井内有流体时管柱弯曲临界力分析—封隔器管柱受力分析系统讨论之一

管柱弯曲临界力是判断井内管柱是否弯曲的重要依据,也是解决封隔器管柱受力分析中十分重要但又令人费解的“虚力”问题的关键。文中对封隔器管柱在井内有流体时管柱弯曲临界压力进行了推导和分析。     

允许自由移动的封隔器管柱受力变形计算分析

允许自由移动的封隔器管柱是油气井封隔器完井的一种重要类型,油气井内压力和温度变化会导致封隔器管柱受力,从而发生变形。因此,计算自由移动封隔器管柱的变形量是整个管柱受力分析的重要组成部分,也是保证井下作业成败的关键因素。文中对自由移动封隔器管柱进行了受力分析,对管柱的变形量公式进行了推导,并给出了实例进行论证。     

进行管柱受力分析时值得重视的若干问题

对于压力和温度不太高或不合硫化氢的油气井封隔器管柱受力分析都比较简单,但对于井深、压力高、温度高、含硫化氢的气井,管柱受力分析就比较复杂了。高温高压含硫深气井在进行封隔器管柱受力分析时需要考虑相当多的技术问题,特别是技术细节问题,只有做到这样才能抓住管柱受力分析的关键和根本,使管柱受力分析建立在可靠的工艺基础上,也才能使完井试油和完井生产封隔器管柱在使用过程中更安全更可靠,防止封隔器管柱受力分析中出现简单化、主观化、片面化等问题。为此,笔者结合高压高温含硫深气井封隔器管柱受力分析研究、设计、实践经验谈谈自己的一些体会。     

封隔器管柱屈曲变形及约束载荷分析

目前的封隔器管柱屈曲分析没有考虑靠近封隔器段非螺旋屈曲段管柱,没有给出非螺旋屈曲段管柱的变形表达式和封隔器对管柱的约束载荷。鉴于此,取管柱微元体进行受力分析,根据平衡条件和小挠度梁屈曲理论,得到了紧靠封隔器段平面屈曲管柱及螺旋屈曲管柱的屈曲变形微分方程;根据屈曲变形微分方程,利用边界条件得到了紧靠封隔器的平面屈曲管柱的挠度,推导出了封隔器对管柱的约束力和约束弯矩,可供管柱强度校核及封隔器胶筒设计参考。     

不能移动封隔器管柱变形受力分析——封隔器管柱受力分析系统讨论之五

不能移动封隔器管柱是油气井封隔器完井的一种常见类型 ,在井内压力、温度、流体 (井内压力、温度、流体简称井内条件 ,下同 )发生变化时 ,不能移动封隔器管柱受力分析是保证井下安全和完井作业成功的关键 ,同时该管柱受力分析与自由移动封隔器管柱受力分析有很大的差别。文中对不能移动封隔器管柱变形受力的有关问题进行了分析、推导和讨论 ,并给出了算例。     

异常高压特高产气井井下管柱力学分析

对异常高压、特高产气井完井及生产过程中的管柱受力进行分析,是确保气井长期安全生产的重要课题之一。现有的管柱力学计算方法基本是建立在Lubinski模型的基础上,只能分析、计算封隔器坐封好后由于温度、压力的改变而产生的温度效应、活塞效应、鼓胀效应和螺旋弯曲效应,而对于封隔器坐封前后管柱受力的变化、浮力的转移、生产过程中气体的粘滞力则没有现成的计算模型。文章通过将管柱受力分解为管柱入井、假定工况不变且无位移情况下的封隔器坐封以及工况改变且有位移时的封隔器坐封三步,在逐步推理的过程中分析了克拉2气田3口异常高压、特高产气井在完井过程中的管柱受力问题,对封隔器坐封前后浮力的转移、坐封过程管柱受力的变化进行了分析计算。并且采用新方法对生产过程中气体的粘滞力进行计算,最终给出了针对异常高压、特高产气井完井及生产的安全建议。     

双封隔器复合管柱受力分析方法及应用

在封隔器管柱中,人们最关心的是封隔器的封隔效果。因此,了解封隔器管柱在各种工作条件下的受力状况是非常重要的。本文以Lubinski的管柱受力分析基本理论为基础,针对双封隔器复合管柱,推导出用于双封隔器复合管柱受力分析的基本数学模型,并结合油田实际,介绍了封隔器受力及其承受压差的计算方法。将该技术应用于封隔器管柱的设计,可以了解封隔器在井下的受力状况,消除不可靠因素,保证封隔器管柱安全工作。最后,本文以一口注水井为例介绍了该方法在油田生产中的应用。     

