新型铝质管柱的理论研究

在钻井中使用轻质的钻柱和套管柱允许选择较小的或／较便宜的设备,这样可能降低钻井费用。设计的钻井管柱必须满足或超过一定的载荷条件和作业限制（如应力、应变、整个拉伸限制、疲劳、腐蚀等）。影响管柱设计的重要参数是钻井管柱（套管和钻柱）材料的密度,管柱密度影响应力（轴向应力,弯曲应力和ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ应力）和柱柱本身的强度,管柱密度同时影响井架压缩和转盘扭矩,井架压缩和转盘扭矩是钻机选型的决定因素,本文     

深水钻井作业管柱纵向振动载荷分析

深水钻井作业过程中,管柱在平台升沉振动的作用下产生纵向振动载荷,影响管柱的强度安全。以深水下表层套管作业管柱为例,建立了具有复杂结构的深水作业管柱纵向振动力学模型,并利用振动力学理论分析了管柱的纵向自由振动特性及纵向受迫振动载荷。分析结果表明,在平台升沉振动的作用下,作业管柱的纵向振动以第1阶振型为主;管柱顶端截面上的纵向振动载荷最大,是作业管柱上的危险截面;当钻井平台的升沉振动周期接近作业管柱的固有周期时,将产生极大的纵向振动载荷;当表层套管下入深度较大时,采用壁厚大的钻杆作为送入管柱能有效降低管柱纵向振动所产生的轴向应力。该项研究结果可为深水钻柱和送入管柱的设计提供依据。     

油气井管柱冲击动力问题研究概况和发展趋势

钻采作业中经常遇到管柱冲击动力问题。具体工况包括：①射孔和爆炸松扣解卡时,炸药爆炸引发的管柱冲击振动;②用震击器解卡时,突然泄流和震击力引发的管柱冲击振动;③钻柱、套管柱、油管柱、抽油杆柱断脱或刹车不灵或操作失误,导致管柱沿井筒向下滑落冲击井底或泵阀,以及管柱下放时突然遇阻的情况。对文献的相关研究进展进行了评述,并介绍了油气井管柱力学三原理、油气井管柱动力学基本方程、油气井管柱的屈曲和拉力扭矩分析、钻柱动力学、直杆和薄壁管在轴向冲击作用下的应力和变形、以及有限元力学仿真的研究进展;最后,对管柱冲击动力研究的力学模型、数学模型、求解方法和预期结果等提出了建议。     

深水导管喷射安装过程中管柱力学分析

根据深水导管喷射安装作业特点,建立了该过程中的管柱静力学模型,并应用加权残值法进行了求解,得出了在考虑环境载荷、钻柱结构及钻井船偏移等因素影响下的管柱变形和应力分布规律。研究结果表明,中深层海流对管柱变形影响最大,合理设计钻柱结构和控制钻井船偏移是保证深水导管垂直安装和钻柱抗拉强度安全的关键。深水管柱的弯曲正应力在钻柱的上下两端作用明显,进行钻柱强度设计时,必须考虑管柱横向变形引起的弯曲正应力,提出了相适应的钻柱结构优化方案。作业初期,钻井船向海流负方向适当偏移,有利于控制导管的入泥倾角;遇阻活动管串时,钻井船向海流正方向适当偏移,能够有效地降低钻柱危险截面上的最大拉应力。     

套管钻井扭转残余应力对套管抗挤强度的影响

套管钻井中套管管柱的旋转动力来自井口所施加的扭矩。讨论了在套管钻井中不同扭矩下扭转状态的确定方法，对应不同的扭矩，套管具有弹性、弹塑性和塑性三种不同的扭转状态；讨论了不同扭转状态下残余应力的分布情况，计算了在弹塑性扭转和塑性扭转情况下的平均残余应力，推导了考虑残余应力影响下的套管抗挤强度修正公式。算例分析结果显示，在发生弹塑性扭转的情况下残余应力使套管抗挤强度下降了0．033％，在保证管体不发生几何形状改变的条件下，可忽略残余应力对套管抗挤强度的影响。     

GC 2L4型钻井管柱自动化处理系统研制

为提高钻井作业效率、降低操作人员劳动强度,提高操作安全性,同时为了提高钻机的自动化、智能化水平。研制了GC 2L4型钻井管柱自动化处理系统,通过配置举升式动力猫道、自动井架工、液压吊卡、铁钻工等机械化设备,与顶驱装置配合实现钻杆、钻铤、套管等钻井管柱的机械化输送、机械化建立根、立根自动化排放等作业,实现高效、安全、低作业强度的管柱自动化处理作业模式。通过钻机集成双司钻智能控制平台,实现管柱处理系统的自动化远程集中控制。     

钻柱拉力—扭矩模型述评

为加深对钻柱摩阻问题的研究,约翰西克、莱萨哲、何华山、杨姝和李子丰先后建立了5种钻柱拉力—扭矩模型。通过分析对比,认为李子丰模型是目前较完善的钻柱拉力—扭矩模型,适用于一切钻井过程中钻柱、套管柱稳态拉力和扭矩的计算,且具有较高精度。     

