搜索
油气井杆管柱力学及应用燕山大学李子丰2007年杆管柱在石油工程中的作用脊柱在人体中的作用支撑油井支撑身体从井下向地面传递信息从身体向大脑传递信息从地面向井下传递指令从大脑向身体传递指令从地面向井下传递能量和物质,生产油气起下工具杆管柱在石油工程中的作用脊柱在人体中的作用=杆管柱在石油工程中是多么重要啊?！油气井杆管柱指的是什么？这些杆管柱有哪些用途？这些杆管柱能够安全的起下吗？这些杆管柱设计的经济吗？地面设备合适吗？如何控制井眼轨道？如何提高这些杆管柱的使用寿命？如何从地面的测量结果知道井下的工作状态？……..想知道这些,请油气井杆管柱力学。.研究油气井杆管柱力学的著名专家国外：1.Lubinski,A.2.StefanMiska3.HansC.Juvkam-Wold4.Johansick,C.A.5.Ho,H-S6.Walker,B.H.7.Millheil,K.K.8.Gibbls,S.G.9.Mitchell,R.F.10.……国内：1.苏义脑2.高德利3.赵国珍4.龚伟安5.赵怀文6.施太和7.韩志勇8.董世民9.李子丰10.……油气井杆管柱•钻杆•钻铤•套管•油管•抽油杆油气井杆管柱的材料代号屈服应力(lb/in2)断裂应力(lb/in2)用途D-555500095000E-7575000100000X-9595000105000G-105105000115000S-135135000145000AISI414565000100000钻铤钻杆代号屈服应力(lb/in2)断裂应力(lb/in2)用途H-404000060000J-555500075000K-555500075000C-757500095000L-8080000100000N-8080000100000C-9090000100000C-9595000105000P-110110000125000Q-125125000135000K?83000C?88000D?138000抽油杆套管、油管钻柱钻铤稳定器接头钻头接头钻杆钻杆方钻杆钻柱的作用(1)提供钻井液流动通道；(2)给钻头提供钻压；(3)传递扭距；(4)起下钻头；(5)计量井深;(6)观察和了解井下情况；(7)特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）；(8)钻杆测试(Drill-StemTesting),又称中途测试。钻杆钻铤母扣公扣钻柱的破坏变形疲劳破坏磨损套管钻柱腐蚀氢脆破坏套管oilzone套管程序套管本体和接箍套管的作用表层套管(1)保护和隔离浅软地层;(2)安装井口和悬挂后续套管;生产套管(3)保护地层,提供生产通道;中间套管(4)封隔复杂地层;尾管(5)为了节省套管，不延伸到地面的部分生产套管或中间套管。套管的失效腐蚀磨损套管钻柱拉伸拉伸++外挤外挤压缩压缩++外挤外挤变形(弯曲,屈曲,挤毁)变形(弯曲,屈曲,挤毁)高温断裂油管常规油管本体直径4.5in连续油管油管的作用(1)提供从地层到地面的流体生产通道，和从地面到地层的流体注入通道；(2)起下和悬持各种工具;(3)计算工具深度;(4)观察和诊断井下状况。油管的失效(1)变形;(2)断裂;(3)腐蚀;(4)接头问题;(5)磨损(与抽油杆）。抽油杆两端具有丝扣接头的钢杆（管）抽油杆的作用(1)起下和悬持柱塞等工具;(2)从地面向井下传递轴向位移和力;(3)从地面向井下传递旋转运动和扭矩;(4)了解井下状况。抽油杆的失效(1)疲劳和断裂;(2)磨损;(3)腐蚀;(4)接头问题。杆管柱的运动状态(1)轴向运动(起下,纵向振动)(2)横向振动(3)旋转(自转，公转)作用在杆管柱上的力(1)自重;(2)液体的浮力;(3)内外压力;(4)振动力;(5)底部力;(6)接触力和摩擦力;(7)粘滞力;(8)热应力。杆管柱内的应力(1)拉压应力;(2)剪应力;(3)弯曲应力;(4)热应力。