第一章管柱结构及力学分析 1.1水平井修井管柱结构 1.1.1修井作业的常见类型 修井作业的类型很多，包括井筒清理类的、打捞落物类的、套管修补类的。 1）井筒清理类 （1）冲砂作业。 （2）酸化解堵作业。 （3）刮削套管作业。 2）打捞类 （1）简单打捞作业。 （2）解卡打捞作业。 （3）倒扣打捞作业。 （4）磨铣打捞作业。 （5）切割打捞作业。 3）套管修补类 （1）套管补接。 （2）套管补贴。 （3）套管整形。 （4）套管侧钻。 在各种修井作业中，打捞作业约占2/3以上。井下落物种类繁多、形态各异，归纳起来主要有管类落物、杆类落物、绳类落物、井下仪器工具类落物和小零部件类落物。1.1.2修井作业的管柱结构 1）冲砂：前端接扶正器和冲砂喷头。
图1 冲砂管柱结构2）打捞：直接打捞，下常规打捞工具。 图2 打捞管柱结构3）解卡：水平段需下增力器和锚定器。 图3 解卡管柱结构
4）倒扣：水平段需下螺杆钻具和锚定器。 图4 倒扣管柱结构5）磨铣：水平段需下螺杆钻具、锚定器和铣锥。 图5 磨铣管柱结构6）酸化：分段酸化需下封隔器。 图6 分段酸化管柱结构
1.1.3刚性工具入井的几何条件 在水平井打捞施工中，经常使用到大直径、长度较大的工具，工具能否顺利通过造斜率较大的井段是关系到施工的成败关键，对刚性工具，如果工具过长或工具支径过大，工具通过最大曲率处将发生干涉。 对于简单的圆柱形工具，从图7可以得出工具通过最大曲率井段的极限几何关系为： 22)d 2/D R (2)/D (R 2L +--+= 式中：L —工具长度；R —曲率半径；D —套管直径；d —工具直径。 图7 简单工具入井极限几何关系 图8 刚性工具串入井极限几何关系 对于复杂外形的工具或刚性工具串，从图8可以得出工具通过最大曲率井段的极限几何关系为： 222212)2 d 2d 2D R ()2D R ()2d 2d 2D R ()2D (R L ++--++++--+ = 式中：L —工具长度；R —曲率半径；D —套管直径；d —工具中部直径；d 1—工具上端直径；d 2—工具下端直径。 1.2修井管柱力学分析 1.2.1修井管柱工况分析 1）修井作业管柱受力类型 （1）上提或下放作业。 上提下放过程中，管柱可能受到的力有：套管压力、油管压力、大钩拉力、重力、浮力、接触反力、摩擦力、抽吸作用力、惯性力。
学科前沿油气井杆管柱力学结课报告 学院：车辆与能源学院 专业：石油与天然气工程 学生姓名：李欣 学号：S130******** 指导教师：李子丰教授
研究油气井内的杆管柱力学问题。首先由美国 A Lubinski 于1951年开始研究，李子丰于1996年出版《油气井杆管柱力学》（石油工业出版社），2008年趋于完善《油气井杆管柱力学及应用》（石油工业出版社）。主要内容为：油气井杆管柱及其在井下的运动状态、油气井杆管柱的载荷和失效方式，油气井杆管柱动力学基本方程及其在分析油气井杆管柱的稳定性、杆管柱的稳态拉力和扭矩、钻柱振动、下部钻具三维力学分析与井眼轨道预测、有杆泵抽油系统参数诊断与预测、热采井管柱力学分析和固井等方面的应用。 真理是世界上最珍贵的信仰，为了这一信仰，科研道路上涌现出了一批批坚定不移的科学家，他们用自己的执著和智慧为世人点亮了一盏盏明灯。燕山大学的李子丰教授就这样一位执著追求、甘于奉献的学者。自从事石油事业以来，李子丰教授十年如一日地辛勤工作，把自己的青春和热血都奉献给了祖国的石油事业，同时也对哲学和物理学领域的基本难题进行了深入不懈的研究。 如果说，科学研究是发现真理的舞台，那么，李子丰教授就是这舞台闪烁的明星，他身上体现出的一种为真理而献身的执著精神和勇敢正直的人格，不愧为我们当代年轻人学习的楷模。 结合石油工程科学和技术发展的需要，李子丰创立了有特色的油气井杆管柱力学理论体系。该理论体系主要包括：油气井杆管柱动力学基本方程；斜直井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型；油气井杆管柱的稳态拉力——扭矩模型；试油管柱力学分析的数学模型；压裂管柱力学分析的数学模型；定向井有杆泵抽油系统动态参数诊断与仿真的数学模型；钻柱纵向振动、扭转振动、纵向与扭转耦合振动的数学模型；下部钻具三维力学分析的数学模型；热采井套管柱力学分析的数学模型及预膨胀固井技术；割缝筛管力学分析的数学模型。如今，依据这些理论模型所编写的软件，已经广泛地应用于我国石油钻采作业中。 同时，上述研究成果基本上都是国家“八五”重点科技攻关项目石油水平井钻井成套技术、国家“九五”重点科技攻关项目侧钻水平井钻井采油配套技术和“863”项目海底大位移井井眼轨道控制技术的研究内容，不但在理论上取得了较大进步，在经济上也获得了巨大的效益，赢得了国内外石油工程界和力学界的一致好评。 油气井杆管柱在充满流体的狭长井筒内工作,在各种力的作用下, 处于十分复杂的变形和运动状态。对油气井杆管柱进行系统的、准确的力学分析, 可以达到如下目的: (1) 快速、准确、经济地控制油气井的井眼轨道; (2) 准确地校核各种杆管柱的强度, 优化杆管柱设计; (3) 优化油气井井眼轨道;