油气井杆管柱力学研究进展与争论

油气井杆管柱是石油钻采作业的脊梁和中枢神经。在石油与天然气工程学科中,油气井杆管柱力学是一门重要的应用基础科学。先介绍了油气井杆管柱力学的相关专著、从事油气井杆管柱力学研究学者、研究油气井杆管柱力学的方法并澄清了一些基本概念;进一步重点介绍了油气井杆管柱力学基本原理、油气井杆管柱的运动状态、油气井杆管柱动力学基本方程、油气井杆管柱的稳定性、油气井杆管柱的稳态拉力扭矩、下部钻具三维力学分析、钻柱动力学、套管柱力学分析、测试管柱力学分析、压裂注水注汽管柱力学分析、有杆泵抽油系统诊断和参数优选与节能、采气管柱的振动、管柱的冲击震动、膨胀筛(套)管力学分析、隔水管柱力学分析、振动波信号在管柱中的传播、管柱的磨损和腐蚀与冲蚀、管柱的剩余强度和疲劳强度预测等方向的进展与争论;展望了油气井杆管柱力学的重点研究方向。     

深井和大位移井套管磨损程度预测

为提高套管柱强度设计准确性,防止磨损失控情况发生,深入分析了套管磨损预测技术。结合定向井钻柱力学研究成果,考虑钻柱刚度和屈曲的影响,推导了深井和大位移井的钻柱拉力-扭矩方程,建立了基于能量原理的套管磨损程度预测模型,并编制了预测软件。该预测软件可以预测包括钻进、起下钻具等作业过程的,不同套管柱层次、钻具组合、井眼轨迹、钻井液类型和钻井参数等情况的全井段不同井深所对应的套管磨损量。实例计算结果表明,编制的预测软件减小了人为的估计误差,预测值更为准确可靠。研究成果为深井和大位移井安全高效钻进提供了新的技术支持。      

考虑摩擦作用的井下管柱弯曲效应研究

在油田生产过程中，弯曲效应是对井下管柱变形影响最为严重的因素之一。管柱弯曲效应的研究对钻井和完井工艺的设计起到非常重要的作用。从国内、外目前的一些研究中可以发现．大多数力学分析都忽略摩擦力的存在，实际上摩擦力的存在对弯曲效应的影响有着重要的作用。本文将研究摩擦力对管柱弯曲变形的影响，引入轴向力和扭矩，通过平衡方程和能量法建立了一个综合的力学模型；此外，建立井下管柱弯曲与断裂极限判别式，通过判别式可以判定井下管柱是否有可能发生断裂．由此可以作为选择管柱材料的判断依据。     

钻柱拉力扭矩模型在侧钻水平井中的应用

在油气井作业中,由于钻柱和井壁接触所产生的轴向阻力和扭矩损失对钻井和修井作业均有很大的影响，甚至成为作业成败的关键。钻柱的拉力和扭矩分析是水平井和大位移井设计和施工的重要内容。为此，介绍了钻柱拉力扭矩分析的数学模型、钻柱稳定性判别方法和屈曲后的附加压力和附加应力的钻柱强度校核方法。对钻进过程中的G104-5CP12侧钻水平井钻柱的各种运动状态进行了力学分析。计算表明，在正常施工过程中钻柱一直处于稳定状态，具有比较大的安全系数。     

塔里木油田井口偏心对套管偏磨的影响

井架不正或井口偏心，会造成近井口套管（或套管防磨套）的磨损。针对深井钻井中的井口附件套管偏磨问题，以动力学为基础，建立了钻柱偏磨力学模型，推导出了套管/钻柱正压力的近似计算公式，分析了影响偏磨的主要因素。计算结果表明，有效偏心距和上部钻柱的提升力是影响近井口套管偏磨的主要因素。有效偏心距越大，上部提升力越大，套管/钻柱之间的正压力将越大，磨损将越严重。由于上部钻柱的提升力随井深的增加而增加，因此应当尽量避免井口偏心或井架安装不正，防止有效偏心距过大而造成近井口套管的严重偏磨。     

水平井管柱提升下放载荷测试及分析

潜喷管柱是钻井过程中最重要的运动部件。套管本身的不光滑和管道的不均匀性，使得油管和套管之间的摩擦阻力是随机变化的，因此管柱在提升和下放时所承受的载荷是一个随机变量。载荷的大小直接影响管柱井下输送的可行性，因此正确估算管柱载荷对潜喷过程来说具有重要意义。     

海上大斜度井钻柱疲劳寿命预测方法研究

在大斜度井作业中,钻柱具有中和点高、受压段长、承受扭矩高和作业时间长的特点,同时在交变应力下易造成管柱屈曲和疲劳损坏等危害,加之屈曲状态交变应力作用,很快会使钻具失效。本文基于适用于钻井实践的材料断裂力学理论,分析钻柱在井下的交变应力状态,得出了大斜度井钻柱疲劳裂纹扩展理论,总结了钻柱疲劳程度累积模型,为安全、顺利钻井提供了技术保障。     