杆管柱的安全状态管体内，任何位置，任何时间:][3)(2tt222tστσσσσσσσσσσθθθ=+++−++=rrri应力强度轴向应力径向应力周向应力剪应力许用应力油气井杆管柱力学油气井杆管柱的运动状态油气井杆管柱动力学基本方程油气井杆管柱的稳态拉力扭矩下部钻具三维力学分析定向水平井有杆泵抽油系统诊断与参数优选油气井杆管柱的稳定性钻柱的振动套管柱力学分析一、油气井杆管柱的运动状态油气井杆管柱的运动状态，是研究油气井杆管柱力学的基础。1、目的、意义（1）运动状态轴向运动：起下钻，纵向振动。横向运动：横向振动。自转：绕自身轴线的旋转、扭转振动。公转（涡动）：正向公转、反向涡动。2、研究现状（2）直井纵向振动：全井都有可能发生纵向振动，并导致钻柱破坏。地面观察明显。扭转振动：全井都有可能发生扭转振动，并导致钻柱破坏。地面观察较明显。横向振动：下部受压段易发生横向振动，并导致钻柱破坏。地面观察不明显。上部受拉段，钻柱绕自身轴线旋转。下部受压段，钻柱绕自身轴线旋转、反向涡动。钻柱若存在弯角则正向向公转。（3）斜井由于钻柱靠重力作用躺在井壁下侧并与井壁产生滑动摩擦，导致：纵向振动减轻横向振动减轻扭转振动减轻反向涡动减轻或消失所以在斜井中，钻柱振动导致的疲劳破坏较少。钻柱绕自身轴线旋转。钻柱若存在弯角则正向向公转。关于钻柱的运动状态，目前还主要是定性描述，虽然已经向定量描述钻柱的振动和涡动状态努力，但还没有获得工程实用的结果。今后的研究重点：（1）钻柱的振动；（2）钻柱的涡动。3、发展方向二、油气井杆管柱动力学基本方程油气井杆管柱在充满流体的狭长井筒内工作，在各种力的作用下，处于十分复杂的受力、变形和运动状态。对油气井杆管柱进行系统全面、准确的力学分析,可以达到如下目的:(1)快速、准确、经济地控制油气井的井眼轨道;(2)准确地校核各种杆管柱的强度,优化杆管柱设计;(3)优化油气井井眼轨道;(4)及时、准确地诊断、发现和正确处理各类井下问题;(5)优选钻采设备和工作参数。1、目的、意义应油气田开发的迫切需要,自本世纪五十年代以来针对油气井杆管柱的某些特殊问题已进行了较广泛、较深入的研究,发表了数以百计的学术论文。特别是“七五”、“八五”和“九五”期间国家组织的对定向丛式井和水平井的科技攻关,使我国的油气井杆管柱力学研究水平大大提高。但所有的研究工作都是基于某项特殊需要而进行的,未形成统一的理论,对某些问题如动力问题和几何非线性问题研究较少,为此需要对杆管柱动力学问题进行系统的研究,建立统一的理论。2、研究现状假设(1)杆管柱处于线弹性变形状态;(2)杆管柱横截面为圆形或圆环形;（3）略去剪力对杆管柱变形的影响。通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析，建立了用于对油气井杆管柱进行动静力学分析的几何方程、运动平衡方程和本构方程。由于油气井钻柱动力学基本方程统一了现有一切油气井钻柱力学分析的微分方程，现有的油气井钻柱力学分析的微分方程都可由该动力学基本方程通过适当简化而得到，所以，该基本方程在石油钻采工程界具有广泛的应用。2、研究现状在油气井中，杆管柱动力学基本方程=电磁学中的Maxwell方程三、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩拉力和扭矩模型,尤其在地面扭矩、大钩载荷、井底扭矩和钻压的测量仪器结合使用时,可达到如下目的:（1）优选井眼轨迹,使整个杆管柱的摩擦阻力和扭矩损失最小;（2）选择和校核地面设备,优化杆管柱设计;（3）监测井下问题;（4）指导下套管作业;（5）确定杆管柱与井壁的接触压力,估计套管的磨损程度和键槽是否存在;（6）决定是否改变泥浆性能。1、目的、意义以油气井杆管柱动力学基本方程为基础,考虑了钻柱的运动状态、钻井液的结构力、粘滞力,建立了油气井杆管柱稳态拉力——扭矩模型，编制了实用的计算机软件,较成功地应用于定向水平井钻柱和套管柱设计中。该软件可应用于确定钻柱与井壁的摩擦系数、预测和计算钻柱的受力状态、优选井眼剖面、校核钻柱和监测井下岩屑床的严重程度等。