油气井管柱的屈曲行为研究

基于管柱屈曲微分方程,分析了受多种形状井眼约束管柱屈曲及后屈曲行为,考虑了封隔器作为固支端对管柱屈曲的影响,给出了受井眼约束管柱在弯扭载荷作用下的正弦屈曲和螺旋屈曲的临界载荷,不同屈曲模态下管柱变形和载荷之间的关系,从而确定了管柱的后屈曲路径,管柱屈曲后的内力.所得结果可以作为相关设计的依据.     

水平井多封隔器管柱力学分析及安全评价

针对水平井多封隔器管柱在井下多种载荷的共同作用下易引起管柱失效的安全问题，基于力学研究中的多杆件的多次超静定结构，引入力法对多封隔器之间管柱进行受力分析，同时考虑温度效应、活塞效应、鼓胀效应和螺旋屈曲效应的影响，建立考虑多封隔器影响的轴向力数学模型；在此基础上建立多封隔器管柱力学安全强度评价准则和封隔器控制信封失效判断方法，对现场水平井多封隔器管柱进行力学分析和安全评价。研究结果表明，建立的考虑多封隔器影响的轴向力数学模型计算结果大于常规不考虑多封隔器影响时轴向力，若不考虑多封隔器的影响将低估多封隔器管柱的轴向力，而造成管柱受力危险；同时对管柱危险位置和封隔器进行安全评价，得到了酸化作业时油压和套压的综合控制参数，以期为水平井多封隔器管柱安全工作参数的优化设计提供理论依据。     

边界条件对无重管柱螺旋屈曲的影响分析

针对无重管柱(忽略管柱重力的影响)螺旋屈曲问题,从虚功原理出发,将管柱边界条件分成2大类。指出前人的研究大多集中于第一类边界条件,而忽略了第二类边界条件。提出塞子模型模拟管柱的端部约束条件,并推导出管柱变形的广义势能泛函。利用最小势能原理,得到了第一类和第二类边界条件下的管柱完全螺旋屈曲段的变形方程,分析了边界条件对螺旋屈曲解的个数和稳定性、管柱与井壁接触力的影响规律。对于端部约束导致的过渡段,通过求解屈曲微分方程得出过渡段长度相对于长管柱整体而言是局部的。最后讨论了长管柱整体变形(完全螺旋屈曲段变形和过渡段变形)与边界条件之间的对应关系。边界条件是导致屈曲问题复杂化的一个重要因素,本文研究结果为深入认识边界条件的影响提供参考。     

受径向约束管柱非线性屈曲的DQE法

基于圆柱面坐标,导出了受径向约束管柱屈曲的平衡微分方程,给出了详细的斜直井内管柱屈曲分析的DQE（differential quadrature element）法列式.用DQE法对斜直井内管柱的非线性屈曲进行了计算分析.结果表明：本文的计算结果与实验结果吻合;工程中受径向约束管柱的屈曲问题,由于受压段的管柱一般很长,因此是一个局部非线性稳定性问题,屈曲首先是从下端开始发生,然后随着上端载荷的增加,逐渐向上扩展的.本文所建立的DQE法可以方便地用于求解受径向约束管柱的非线性屈曲问题.     

高压气井多封隔器完井管柱力学研究

带多封隔器的完井管柱是Norsok D010规范推荐的高温高压气井完井管柱中的重要类型,但是多封隔器完井管柱结构在井下工况中的受力和变形较单一结构管柱更为复杂,并且多封隔器之间局部的圈闭压力可能导致管柱损坏。为此,针对多封隔器管柱结构特点,建立了考虑端面效应、热胀冷缩效应、形变效应、螺旋和正弦屈曲效应影响的管柱变形和受力计算模型,并结合现场实际工况开展了实例计算。计算结果表明,封隔器在井筒中的位置以及井筒温度压力对整个管柱的受力和变形影响较大,在多封隔器复合管柱设计和安全评价时需要考虑多封隔器对管柱力学行为的影响。     

轴向压力对螺旋屈曲管柱强度安全性影响分析

为校核螺旋屈曲管柱的强度安全性,基于弹簧理论与第四强度理论,推导出螺旋屈曲状态下管柱内、外侧相当应力的计算公式,并以油田常用规格油套管为例,探讨了轴向压力对管柱内、外侧最大相当应力的影响。算例结果表明,螺旋屈曲管柱内侧最大相当应力恒大于外侧;管柱内、外侧最大相当应力随轴向压力的增大而增大。轴向压力由200KN增大至800KN时,管柱内、外侧最大相当应力分别增大170%和413.8%。研究弥补了传统管柱力学分析的不足,提供了螺旋屈曲管柱安全性研究新方法,同时也可为现场安全施工提供参考。     

