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.     

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。     

水平井段管柱屈曲与摩阻分析

利用有限差分法和Newton迭代法 ,计算了斜直井段管柱螺旋屈曲临界力、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。     

横向纤维搭桥下的脱层屈曲数值模拟

基于结构屈曲分析的ANSYS有限元法,在考虑横向纤维搭桥影响下,对矩形薄板的脱层屈曲进行数值模拟.结果表明：考虑纤维搭桥时,结构脱层屈曲的临界载荷大幅度提高;脱层后,屈曲模态将发生扩展并产生多个半波模态;随着约束刚度不断增大,脱层屈曲区域逐渐减小,局部屈曲的范围逐渐靠近受载端,且脱层屈曲的特征长度（半波波长）随之减小,而临界载荷值增大.     

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．     

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。     

面内载荷作用下功能梯度板动力屈曲

基于Kirchhoff薄板理论与Vogit应变假设,用Hamilton原理,得到面内载荷作用下材料物性参数服从幂律分布的功能梯度板动力屈曲控制方程。联合使用分离变量法和试函数法,获得了功能梯度板在满足边界条件下的动力屈曲临界载荷解析表达式和屈曲解。数值计算讨论了功能梯度板的几何尺寸、梯度指数、屈曲模态阶数以及材料构成对临界载荷的影响。结果表明:功能梯度板的动力屈曲临界载荷随临界长度的增大呈指数式下降,随厚度的增大而增大,随梯度指数k的增大而减小,且k值在区间(0,1)内对临界载荷影响较大。动力屈曲临界载荷随构成材料的弹性模量、泊松比以及模态阶数的增大而增大,且弹性模量影响较为明显。面内载荷越大,越容易激发功能梯度板产生高阶屈曲模态。边界条件对功能梯度板的屈曲模态影响较大。     

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     

支座突然沉陷时浅拱的冲击屈曲

本文研究两端简支的正弦浅拱当一端支座突然沉陷并受冲击载荷作用时的屈曲行为,文中考虑了拱的一阶变形模态,并给出了静态屈曲和冲击屈曲临界载荷的计算,分析表明支座沉陷量对静力屈曲的影响大于对冲击屈曲的影响。     

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γl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：粘压传递、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10％，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．     

限制失稳杆的后屈曲分析

按照不同的接触状态对杆的后屈曲性能分阶段分析.将任意两相邻接触点之间的杆分别作为研究对象.基于小变形假设,采用点接触、线接触模型,建立了通用的力学分析模型,导出了杆在不同后屈曲模态、不同接触状态下的平衡方程.通过求解平衡方程,建立了不同屈曲模态下,轴向载荷和杆、限制失稳构件之间接触状态的关系,得到了接触状态和后屈曲模态发生过渡的临界载荷条件.结果表明,当不同分段的长度相等时,将会发生后屈曲模态的过渡.与不受约束的欧拉失稳相比,杆的限制失稳过程具有丰富的分叉点.     

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。     

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。     

3D复合材料纤维搭桥对椭圆脱层屈曲的影响

用能量法求解了绑结层合板和编织层合板等3D复合材料中有纤维搭桥的椭圆搭桥的椭圆形表面脱层的屈曲问题，搭桥纤维被视为连续分布于脱层表面，可提供人与脱层屈曲挠度成正比的恢复力的线性弹簧，通过假定合理的屈曲模态，得到了满意的结果，算例表明，纤维搭桥对提高临界屈曲载荷的作用十分明显，随着纤维搭桥弹性系数的增大，临界屈曲载荷迅速提高，椭圆长轴的长度增大时，临界屈曲载荷减小并逐渐收敛。     

基于弧长法的南瓜型超压气球非线性后屈曲分析

稳定性研究是南瓜型超压气球设计面临的重要课题。针对南瓜球非线性屈曲过程,对含初始缺陷南瓜球的稳定性进行研究。首先,对南瓜球进行特征值屈曲分析,得到前8阶屈曲模态及线性屈曲临界载荷。然后,基于特征值分析的模态构型给出初始缺陷分布,进一步利用非线性有限元中的弧长法分别计算临界缺陷模态和组合缺陷模态下对应的屈曲临界载荷。结果表明,南瓜球对初始缺陷较敏感,缺陷的幅值和分布形式对承压能力和失稳形态均有影响,承压能力随缺陷幅值增大而降低,说明提高南瓜球稳定性需要提高气球的加工精度。同时,对已失稳南瓜球的应力分布进行分析,发现失稳状态下南瓜球高应力区的应力水平远高于相同载荷下未失稳南瓜球的应力水平。可见,失稳现象极大降低了气球的承压能力。     

空间薄壁CFRP豆荚杆悬臂屈曲分析及试验

空间薄壁CFRP豆荚杆工作时处于悬臂状态,为掌握其悬臂受力性能,分别以截面2个对称轴为中性轴对豆荚杆悬臂梁进行末端加载试验,得到了屈曲荷载及屈曲特性.利用ABAQUS进行线性特征值屈曲分析,并引入特征值屈曲模态作为初始几何缺陷进行非线性屈曲模拟,得到豆荚杆悬臂梁屈曲临界载荷及非线性屈曲特性.与试验结果进行对比分析表明:初始几何缺陷对豆荚杆悬臂梁屈曲临界载荷影响显著,给理想豆荚杆植入适当的初始几何缺陷可有效模拟实际豆荚杆屈曲.基于试验和模拟分析,进一步对豆荚杆壁厚、铺层和杆件长细比进行参数分析,得到各参数对豆荚杆悬臂梁屈曲临界载荷的影响,对悬臂薄壁CFRP豆荚杆的设计和应用具有重要参考价值.     

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.     

理想刚塑性圆柱壳在轴向冲击作用下的动态非轴对称屈曲

采用包含轴向坐标ｘ和环向坐标θ的屈曲模态,通过最估模态的分析得到了理想刚塑性圆柱壳在轴向冲击载荷作用下,发生轴对称的及多种非轴对称屈曲模态时的临界速度,并进一步了临界速度与径厚比的关系。     

考虑应力波效应时直杆塑性动力屈曲研究

采用有限元离散,对应力波作用下直杆塑性动力屈曲问题进行研究,提出了一种求解方法.由直杆动力分叉屈曲的特征方程可知,屈曲模态中放大最快的模态同时满足了双特征参数法所得到的屈曲控制方程和波前约束条件,因而其对应的应力波传播长度即为临界屈曲长度.据此,建立了直杆塑性动力屈曲求解的数值方法,计算表明本文方法所得结果与文献数据符合较好,该方法可以推广到任意形式动载荷作用下考虑应力波效应直杆的屈曲研究中去.