水平井眼中管柱变形方程的实验仿真

以已有的三维井眼中管柱正弦屈曲和螺旋屈曲行为分析模型软件为基础 ,根据物理相似原理 ,设计了井眼中管柱屈曲变形的小尺寸模拟实验装置 .通过改变管柱变形微分方程中包含的无因次轴力 β、无因交摩擦及数 γ1和无因次轴力分布系数 γ2 的值 ,利用该装置对管柱在水平井中的临界载荷、载荷传递效率、变形效应等进行模拟实验 .试验结果表明 :钻压传递、位移与载荷的实验结果与理论计算值之间的最大差值不超过 1 0 % ,临界屈曲载荷的理论值与实验值之差不超过 6% .本文的结果可为修正理论模型提供指导 ,使理论模型能更好地指导现场的油井管柱施工作业     

考虑摩擦时水平井钻柱的稳定性分析

分析摩擦对水平井钻柱稳定性的影响对于水平钻井作业的顺利进行是非常重要的．本文首先根据钻柱在水平井眼中的变形几何方程和静力平衡方程导出了钻柱的屈曲方程．通过线性化方程的小参数摄动解，讨论了不同边界条件下钻柱在水平并眼中的临界失稳载荷．绘制了不同摩擦系数（ｖ）下，无因次临界载荷（βｏｍ）与无因次长度（αＬ）之间的关系曲线；以及无因次钻压βＬ与临界无因次长度αＬＣ之间的关系曲线．本文的结果和有关的曲线可为水平井钻柱的稳定性计算和设计提供理论基础．     

管柱在垂直井眼中的屈曲分析

本文导出的管柱在垂直井眼中的屈曲方程是一个含有小参数ε的四阶非线性微分方程．当ε取不同值时，屈曲方程有３种不同形式的解．当ε＞εｃ时，杆柱保持其稳定状态，屈曲方程没有非零解．当εｍ＜ε≤εｃ时，管柱发生拟正弦（平面）屈曲．当ε≤εｍ时，管柱发生螺旋屈曲、本文求得了屈曲方程的渐近解，并进而给出了发生螺旋屈曲的临界载荷和ε的临界值。并对螺旋屈曲后管柱承受的弯矩、井壁的侧向正压力以及管柱的纵向位移等进行了分析．     

斜直井眼中铅垂平面内钻柱屈曲荷载分析

利用能量法，推导了斜直井眼中钻柱的屈曲临界载荷．在力学模型中，考虑了钻柱自重和井斜的影响，给出了斜直井眼中临界载荷的一般公式，并讨论了两种形式的变形能增量计算方法的差别，所得结果可供工程计算使用．     

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。     

定向井中造斜段下凹管柱屈曲性能分析

在定向井的造斜段,由于井眼轨迹的下凹,位于其中的管柱在重力与井眼的约束下存在初始下凹弯曲。为了了解定向井造斜段管柱的屈曲性能,运用最小势能原理推导出定向井造斜段下凹管柱屈曲载荷计算公式,分析了井斜角、造斜段井眼曲率半径对管柱屈曲载荷的影响。算例分析结果表明,随井斜角的和井眼曲率的增大,管柱屈曲临界载荷增加,管柱的纵向稳定性提高。     

复杂载荷条件下有缺陷海底管道非线性屈曲分析

针对有初始缺陷海底管道在弯曲、轴力和外部静水压力联合作用下的复杂载荷屈曲压溃问题,建立管道的屈曲压溃理论模型,研究中考虑管道变形的几何非线性和材料非线性,运用结构弹塑性本构关系,基于虚功原理建立管道屈曲压溃方程;运用MATLAB编程进行数值计算,分别研究分析弯曲、轴力和外部静水压力单独作用,以及3种载荷联合作用的管道压溃压力。研究结果表明:复杂载荷条件下的有缺陷管道,尤其是当轴力和曲率比较大时,各因素对管道屈曲压溃压力影响的非线性特征逐渐明显;多种载荷的联合作用与单一载荷对屈曲压溃压力的影响是不一致的。研究结果可为实际工程中海底管道临界屈曲载荷的确定、危险位置的辨识、设计中的结构参数优化以及施工中的屈曲控制提供理论依据,从而保障海洋油气输送安全。     

斜直井眼中铅垂平面内钻柱屈曲荷载分析

利用能量法，推导了斜直井眼中钻柱的屈曲临界载荷。在力学模型中，考虑了钻柱自重和井斜的影响，给出了斜直井眼中临界载荷的一般公式，并讨论了两种形式的变化能增量计算方法的差别，所得结果可供工程计算使用。     

斜直井眼中钻柱侧向屈曲的研究

利用能量法，推导了斜直井眼中钻柱的侧向屈曲临界荷载．在力学模型中，考虑了钻柱自重和井斜的影响，给出了斜直井眼中钻柱侧向屈曲临界荷载的一般形式．对于给定截面尺寸的钻柱，临界荷载是钻柱长度的函数，且随井斜角的变化而变化．在确定实际钻柱的临界荷载时，要充分考虑井眼的具体情况．讨论了发生高阶屈曲的条件，所得结果可供工程计算参考．     

求解桁架临界载荷的新方法

以往求桁架结构临界载荷归结为求桁架总刚度阵的特征值，而总刚度阵中的与轴力有关的几何刚度阵，则是从各杆件始终处于直线状态，并在轴向变形中考虑横向变位影响而导出的；这样就必然导致当整体失稳时各杆件都不会发生欧拉屈曲的结果，这是不合理的．作者认为桁架失稳有可能是由杆件的局部欧拉屈曲导致成机构所造成的．由此提出一种计算桁架临界载荷的新方法，算了若干例题，并和过去的一般方法作了比较．有的两者计算结果之差竟达１８．５４倍，这就说明本方法具有理论和实际意义．     