初始管柱压缩量计算分析—封隔器管柱受力分析系统讨论之三

初始油管压缩量计算,是某些封隔器管柱受力分析计算的重要参数,它不仅能够对封隔器坐封时现场施工提供指导,而且还是后续施工或完井过程中计算管柱的受力和变形的基础,文中对初始管柱压缩量计算公式进行了推导和分析,并给出了算例,现场应用表明,经典方法的误差比文中介绍了的方法的误差大得多。     

自由移动封隔器管柱变形量计算分析--封隔器管柱受力分析系统讨论(之四)

自由移动封隔器管柱是油气井封隔器完井的一种重要类型 ,在油气井封隔器管柱完井工艺中 ,井内压力、温度、流体发生变化后 ,自由移动封隔器管柱变形量计算是该封隔器管柱受力分析中十分重要的工作 ,是保证安全成功地进行完井作业的关键。文中对该封隔器管柱变形的有关问题进行了分析 ,对管柱变形量计算公式进行了推导和讨论 ,并给出了算例。     

带多封隔器水平井作业管柱解封力分析

根据封隔器解封过程中解封力在作业管柱中的传递特点,建立了带多封隔器作业管柱解封过程受力计算模型,给出了解封力在作业管柱中的分布规律和管柱变形量计算公式,利用Visual Basic语言编制了相应的计算软件。根据吉林油田某水平井实际作业参数,对带有多封隔器作业管柱解封过程进行模拟计算,并与现场监测值进行对比。结果表明,上提载荷和管柱变形量的模拟计算结果与监测值的误差分别为2.77%和3.10%,说明计算模型具有较高的计算精度,可以满足实际工程需要;在解封过程中,带封隔器作业管柱危险点出现在封隔器和造斜段位置,因此有必要对相应位置管柱强度进行校核。     

有杆泵泵筒的纵向弯曲机理分析

有杆泵在抽油时，泵筒会发生纵向弯曲，造成其纵向弯曲的机理是，当抽油泵柱塞上行时，由弯曲的管柱产生的弯曲力矩作用于泵筒所致。其中，泵筒上部固定泵柱塞上行时．泵筒会发生纵向弯曲，其弯曲强度大于管柱；而泵筒下部固定泵柱塞上行时，泵筒不会发生弯曲，只是其柱塞在稠油井中下行时泵筒才会发生纵向弯曲。造成泵筒弯曲的合力在柱塞的上部最大，其磨损速度也最大。     

钻柱螺旋屈曲时钻速与轴向力间的关系

在研究垂直井眼中钻柱在自重作用下发生屈曲时,一直沿用Lubinski的临界钻压条件得出结论,但该结论是在静态下考虑钻柱的失稳问题时获得的,由于钻柱还会受到其他因素的影响,因而该结论具有明显的缺陷。鉴于此,通过考虑离心力和重力对钻柱屈曲的影响,运用能量法研究了钻柱最大转速与螺旋屈曲时临界轴向力间的关系。根据能量法原理,确定钻柱的弯曲变形能等于重力做的功和离心力做的功之和,推导了钻速和轴向临界力间的数学关系表达式。研究结果发现,在工作状态下,钻柱的临界压力会明显地小于静态时的临界力,这在一定程度上弥补了Lubinski无重钻杆螺旋失稳条件的缺陷。对实际的钻探工程来说具有十分重要的指导意义。     

抽油杆柱纵向螺旋弯曲对脱扣的影响

抽油杆柱在下行程时,杆柱中和点以下部分受压失稳,发生包括扭转和弯曲在内的空间螺旋弯曲变形。杆柱接头螺纹在失去预紧力和受振动力作用下产生松扣,弯曲变形扭矩则加快了下部接头的脱扣速度。为预防或减少抽油杆柱脱扣,一是减少或避免抽油杆柱发生螺旋弯曲变形,二是上紧接头螺纹,达到要求的上扣预紧力。     