浅谈钢管混凝土柱 摘要: 由于钢管商品混凝土具有承载力高,耐腐蚀,便于施工等一系列优点,它在实际工程中的应用越来越多。从钢管商品混凝土柱工作原理、力学性能等方面,来显示钢管商品混凝土的优势。 关键词: 钢管商品混凝土柱; 钢筋商品混凝土柱; Abstract: As a result of concrete filled steel tube with high capacity, corrosion resistance, convenient construction and a series of advantages, it application in practical engineering more and more. This paper from the concrete filled steel tubular column working principle, mechanical properties and other aspects, to show the advantages of concrete filled steel tube. Key words: concrete filled steel tubular column; reinforced concrete column 钢管商品混凝土即在薄壁圆形钢管内填充商品混凝土，将两种不同性质的材料组合而形成的结构。它利用钢管和商品混凝土两种材料在受力过程相互之间的组合作用，充分发挥这两种材料的优点，弥补彼此的缺点，因而具有良好地力学性能和经济性。在桥梁，工业厂房，高层建筑中的应用越来越广泛。 1、钢管商品混凝土的工作机理钢管商品混凝土的基本原理：在钢管中填充商品混凝土，在力的作用下，商品混凝土对钢管有力的作用，但同时钢管约束了商品混凝土，使管内商品混凝土处于三向受压的应力状态，延缓其纵向微裂缝的发生和发展，从而提高其抗
目录 摘要..................................................................................................................................... I Abastract .................................................................................................................................... II 第1章绪论.. (1) 1.1 钢管混凝土全寿命周期的特点 (1) 1.1.1 钢管混凝土的特点及发展 (1) 1.1.2 全寿命周期的特点 (1) 1.2 课题的研究意义 (2) 1.3 相关课题的研究现状 (3) 1.3.1考虑钢管初应力的钢管混凝土柱受力性能研究现状 (3) 1.3.2考虑混凝土脱空缺陷的钢管混凝土柱受力性能研究现状 (6) 1.3.3考虑长期荷载作用的钢管混凝土柱受力性能研究现状 (8) 1.3.4中空夹层钢管混凝土柱全寿命周期受力性能研究现状 (10) 1.4 文献综述小结 (10) 1.5 课题的创新性 (11) 1.6 课题的技术路线 (11) 1.7 本文主要研究内容 (11) 第2章圆钢管混凝土轴压短柱全寿命周期力学性能研究 (13) 2.1 引言 (13) 2.2 有限元模型的建立 (13) 2.2.1 材料本构模型 (13) 2.2.2 单元类型选取、界面接触定义和划分网格 (15) 2.3 考虑钢管初应力的圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析 (15) 2.3.1 模型验证 (15) 2.3.2 初应力对圆钢管混凝土轴压短柱受力影响 (17) 2.4 考虑混凝土脱空缺陷的圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析 (19) 2.4.1 模型验证 (20) 2.4.2 脱空缺陷对圆钢管混凝土轴压短柱受力影响 (21) 2.5考虑长期荷载作用的圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析 (23) 2.5.1 模型验证 (23) 2.5.2 长期荷载对圆钢管混凝土轴压短柱受力影响 (27) 2.6 圆钢管混凝土轴压短柱全寿命周期力学性能分析 (29) 2.6.1全寿命周期受力全过程分析 (29) 2.6.2影响承载力的参数分析 (33) 2.7 本章小结 (34)