基于梁-梁接触理论的管柱屈曲分析

为探究长直管柱在井下复杂工况下的屈曲形式,进行基于梁-梁接触理论的管柱屈曲分析研究。利用梁-梁接触理论对考虑剪切弯曲变形的梁进行离散化,使用管-管接触单元建立管柱变截面摩擦接触有限元模型,并用此方法针对分层采油井实际井况建立管柱有限元分析模型。结果表明,分层采油管柱在井下复杂的受力环境下会发生不等距复合屈曲,在考虑摩擦的情况下管柱的屈曲构型不再是标准的正弦线或是螺旋线构型,并利用磁定位数据验证了计算结果的可靠性。     

尤拉屯高产气井完井管柱振动损伤研究

针对尤拉屯气田典型管柱在生产过程中高速气流诱发的振动问题,展开了管柱振动损伤研究,研究中采用了大型有限元分析软件ANSYS建立高产气井带封隔器油管柱振动的有限元模型。利用该模型对管柱进行了振动分析,分析结果表明:离封隔器越远振动位移、速度和加速度的幅值越大。详细地研究了全井段油管柱的轴向应力变化、屈曲损伤和中和点变化,同时分析了不同位置和不同产量下,屈曲管柱与套管柱的接触压力随时间的变化关系,为管柱摩擦磨损损伤机理的深入研究提供了定量的数据。最后对管柱进行了疲劳寿命预测,为管柱振动损伤预防措施的提出提供了理论基础。     

基于能量法的定向井中造斜段下凹管柱屈曲临界载荷分析

运用最小势能原理导出定向井造斜段下凹管柱屈曲载荷计算公式。以常见管柱参数为例,编制了相应的MATLAB程序,计算了不同条件下管柱屈曲临界载荷,分析了井眼曲率半径、平均井斜角、油套径向间隙对管柱临界屈曲载荷的影响。分析结果表明:定向井造斜段下凹管柱屈曲临界载荷随井眼曲率半径的增大呈指数递减趋势,随平均井斜角的增大而指数递增;管柱壁厚的增加会提高管柱抵抗屈曲变形的能力,但这种影响会随井眼曲率半径、油套管径向间隙的增大而减小。本文研究结果可为定向井射孔、试油、改造及完井投产管柱组合及下入提供参考。     

力法在多封隔器管柱轴向力分析中的应用

坐封后,多封隔器管柱为超静定结构,常规单封隔器管柱轴向力的求解方法不适用于该结构。鉴于此,以直井多封隔器管柱为研究对象,基于力法和杆件变形理论,建立了多封隔器管柱超静定结构轴向力的计算模型,推导出轴向力的表达式。以四封隔器管柱为例,考虑压裂工况,分析了温度效应和鼓胀效应下四封隔器间3段管柱的轴向力,对比了文中方法与传统计算方法的结果。研究表明:两种算法计算的差值与温度和压力及其变化量无关,而与封隔器间管柱段的长度有关;两者差值随井深的增加而增加;某段管柱长度的变化对上部管柱段的差值没有影响,而使下部管柱段的差值变化。与传统计算公式逐段计算管柱受力不同,该方法可同时计算封隔器间每段管柱的轴向力,结果更加精确。     

Buckling behavior of pipes in oil and gas wells

Based on the non-linear differential equations of buckled pipes, the buckling behavior of pipes in different wellbores has been analyzed. The relation between the deflection of buckled pipe and the loads on it has been given, and the critical loads for sinusoidal and helical buckling within different wellbores subjected to axial and torsional loads have been determined. Therefore, the profile of load increase during the post-buckling process and the bending moments in the buckled pipe can be determined. In addition, the effects of down-hole packer as fixed end on the helical buckling behavior of pipes have been investigated. These results can be applied to the related engineering design and construction. Keywords: sinusoidal buckling, helical buck     

油管在高次屈曲状态下的最大弯矩和允许座封力

油管在自重和座封力作用下以及井壁约束条件下通常处于高次屈曲状态,根据此特征本文求得了油管可能发生的最大弯矩。其结果是根据螺旋层曲模式求得的最大弯矩的两倍,由此结果导出了计算允许座封力的公式,为油管座封力设评提供了理论的依据和简单可靠的方法。     

复杂力学环境中完井管柱屈曲行为及其防控措施

复杂力学环境中完井管柱由于处于超高温、高压的环境下,容易发生管柱屈曲,大大影响了管柱的服役寿命.基于弹塑性力学理论建立了实际井况下油管柱屈曲行为分析的有限元力学模型,并在此基础上分析了复杂力学工况下管柱的屈曲形态、横向位移等,再针对加扶正器、优化产量以及伸缩管的设计等缓解管柱屈曲措施对管柱屈曲行为的影响程度开展了研究.结果 发现:在苛刻工况下,油管柱底部易发生较为复杂的屈曲,从井深5 500 ～7 300 m井段的油管柱产生了螺旋屈曲的构型,整段屈曲段长达2 400 m;本文工况下,伸缩短节数达到6个后,全井段油管柱的屈曲段长度和管柱弯曲应力的减小速率大幅降低,伸缩短节的个数对管柱屈曲及弯曲应力影响大幅减弱.对于复杂环境下气井工况而言,控制产量对管柱屈曲行为改善最为明显,其次为扶正器设计,为提高油管柱寿命及气井完整性提供了技术支撑.     

