉆柱分成兩部分,下部鉆柱浮重等于鉆壓,上部鉆柱浮重等于鉆重。文中給出了垂直井眼管柱發(fā)生屈曲的臨界鉆壓,還指出管柱只有在其所受壓力大于臨界鉆壓時才能屈曲,液體的存在只是減小了管柱的線重。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。魯賓斯基通過實驗計算了流體壓降與重率在不同鉆井液重率和排量下的關(guān)系,利用得到的數(shù)據(jù)繪圖較好說明流動壓力如何影響管柱的屈曲行為。在魯賓斯基已給出中性點定義的基礎(chǔ)上,可林肯伯格進一步給出了真空、空氣、液體三種環(huán)境下中性點的變化。通過直覺的現(xiàn)象指出只有管柱受到的軸向應(yīng)力大大超過徑向應(yīng)力才能把管柱壓彎。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)壓力傳遞進行計算的軸向力,可林肯伯格稱為軸向力的絕對值。后來的學(xué)者在此基礎(chǔ)上又提出了真實軸向力和有效軸向力。烏茲模型是油氣井管柱力學(xué)中公認(rèn)的經(jīng)典模型。他充分考慮到不同流體密度、存在非液柱壓力、重力影響以及管柱兩端約束條件下流體液柱壓力對管柱屈曲穩(wěn)定性的影響。(2)管內(nèi)液柱壓力使管柱趨向屈曲。(3)對于下端處于自由狀態(tài)的管柱,重力能夠使彎曲的管柱重新伸直。(5)通過增加管內(nèi)液柱壓力可有效增加管柱軸向力,進而避免管柱屈曲。對于這個問題,魯賓斯基從兩種情況進行定性分析:兩端固定下的頂部屈曲;下端自由下的頂部屈曲。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》。虛(應(yīng))力油井管柱力學(xué)中的一個及其重要概念。它的作用會使管柱發(fā)生屈曲。論文中魯賓斯基還給出了虛力的詳細(xì)的推導(dǎo)過程,用模型管柱內(nèi)液柱壓力引起管柱屈曲的原因,同時也證明了虛力存在的必要性。這是因為當(dāng)鉆壓未達到鉆鋌發(fā)生屈曲的臨界壓力時,中性點以下那段鉆鋌是不會發(fā)生屈曲的。這種差別對油管來說很小。鉆壓是不能施加在油管上的,因此油管和鉆柱中性點定義是不同的兩個概念。魯賓斯基重新又介紹了虛力,為了更好的理解虛力的概念,他提出了具有重要意義的真實力的概念,魯賓斯基又一次給出了虛力的推導(dǎo)公式,解釋了虛力形成的原因。運用該項研究成果就可以計算油管柱的縮短量,采取相應(yīng)的措施即合理設(shè)計封隔器的長度,就可避免管柱從封隔器內(nèi)滑脫出來。在實際施工過程中,只要管柱內(nèi)外壓力和內(nèi)外直徑大小為定值,虛力變化并不影響管柱的屈曲穩(wěn)定特性。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,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,液壓在管柱內(nèi)壁產(chǎn)生的橫向力使管柱屈曲。通過調(diào)整軸向載荷的大小可有效避免管柱彎曲,具體方法就是整個施工工程中管柱軸向載荷都要大于或等于穩(wěn)定載荷。中性軸應(yīng)力與之前提到的虛力實際上是同一概念。零軸向應(yīng)力:軸向應(yīng)力以軸向應(yīng)力等于零的點(零軸向力點)的軸向應(yīng)力為參照零點,即真實軸向應(yīng)力。即有效軸向應(yīng)力。1980年漢默林陡發(fā)表了《油井管柱的基本液壓力》,給出了中性點的概念和計算方法以及管柱穩(wěn)定性的原理。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)的勢能最小的狀態(tài)、中穩(wěn)定對應(yīng)系統(tǒng)勢能不變的狀態(tài)、不穩(wěn)定對應(yīng)系統(tǒng)最大的狀態(tài)。