气体钻井钻柱抗疲劳短节设计与应用

气体钻井过程中由钻柱运动（包括公转和纵向共振） 引起的钻具疲劳断裂,造成了大量的井下钻具事故,成为推广应用气体钻井技术的障碍。为此,设计开发了气体钻井用抗疲劳短节：该短节组装采用花键联接;通过对轴向冲击力作用的下部钻具力学仿真分析,钻进中抗疲劳短节的花键芯轴与花键外筒产生相对位移,压缩筒内二甲基硅油吸收冲击力,从而使安装抗疲劳短节的钻铤应力水平降低30%。现场应用结果表明：安装应用抗疲劳短节的钻柱扭矩参数变化不大,钻进平稳且未发生跳钻现象,钻头受力均匀,钻时比较稳定;出井的短节经探伤检测合格级别为I级,进一步验证了抗疲劳短节可以有效预防钻柱在气体钻井中所产生的钻具疲劳断裂问题,有利于钻柱在气体钻井中长期安全工作。     

直井地面驱动螺杆泵采油杆管偏磨机理

将直井地面驱动螺杆泵采油杆柱简化为在油管内偏心旋转的杆柱。考虑了杆柱偏心旋转惯性离心力、轴向力对杆柱横向弯曲变形的影响。应用可移动双向弹簧元模拟杆管接触状态,并考虑了杆体、结箍以及扶正器与油管间隙不同对杆柱挠度约束的差别,建立了螺杆泵采油杆柱在油管内受力变形的有限元仿真模型。仿真结果表明：抽油杆柱在油管内偏心旋转会产生陀螺效应,杆柱在油管内变形形态呈下密上疏的螺旋状,这是直井地面驱动螺杆泵采油系统杆管偏磨的主要原因之一。杆柱与油管接触段长度主要取决于转速、下泵深度和偏心距等参数。当转速较高时,几乎所有接箍均与油管内壁接触,也会出现杆体与油管内壁接触的现象。     

抽油机井振动载荷对杆管偏磨的影响研究

建立有杆泵杆柱振动力学偏微分方程并求解和分析,研制了可测出抽油杆工作过程中瞬时受力状况的测试仪器,进行了现场测试,获得了抽油杆不同部位受拉压和侧向力的周期性变化曲线,发现了振动载荷由下至上逐步增大的规律。当轴向压力增大到一定程度时,杆柱将屈曲变形,增加径向接触力,会使杆管偏磨的程度增加,为抽油机井杆管防偏磨提供了依据。通过采取合理加重、优化参数等技术措施,使杆柱受力中和点下移或减轻振动影响,措施在不同油田的几千口井上实施后见到了下移中和点、减小振动载荷、延长检泵周期的明显效果。     

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。     

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国内对水平井进行分流压裂施工尚属首次，压裂管柱设计及力学分析是压裂施工的关键技术问题之一。水平井压裂管柱在井眼曲率作用下随井身产生初始弯曲，弯曲后的压裂管柱在温度、自重、内外压力和局部集中力的综合作用下再次产生变形，变形后的压裂管柱必将与套管内壁产生接触，这种接触状态随井深和井眼圆周方向随机分布，是一种随机的多向接触摩擦非线性问题。文中将运用“多向接触摩擦间隙元法”对这一问题求解，并结合大庆油田水平井分流压裂管柱工程实例，进行了受力变形计算，给出了不同工作状况下压裂管柱与套管内壁的接触摩擦状态、管柱下端变形、井口载荷以及管柱任一截面处的内力和应力，为压裂管柱的设计和施工提供了可靠的理论依据。经现场试验表明，井口载荷的理论计算值与实测值的相对误差均在１３％以内，完全满足于工程的需要，并在水平井中成功地实施了大型分流压裂作业。     

油气测试管柱力学分析与优化设计软件及应用

在油气井测试过程中,特别是高温高压气井、超深井、水平井的测试,测试管柱在轴向力、管内外压力、弯矩、扭矩及温度等因素的作用下,会形成复杂的应力和应变,有时会造成管柱断脱和屈服破坏。为此,开发了油气测试管柱力学分析与优化设计软件。该软件考虑井眼轨道、测试管柱结构、测试阀类型、井内外流体性能、管柱内外压力、管柱与井壁间的摩擦因数、管柱温度及地层温度,可计算出油气测试过程不同作业阶段管柱的受力状态,包含管柱的轴向拉力、扭矩、应力、安全系数、稳定性状态及伸长等参数,可以对多级管柱组合的各级长度进行优化。现场应用结果显示,软件的计算精度满足工程作业需要。