深水工况下套管柱载荷分析

深水钻井施工风险高,成本高昂,需要研究科学的套管设计方法,以避免或减少因设计不合理而造成的井下事故与复杂情况。目前套管柱强度设计方法缺乏对深水钻井工艺条件的考虑,因此有必要进行深水套管柱载荷分布的研究,以弥补现有设计方法的不足。考虑深水作业过程中隔水管解脱、钻井液漏失、套管试压和固井等复杂工况,针对不同的工况,给出了套管内压、外挤及轴向等套管载荷的计算方法,并对国内一口深水井进行了实例分析。分析结果表明,原有的套管柱强度设计方法不能满足深水套管柱设计的要求,考虑深水特殊作业工况是正确选择套管柱的前提。该套管载荷的分析计算方法可用于陆地及浅海钻井套管柱设计。     

基于钻井延伸极限的管柱分段优化设计方法

大位移井的横向延伸能力不断提高,管柱力学行为更加复杂,对管柱的优化设计提出了更高的要求。为此,综合考虑管柱各种作业工况和约束因素的影响,构建了一种基于大位移井延伸极限的管柱分段优化设计方法。对于大斜度段管柱采用加权目标函数法进行设计,采用先局部后整体的方法进行求解;对于上部常规段管柱采用近似延伸极限法进行设计,采用迭代法进行求解。研究结果表明,新设计方法可有效地解决大位移井管柱和接头优化设计问题。井眼状况良好时,可在钻柱上安装减阻器,以降低管柱摩阻;井眼状况较差时,采用小尺寸接头钻柱且不采用减阻接头,以降低局部机械阻力。套管设计中建议采用兼顾套管居中和减阻的折中方案,折中方案结果相对于仅考虑套管居中或减阻的结果更加合理。研究结果可为大位移井中管柱的优化设计提供参考。     

套管柱拉力—扭矩模型及在定向井中的应用

在固井作业中，不仅要将套管下入到设计深度，还要在注水泥浆结束后，上提、下放和旋转套管以提高固井质量；在某些特殊情况下，还有可能将套管起出。在固井施工之前，应该对套管柱进行拉力和扭矩分析，以确认套管强度和地面设备是否满足要求。文中在考虑钻柱刚度的基础上建立了定向井套管柱拉力扭矩模型，提出了套管柱强度校核方法。对大庆油田的一口定向井的套管柱进行了拉力、扭矩和强度分析。结果表明，该井套管具有足够的强度，可以实施上提、下放和旋转套管作业。     

转盘钻井条件下套管钻井管柱连接技术

大庆油田为了实现对外围未动用储量的经济有效开采,开展了转盘钻井条件下的套管钻井技术研究。研究开发了固定式和铰接式套管夹持器、方套转换接头、偏梯扣加止扭台肩套管,以及特殊扣型加止扭台肩套管,详细介绍了其结构及工作机理,并对偏梯扣加止扭台肩套管的受力进行了计算分析,结果证明套管丝扣强度完全满足安全钻井的要求。室内检测和7口井的现场试验结果表明,转盘钻井条件下套管钻井管柱连接技术能满足现场使用要求。     

套管钻井中套管柱动应力研究及计算方法

在套管钻井过程中,套管柱在旋转情况下同时受到轴向荷载及旋转带来的扭矩荷载的作用,其受力状况与套管柱在非旋转情况下的受力状况有较大的差异。在分析套管钻井过程中套管柱实际受力状况的基础上,应用双向应力状态分析方法和能量守恒原理,分析和研究了套管柱在静态轴向力和剪切力作用下的许用扭矩,并针对套管钻井过程中套管柱旋转的工况,提出了套管柱在旋转状态下的许用扭矩及安全转速的计算方法,为合理地选择套管钻井作业参数提供了依据和方法。     

套管钻井中套管柱疲劳可靠性及相关力学特性研究

利用CAE仿真技术和可靠性疲劳实验方法,研究了套管钻井中的有关力学问题.分析了不同径厚比套管的受力状态、磨损套管剩余强度、套管柱的振动模态和疲劳可靠度.研究结果表明,径厚比越大,套管管体Mises应力越大,套管发生失稳的临界荷载越小.对于均匀磨损,随着磨损长度的增大,套管的剩余抗拉和抗扭强度逐渐变大,并达到一个极限值;对于非均匀磨损,其剩余抗拉强度与磨损长度之间的关系均近似服从指数分布.两种磨损状态下,套管柱剩余抗拉和抗扭强度都随磨损量的增加而降低;套管柱外径对套管横向振动固有频率的影响大于径厚比对其的影响,纵向固有频率主要取决于管柱长度.运用可靠性方法,基于概率分析设计了单轴和双轴疲劳可靠性试验,得到了套管柱的单轴和双轴概率疲劳特性,推导出套管钻井的P-S-N曲线方程.