高温高产井油管屈曲对特殊螺纹性能的影响

为研究高温高产井中油管发生屈曲对特殊螺纹性能的影响,借助ABAQUS有限元软件建立了某特殊螺纹的三维有限元模型,结合实际屈曲工况,并综合考虑了温度、内压、轴向力等因素,得到了屈曲后油管特殊螺纹的应力分布以及密封结构上的接触压力分布。结果表明：屈曲后特殊螺纹环向上应力分布不均,表现为受压缩一侧Von Mises应力及接触压力明显大于受拉伸一侧,且正弦屈曲段相比于螺旋屈曲段接头环向上的应力集中更突出;屈曲后,受压一侧的台肩以及管体大端外螺纹第一扣处的Von Mises应力值超过了材料的屈服强度,结构发生塑性变形;受拉一侧的密封面以及台肩面上的接触压力为零,密封结构失去密封能力。     

高温高压井测试油管轴向力的计算方法及其应用

针对高温高压井测试过程中油管受力及变形特点 ,在考虑油管螺旋屈曲段与套管之间摩擦力的情况下 ,提出了基于操作过程的计算测试油管轴向力的新方法。计算结果表明 ,摩擦力会改变油管轴向力的分布方式 ,使得轴向力分布与加载顺序有关。摩擦力大小和方向的改变 ,将使因高温高压产生的较大载荷无法向远处扩散 ,从而引起油管局部严重变形。该计算方法得到了室内模拟实验和常温常压井现场测试的验证 ,并成功地用于高温高压井的测试设计     

考虑扭矩影响的弯曲井眼内钻柱屈曲特性分析

分析了弯曲井眼内钻柱屈曲特性,推导了考虑扭矩影响下的弯曲井眼内钻柱屈曲微分方程和屈曲临界载荷计算模型。针对ϕ215.9 mm井眼内的ϕ127.0 mm钻杆,建立了增斜和降斜井段钻柱的有限元模型,对比分析了考虑和不考虑扭矩影响时的钻柱屈曲特性。结果表明,钻柱正弦屈曲构型与扭矩无关,而只与钻柱所受轴向载荷有关,扭矩对螺旋屈曲构型影响较大。数值模拟得到的弯曲井段不同造斜率下的钻柱屈曲临界载荷与解析解的相对误差在15%以内,证明了数值模拟的可靠性。弯曲井眼内施加扭矩后,螺旋角位移增大,正弦和螺旋屈曲临界载荷降低。钻柱正弦屈曲形态变化较小,扭矩对螺旋屈曲变形的影响更大。增斜井段钻柱从顶部开始发生正弦和螺旋屈曲,钻柱底部保持平衡状态;在降斜井段,不考虑扭矩时,初始正弦和螺旋屈曲均首先出现在钻柱下部,考虑扭矩影响时,降斜段初始正弦屈曲出现在钻柱上部,初始螺旋屈曲同时出现在钻柱上部和下部。相对于增斜段,降斜段钻柱屈曲临界轴向载荷非常小,说明增斜井段发生屈曲的可能性相对较小,降斜井段则很容易发生屈曲。结果有望为水平井、大位移井弯曲井眼内钻柱设计、屈曲控制与强度校核提供参考。     

采用夹层模型对压杆蠕变屈曲问题的分析

基于夹层模型理论,建立了具初始缺陷两端可动铰支压杆的非线性蠕变屈曲控制方程．由于对压杆截面的简化处理,所得控制方程仅含时间函数,极易求得问题的近似解析解或数值解．为验证该方法的正确性和计算精度,基于一般压杆蠕变屈曲理论,对相应问题进行半解析法求解．结果表明,两种解法所确定的屈曲临界时间十分接近,说明当材料非线性较小时,采用本文所提出的简化模型和分析方法,可方便和精确地对压杆蠕变屈曲问题进行定量分析．     

基于摩擦系数的连续油管钻桥塞力学特性研究

为明确摩擦系数对连续油管水平井最大钻塞深度的影响,对直井段采用软杆模型,弯曲井段采用刚杆模型,结合屈曲状态分析,设计了连续油管临界锁死判别准则,实现了不同摩擦系数情况下连续油管底部保持一定钻压的最大下入深度计算。研究结果表明:连续油管的屈曲一般发生在垂直井段。增加连续油管最大钻塞深度的有效办法是减小摩擦系数和减小底部钻压;同时会减小螺旋屈曲程度,但会一定程度上增加注入头载荷。研究内容和研究结果对连续油管钻塞作业提供一定的理论参考。     

方钢管混凝土柱在轴压下的局部屈曲

假定方钢管混凝土柱的钢管板件在非加载边受到弹性约束,建立横向位移函数是三角函数条件下钢管壁板的局部屈曲模型.应用能量法推导轴压下钢管混凝土柱的钢管管壁的局部屈曲临界应力的计算公式.以非加载边弹性约束系数分别为2.0和∞为例进行计算.计算结果表明:核心混凝土的存在大大提高钢管管壁抵抗局部屈曲的能力.