中性點以上的管柱處于穩(wěn)定平衡狀態(tài),中性點以下的管柱處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。漢默林陡通過研究指出,通常是假定不穩(wěn)定平衡的部分即中性點以下部分會發(fā)生屈曲。液體壓力只能作用在垂直管柱的最下端面,因此浮力一定是集中于管子下端且方向向上的集中力。對于傾斜管柱來說,浮力在管柱上的作用既是分布的又是集中的。1980年高因斯發(fā)表了《更好的理解防止管子屈曲問題》。高因斯以他人的研究為基礎(chǔ)給出了計算管柱屈曲力和穩(wěn)定力的相當(dāng)公式,公式中涉及到管內(nèi)外壓和橫截面積,若與軸向力一起使用會更方便。論文中還指出,只要管子受到的載荷大于穩(wěn)定力,無論載荷是拉還是壓,任何位置的載荷都會屈曲。因此軸向力包括穩(wěn)定力和屈曲力兩部分。論文主要論述了浮力是如何影響鉆柱的屈曲的,提出了重要的結(jié)論:真實軸向力是不能決定管柱是否屈曲的,有效軸向力才可以。1980年帕提羅發(fā)表了《井眼內(nèi)兩個尚未解決的靜水力學(xué)問題》。文中帕提羅給出的中性點的定義是:“中性點是有效軸向拉力等于零的點。帕提羅指出,有效張力大小等于軸向張力加上外壓產(chǎn)生的伸直力再減去內(nèi)壓引起的屈曲力,能夠防止管子屈曲。帕提羅最后還指出,浮力系數(shù)法和壓力面積法,都可以正確求得中性點。1988年帕提羅發(fā)表了《再次確認(rèn)API鉆柱軸向力設(shè)計公式》,進一步的闡述了真實軸向力和有效軸向應(yīng)力的概念,而且給出了兩種軸向力的計算方法—壓力面積法和浮力系數(shù)法,指出了二者之間的關(guān)系。(4)有效軸向力和真實軸向力之間的關(guān)系式。論文中阿德諾埃提出了適用于所有井況的 “廣義阿基米德定律”的普遍模型,指出管柱的浮重等于管柱在空氣中的重量乘以浮力系數(shù)。對于管內(nèi)外液體重率不同的單一管柱或復(fù)合管柱,廣義阿基米德原理都適用,通過浮力系數(shù)法可以計算任意斷面的軸向力。阿德諾埃先從一般材料的失效原理,再到鋼材的失效機理闡述了管子失效的力學(xué)機理。文中指出井口施加管內(nèi)外壓力的情況要從三個方面分析:(1)管內(nèi)加壓,管柱重量保持不變,管柱軸向增加了一個拉力。管柱端部的壓力的活塞效應(yīng)使管柱管柱有一個舉升力。綜上,阿德諾埃研究的浮力問題歸納為:(1)廣義阿基米德定律對所有沉沒于流體中的管柱都適用,都可得出正確的軸向載荷進行管柱強度校核,不僅適用于垂直井也適用于定向井。(3)井內(nèi)管柱總是存在浮力的作用。(5)管內(nèi)外施加地面壓力之后,必須考慮端部效應(yīng)。國內(nèi)外學(xué)者對鉆柱力學(xué)分析已投入了大量的精力,取得了很多成果,已經(jīng)歷了從二維到三維、從靜態(tài)到動態(tài)、從局部到整體、從解析解到數(shù)值解等一系列的發(fā)展過程[7]。⑴ 二次彎曲鉆柱理論魯賓斯基對鉆柱靜力學(xué)進行了較為系統(tǒng)的研究后,根據(jù)鉆柱平衡狀態(tài)兩端的邊界條件給出了鉆柱發(fā)生一次、二次及更高次彎曲的臨界鉆壓的計算公式,進而也確定了彎曲后的鉆柱與井壁接觸點的接觸力計算公式。⑵ 鐘擺鉆柱理論鐘擺鉆柱是指鉆頭到切點之間的鉆柱部分不包含任何穩(wěn)定器的鉆柱,或者是整個鉆挺部分不含任何穩(wěn)定器的鉆柱。以上兩個力的合力決定鉆進方向。⑶ 組合鉆柱理論鉆鋌上加上兩個或兩個以上鉆鋌就構(gòu)成了組合鉆柱。⑷ 二維組合鉆柱理論二維組合鉆柱理論主要是研究井眼曲率對彎曲井眼中多穩(wěn)定器滿眼鉆具組合的影響,在彎曲井眼中上穩(wěn)定器與下井壁接觸,下穩(wěn)定器與上井壁接觸,因此上穩(wěn)定器與鉆頭之間的那段鉆柱可近似看成一個兩端鉸支、同時承受橫向和縱向載荷的縱橫彎曲梁。