例如：2、研究现状(1)大钩负荷与所钻井深的关系上提下放旋转(2)钻柱受力与测深的关系上提下放旋转(3)特殊作业钻柱受力与测深的关系倒扣震击（4）监测岩屑床（5）监测套管磨损（1）实时从大钩处测量测量负荷，消除从死绳负荷计算大钩负荷的误差；（2）实时测量钻头扭矩与钻压（国外已经实现）；（3）实验研究摩擦系数与岩屑床厚度、岩石类型、钻井液性能等关系。3、发展方向四、下部钻具三维力学分析（1）定量描述下部钻具组合的受力和变形,算出钻头与地层的作用力和钻头转角；（2）选择底部钻具组合和钻进参数,使钻头按设计方向钻进。1、目的、意义2、研究现状（1）钻进状态旋转钻进滑动钻进旋转—滑动钻进旋转闭环钻进2、研究现状（2）下部钻具力学分析方法⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧能量法有限元法纵横弯曲法加权余量法差分法经典微分方程法微分方程法分析BHA空间维数静动态大小挠度二三静态动态小大能量法√√√经典微分方程√√√纵横弯曲法√√√差分法√√√√√加权余量√√√√√√有限元法√√√√√√（3）加权余量法进展从油气井杆管柱动力学基本方程出发，建立了通用下部钻具三维小挠度静力学分析、三维大挠度静力学分析和三维小挠度动力学分析的数学模型。用加权余量法和最优化方法对三维小挠度静力分析数学模型求解求解,编制了分析软件,结合三维钻速方程，对水平井井眼轨道进行了分析与预测，满足工程需要。模型求解状况应用状况三维小挠度静力很好满足工程需要三维大挠度静力较好三维小挠度动力钻具增斜能力与井斜角的关系单位：°/25m2°10°40°90°1#5.205.31225.64786.02662#11.811.92110.7611.683#0.0095-0.0671-0.5274-1.0974#-0.2181.05433.94184.20465#0.09770.14150.19480.1286#-0.0067-0.0039-0.0159-0.0347（4）防斜工具和方法序号类型名称施工参数优点缺点1静力钟摆钻具小钻压防斜、纠斜效果好钻速慢2静力降斜钻具组合设计要求防斜、纠斜效果较好钻速一般3动力弯接头、偏轴接头、偏重钻铤等正常防斜、纠斜效果较好钻具易疲劳破坏4动力光钻铤大钻压防斜、纠斜效果较好钻具易疲劳破坏5导向导向钻井系统设计防斜、纠斜效果好钻速较慢、昂贵6导向垂直钻井系统设计防斜、纠斜效果好钻速较慢、昂贵防斜、降斜原理：①静力型。靠钻头与地层的相互作用的综合结果。包含地层各向异性、钻头各向异性、钻压、钻头的侧压力、钻头转角等因素的影响。②动力型。动力型与静力型的不同之处是，在侧向破岩过程中，利用了动力和非线性破岩特性。侧压力侧向钻速侧面工作区底面工作区序号静力降斜力动力侧向力破岩规律井斜趋势降斜排序注释12345678910111213Fd＞00v=kFn(n1)降斜1Fd＞00v=kF降斜22#=5#Fd＞00v=kFn(n＜1)降斜3Fd＞0Asinωv=kFn(n1)降斜11最大降斜Fd＞0Asinωv=kF降斜22#=5#Fd＞0Asinωv=kFn(n＜1)降斜3Fd=0Asinωv=kFn稳斜8Fd＜00v=kFn(n1)增斜1Fd＜00v=kF增斜29#=12#Fd＜00v=kFn(n＜1)增斜3Fd＜0Asinωv=kFn(n1)增斜113最大增斜Fd＜0Asinωv=kF增斜29#=12#Fd＜0Asinωv=kFn(n＜1)增斜3为此，动力型防斜钻具的防斜机理是利用了钻头的侧向非线性破岩特性。③导向型。利用钻具的自动测量和执行机构，按要求的方向钻进。（5）几种不成熟的设想在人们对防斜效果不知足的同时，促使人们积极发展新的防斜技术，但也有些技术值得警戒。名称结构缺点应用价值压不弯钻铤理论上不成立。无受拉钻铤理论上不成立。无FG型防斜工具（1）该工具防斜原理与偏心接头一致，把偏心接头直接放在了钻头上部；(2）将别人的钻铤直接驱动，变为了摩擦驱动。驱动效率变差。可靠性变差。（3）增加了许多活动部件，系统可靠性变差。无不倒翁偏心防斜工具(1)既然有2个偏心稳定器，那么钻铤旋转时，整个系统就公转;(2)当偏心稳定器转到上方时，偏心垫