基于多材质复合管柱的裸眼井壁支撑工艺及应用

已完钻超深裸眼水平井侧钻技术是经济、高效开发油藏剩余油的主要手段之一，传统的磨铣钢套管开窗侧钻技术存在下入摩阻大、磨铣耗时长导致开窗失败等问题。为此，提出了基于多材质复合管柱的超深水平井裸眼井壁支撑工艺，结合中国西北油田已完钻超深裸眼水平井井况，首先，提出了基于“铝合金+碳钢”的多材质复合管柱组合及设计方法；其次，开展了基于管柱实物屈曲实验数据的管柱临界屈曲载荷计算模型适用性评价，并优选出了适合于“铝合金+碳钢”多材质复合管柱的屈曲临界载荷计算模型；最后，研究了综合考虑管柱扭矩、摩阻、刚性、井眼条件、管柱强度及材质的多材质复合管柱下入性分析方法，并利用下入性分析软件对西北油田顺北X1井、X2井、X3井、X4井复合管柱进行了下入可行性评价。该方法在X1井和X2井得到成功应用，进一步论证了该工艺现场应用的可行性。研究成果可为超深水平井裸眼井壁支撑的复合管柱设计和下入可行性评价提供理论参考。     

偏轴钻具组合防斜效果的实验室评价

运用底部钻具组合运动状态模拟实验装置，在实验室内评价了偏轴钻具组合的防斜效果。根据钻头与地层相互作用模型，提出了以井斜趋势角为指标的综合评价方法，利用模拟实验数据对直径为311mm井眼中4种偏轴钻具组合的防斜效果进行了评价。结果表明，井斜趋势角可以作为综合评价钻具组合防斜效果的指标；使用扶正器可以提高偏轴钻具组合的防斜效果。     

连续油管在水平井中的稳定性分析

考虑端部约束条件，建立了连续油管在水平井中的稳定性方程。用差分法求解这个方程，得到了连续油管的临界失稳载荷。讨论了井斜角、环空间隙、管柱长度和摩擦系数对连续油管在水平井中稳定性的影响。在水平井眼中，随着连续油管长度的增加，其临界失稳载荷趋于一个常数。井斜角越大或环空间隙越小，管柱越不易失稳。摩擦系数的改变对临界失稳载荷的影响不大     

水平井段管柱屈曲与摩阻分析

利用有限差分法和Ｎｅｓｗｔｏｎ迭代法，计算了斜直井段管柱螺肇屈曲临界力、沿螺旋段分布的管柱与井壁接触力以及后屈曲平均侧向接触力。分析了钻杆接头对水平井段钻柱屈曲临界力和弯曲应力的影响，提出了计算钻柱正弦屈曲临界力的新方法。结果表明，当轴向压力较小时，钻杆接头引起钻柱弯曲应力；当轴向压力较大时，接头会抑制螺旋屈曲的发生，降低钻柱的弯曲应力，另外，给出了水平井段钻柱出现反转的判别式。     

钻柱失稳的准螺旋模型研究

建立了钻柱失稳的准螺旋模型,并用能量法推导出水平段和弯曲段钻柱的准螺旋失稳临界屈曲载荷,给出了水平段钻柱失稳后的摩阻力计算公式。计算结果表明,钻柱的准螺旋失稳临界载荷小于其完全螺旋失稳临界载荷。弯曲段井壁的约束增大了该段钻柱的刚度,因此,弯曲段钻柱的临界失稳载荷大于水平段的相应载荷值。室内模拟实验研究表明,准螺旋模型计算值与实验值较为接近,计算结果可供实际钻井作业参考。     

轴向拉力对薄壁梁的侧向屈曲临界载荷值的影响

分析了几种特殊约束下，薄壁梁出现侧向屈曲的临界载荷受轴向拉力的影响，推导出含有轴向拉力的变系数线性齐次微分方程．采用了逐次逼近法解出狭长矩形截面梁的侧向屈曲临界载荷值，并与弹性稳定理论中的同类问题作了比较得出了轴向拉力的影响使得梁的侧向屈曲临界载荷值有较明显提高的结论．     

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     

三维复杂井眼上提冲放套管屈曲摩阻模拟研究

针对复杂井身结构、复杂井眼轨迹和井径变化导致的套管下放困难甚至不能到达预期井深的问题,开展了三维复杂井眼上提冲放套管屈曲摩阻研究。在螺旋屈曲套管附加摩阻理论的基础上,利用有限元分析,以H井实际工况参数建立三维复杂井眼套管“上提冲放”作业过程的有限元模型。利用该模型对全井段套管受力及屈曲变形情况进行了分析,结果表明,H井直井段套管在冲放瞬间及自由稳定后所受的轴向力大于其螺旋屈曲临界载荷,从2 000 m井深至造斜点之间井段发生了严重的螺旋屈曲变形,套管螺旋屈曲附加摩阻太大而自锁,下部套管无法传递动力出现下放困难。该类三维复杂井眼套管下放困难机理对复杂井眼套管柱屈曲形态损伤及其失效研究具有重要意义。     

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。     

偏轴钻具组合防斜效果的实验室评价

运用底部钻具组合运动状态模拟实验装置,在实验室内评价了偏轴钻具组合的防斜效果。根据钻头与地层相互作用模型,提出了以井斜趋势角为指标的综合评价方法,利用模拟实验数据对直径为311mm井眼中4种偏轴钻具组合的防斜效果进行了评价。结果表明,井斜趋势角可以作为综合评价钻具组合防斜效果的指标;使用扶正器可以提高偏轴钻具组合的防斜效果。