白家祉教授提出了縱橫彎曲連續(xù)梁理論,該理論可以計算底部鉆具組合的受力和變形,在后來的研究中,該理論也被從一維推廣到三維。經(jīng)典微分方程法在實際計算過程中考慮的因素比較多,因而建立的微分方程很復(fù)雜,求解比較困難。在實際問題中,滿足上述兩個條件具有相當(dāng)大的困難,因此能量法也沒有被廣泛使用。該方法相對于復(fù)雜的實際情況比如說三維的問題是不適用的,這是因為無法確定邊界條件的物理意義,因此逆解法的應(yīng)用也受到了限制。由鉆柱力學(xué)分析得到鉆柱微分方程式,通過合理的差分轉(zhuǎn)換將位移控制方程轉(zhuǎn)化成差分的形式進行求解。對于鉆柱力學(xué)實際研究中,有限差分法應(yīng)用比較廣泛。當(dāng)然這種方法也有自身的缺點,將三維問題看成兩個二維為題進行求解,其簡化程度太大,同時也未考慮扭矩、力變形的耦合問題,誤差也可能滿足不了實際的施工要求。(5)有限元法有限元法也是一種近似計算方法,該方法將鉆柱分成若干個離散的單元梁,再用合成疊加的方法將這些離散的梁單元合成一個整體,還原為原來鉆柱的工作狀態(tài),最終就可以得到一組未知量是節(jié)點位移的方程組。但有限元法也有自身的缺點,一般的有限元法在處理節(jié)點間鉆柱與井壁接觸問題具有一定的難度,若想采用增加節(jié)點數(shù)目,采用內(nèi)節(jié)點的方法解決這樣一類問題,就會大大增加矩陣的維數(shù),進而大幅度降低計算速度。(6)加權(quán)余量法加權(quán)余量法是一種數(shù)值方法,該方法被普遍認(rèn)為是求解微分方程定解問題強有力的方法,具有簡便、準(zhǔn)確、工作量小、殘差可知等優(yōu)點,能夠解決底部鉆具組合大小撓度力學(xué)問題。:(1)收集國內(nèi)外深井管柱力學(xué)研究成果的資料,歸納管柱力學(xué)研究歷程和使用的理論、方法。通過計算深井采油管柱溫度、壓力分布,得出井口、井底的溫度和壓力。(4)根據(jù)管柱受力,對管柱分別進行單向應(yīng)力和三向應(yīng)力校核。(5)建立帶封隔器的深井自噴采油井模型,進行實例計算。(2)深入分析深井管柱井下工作條件和工藝特點,弄清深井管柱的工作狀態(tài)及其變化。(4)建立井下測試管柱綜合力學(xué)模型。(5)對深井管柱及作業(yè)工具進行力學(xué)分析和強度校核,優(yōu)化管柱設(shè)計。從而掌握井下工作管柱的的狀態(tài)和安全性,為設(shè)計管柱和選擇施工參數(shù)提供有效的依據(jù)。下面先簡要介紹采油井下管柱臨界載荷分析方法,再介紹載荷、變形、應(yīng)力的分析。根據(jù)經(jīng)驗公式計算沿井筒的溫度分布[9]: (21) (22) (23) (24)式中—油井產(chǎn)液量,t/d;—質(zhì)量含水率,小數(shù)。計算井筒多相流的壓力(壓力勢能、動能和摩阻損失)的數(shù)學(xué)表達式為[10]: (26) 式中—多相混合物的密度, g/cm。計算多相垂直管流壓力分布步驟如下:由于溫度壓力改變,流體物性參數(shù)不是定值,因此要分段計算流體物性參數(shù),再進行壓力計算,又因為流體物性參數(shù)又隨著溫度壓力的變化而變化,因此通常采用迭代的方法,分為壓力增量迭代和深度增量迭代:(1)按深度增量迭代的步驟① 以井底或井口的壓力作為起點,任選合適作為增量。② 計算該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)(溶解汽油比、原油體積系數(shù)和粘度、氣體密度和粘度,混合物粘度及表面張力等等)。④ 計算對應(yīng)于的該段管長(深度差)。