石油工程专业—油气井工程模块 ●油气井工程学科对国民经济和社会发展的重要作用 油气井工程是建设地面通往地下油气资源通道的综合性工程技术，是发现和开采地下油气资源必需的直接手段，其投资约占整个石油天然气勘探、开发成本的50%左右。油气井工程是多学科综合的应用学科，深井、复杂井、海洋井的钻井能力历来是一个国家综合科技水平的具体体现。 我国国民经济的高速发展和人民生活水平的持续提高，造成了对油气能源需求的大幅度增加。为了满足国家对油气能源的需求、保证国民经济的良性持续发展，我国的油气勘探开发技术、尤其是油气井工程技术必需有大的进步：以更低的成本、更快的速度，发现、利用更多的石油和天然气。而目前油气井技术已成为提高油气勘探开发的瓶颈之一,因此，油气井工程学科应是国家重点发展的学科之一。 ●西南石油大学本学科点的历史 西南石油大学的“油气田开发工程”学科最早起源于1958年该校的“开发系”及其下设的“钻井、采油、油藏工程、油气田开发、油田化学、海洋石油工程”共6个本科专业和相应的研究室、教研室，分别于1958、1978、1986、1991年开始招收本科、硕士、博士和博士后，于1988年成为国家首批重点学科。当时该学科包含“油气田开发工程”与“油气井工程”两个学科方向，1990年国家将其调整为“油气田开发工程”和“油气井工程”两个新的二级学科，“油气井工程”即成为单独的国家重点学科。该学科点于2001年通过了教育部的再次申报、评审，继续保留国家重点学科。 本学科学术方向： 钻井过程控制理论与技术：在钻井过程中的井眼轨迹控制、破岩清岩控制、钻井信息技术、钻井过程仿真等领域连续承担了国家“863”项目、国家自然科学基金项目、省部级项目和油田协作项目。在三维井眼轨迹计算方法、井底水力增压机理、深井复杂井防止井下事故、提高机械钻速、井下参数测量、钻井过程仿真、“虚拟现实”模拟及数据处理技术等研究领域取得了重要进展，参与了国内油田大位移井、小井眼短半径侧钻水平井、深井超深井复杂井钻井等重大工程项目的设计和施工，并提供了技术和决策支持。 油气井工作液化学与力学：以井筒工作液化学与流体力学的功能控制、化学处理剂研制与作用机理分析、工作液与环境（压力、温度、地层、流体等）相互作用等基础研究为重点，研究解
第31卷 第3期2010年5月 石油学报 AC TA PETROL EI SIN ICA Vol.31May No.3 2010 基金项目:国家科技重大专项子课题(2008ZX 050262001205)“深水钻井工程设计关键技术研究”资助。 作者简介:张 辉,女,1982年12月生,2004年毕业于中国石油大学(华东),现为中国石油大学(北京)在读博士研究生,主要从事油气井管柱力学与 控制研究。E 2mail :zhanghui 0123@https://www.doczj.com/doc/5a3897901.html, 文章编号:0253Ο2697(2010)03Ο0516Ο05 深水导管喷射安装过程中管柱力学分析 张 辉1 高德利1 唐海雄2 蒋世全3 (11中国石油大学石油工程教育部重点实验室 北京 102249; 21中海石油(中国)深圳分公司 广东深圳 518067; 31中海石油研究中心 北京 100027) 摘要: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。 关键词:深水钻井;喷射安装;管柱力学模型;抗拉强度;钻柱设计中图分类号:TE 52 文献标识码:A Tubular mechanics in jetting operation of conductor under deepw ater condition ZHAN G Hui 1 GAO Deli 1 TAN G Haixiong 2 J IAN G Shiquan 3 (1.Key L aboratory f or Pet roleum Engineering of the M inist ry of Education ,China Universit y of Pet roleum ,B ei j ing 102249,China;https://www.doczj.com/doc/5a3897901.html, OOC China L imited S henz hen ,S henz hen 518067,China;https://www.doczj.com/doc/5a3897901.html, OOC Research Center ,B ei j ing 100027,China ) Abstract :Based on the features of load and boundary conditions in jetting operation of conductor under deepwater condition ,a tubu 2lar mechanic model was established ,which was solved by weighted residual method to calculate the change regulation of tubular de 2formation and stress distribution associating with the environment load ,tubular