⑥ 計算該段下端對應(yīng)的深度及壓力⑦ 以處的壓力為起點,重復(fù)②~⑦步,計算下一段的深度和壓力,直到各段的累加深度等于或大于管長()時為止。② 估計對應(yīng)于計算間隔的壓力增量。④ 計算該段的壓力梯度。⑥ 比較壓力增量的估計值與計算值,若二者之差不在允許范圍內(nèi),則以計算值作為新的估計值,重復(fù)第②~⑤步,若兩者之差在允許范圍內(nèi)為止。、壓力預(yù)測模型程序編制(附錄A)根據(jù)附錄A中的程序求得井筒內(nèi)流體的物性參數(shù),如混合物密度、粘度、溶解氣油比、原油體積系數(shù)、混合物流速等,采用Orskinzewski對氣液兩相垂直管流進行計算。程序界面見下圖。其工作原理如下[11]:(1)支撐式:用油管將封隔器送到井底之后,通過管柱向井底施加軸向應(yīng)力,直至橡膠封隔器橫向變粗變大,從而將井筒封住。支撐式封隔器在實際施工工程操作比較簡單,但封隔器至井底的長度會受到實際施工情況的限制。當(dāng)封隔器被送到預(yù)訂井深時,將管柱上提,直至凸耳移動到短槽的下部,再右旋管柱1~3圈,在允許的扭矩范圍內(nèi)施加壓縮載荷。如需解封,只需用力上提管柱,解除壓縮載荷,膠筒收縮,收回卡瓦。在坐封過程中,封隔器類型不同,受力不同:(1)支撐式:給定的壓力和封隔器上所受的壓力相等,封隔器受壓就帶來了封隔器以下的那段油管柱處于壓縮狀態(tài)。下方管柱,就會在封隔器上產(chǎn)生向下的壓力,但封隔器下部的管柱仍然處于自由懸掛狀態(tài)。目前油管和封隔器之間的連接方式主要有:(1)油管與封隔器之間動密封(如圖22),即油管在封隔器中可自由移動;圖22 油管與封隔器動密封(2)若油管上有定位銷(如圖23),若油管縮短,則可向上自由運動;若油管伸長,則伸縮長度超過定位銷和封隔器之間的長度時,定位銷被卡住,油管不能下行。防止變形量作用到封隔器上而使封隔器解封。圖25 活塞效應(yīng)[12]坐封封隔器后,封隔器上、下就會產(chǎn)生壓力差,進而產(chǎn)生了了活塞效應(yīng)(如圖25)。(1)螺旋彎曲效應(yīng)計算圖26 螺旋彎曲效應(yīng)[13]支撐式與卡瓦式封隔器是膠筒靠上部油管的自重載荷壓縮形成密封。其計算公式為: (210) (211) (212)當(dāng)井筒液體為清水時,其計算公式 (213) (214)式中—油管柱松弛載荷,;—中和點到封隔器的長度,;—螺旋彎曲效應(yīng)使管柱產(chǎn)生的變形量,;—油管在空氣中每8m長帶一個接箍和外加厚增重的平均重量,—油管橫截面慣性矩,;—套管內(nèi)半徑,;—套管內(nèi)半徑與油管外半徑之差,;—油管外半徑,;—油管內(nèi)半徑,;其余符號意義同前油管在螺旋彎曲效應(yīng)下會與套管接觸產(chǎn)生支反力,接觸的那部分管柱將進一步產(chǎn)生摩擦力。因此,摩擦力可以抵消掉油管柱的松弛載荷的一部分使其不能傳遞到封隔器上而封封隔器。即油套之間的摩擦力會中和掉繼續(xù)增加的松弛載荷。此時,中和點位于井口之上,油管柱全部處于螺旋彎曲狀態(tài)。在鉆柱力學(xué)中,上段的浮重等于大鉤載荷,下段的浮重等于鉆壓。反之,時,管柱直徑有所縮小的現(xiàn)象稱為反鼓脹效應(yīng)(如圖27b)。若限制管柱的長度,則管柱就不能縮短,管柱就會額外受到一個伸張的力。若限制管柱的長度,則管柱就不能伸長,油管柱就會額外受到一個壓縮力。在封隔器處的向上,使封隔器的坐封載荷減小。當(dāng)時,限制管柱長度使其不能伸長,管柱產(chǎn)生的,為壓縮力。這種狀態(tài)為反鼓脹效應(yīng)。計算溫度效應(yīng)管柱形變量的公式為[16] (231) (232)限制管柱長度,溫度效應(yīng)引起的管柱額外軸向載。溫度和壓力可由井筒
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