composition and drill ship off set.The middle 2deep o 2cean currents have great effect on the deformation of pipe string.The design of drill string composition and control of drill ship off set are important for the successf ul operations of conductor in deep water.The bending normal stress of drill string is significant at both ends of tubular ,so it should be considered in the tension strength design of drill string.A suitable drill string composition is sugges 2ted to be used in deep 2water jetting operations.In the primary stage of operation ,the off set of drill ship to the negative direction of sea current benefits to control the dip angle of conductor.The maximal axial stress in dangerous section of pipe string can decrease when the off set inclines to the positive direction of sea current while working the pipe under the resistant state.K ey w ords :deepwater drilling ;jetting operation ;tubular mechanic model ;tension strength ;drill string design 深水导管安装是深水钻井作业的关键环节之一,也是国内外深水钻井研究的一个热点问题[124]。深水 导管喷射安装是针对深水作业特点发展起来的一种导管安装工艺。该技术将钻井眼与下导管两项作业“合二为一”,在钻进的同时,导管随之安装到位。利用地层与导管之间的摩阻力固定导管,并承担后续载荷,保持井口稳定[5]。 深水导管喷射安装是无隔水管钻井作业,管柱在轴向载荷和海浪、海流等横向载荷及钻井船偏移等多重作用下发生纵横弯曲变形,其变形和应力分布是作 业参数设计与控制的重要依据。目前在深水导管喷射安装作业过程中,大多根据管柱实际变形后的测量结果调整作业参数,将占用一定井口时间。笔者建立了深水导管喷射安装过程中的管柱静力学模型,并应用加权残值法进行求解,研究结果可应用于指导深水导管喷射安装作业设计和控制。 1 作业分析 111 工况分析 深水导管喷射安装作业初期,管柱在下放过程中
油气井杆管柱是石油钻采作业的脊梁和中枢神经。油气井杆管柱力学主要研究钻柱力学、井眼轨道控制、套管设计、有杆泵抽油系统等内容。对油气井杆管柱进行系统全面、准确的力学分析, 可以实现快速、准确、经济地控制油气井的井眼轨道；准确地校核各种杆管柱的强度, 优化杆管柱设计；优化油气井井眼轨道；及时、准确地诊断、发现和正确处理各类井下问题；优选钻采设备和工作参数。 燕山大学石油工程研究所教授、博士生导师李子丰等在国家“八五”重点科技攻关项目“石油水平井钻井成套技术”、国家“九五”重点科技攻关项目“侧钻水平井钻井采油配套技术”、“863”计划项目“旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究”和“海底大位移井钻井技术”、国家自然科学基金项目“防止热采井套管热破坏的固井新技术”等支持下，在建立油气井杆管柱力学理论体系研究方面取得多项重要创新性科学发现。 一、提出了油气井杆管柱动力学基本方程, 该方程统一了原有的油气井杆管柱力学分析领域的各种微分方程, 为油气井杆管柱的各种动静态力学分析奠定了基本理论基础 应油气田开发的迫切需要, 科学界自20世纪50年代以来针对油气井杆管柱的某些特殊问题已进行了较广泛、较深入的研究, 发表了数以百计的学术论文。特别是“七五”和“八五”期间国家组织的对定向丛式井和水平井的科技攻关, 使我国的油气井杆管柱力学研究水平大大提高。但所有的研究工作都是基于某项特殊需要而进行的。对某些问题，如动力问题和几何非线性问题研究较少。为此，需要对杆管柱动力学问题进行系统的研究, 建立统一的理论。
李子丰教授通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析，推导了用于对油气井杆管柱进行各种力学分析的几何方程、运动平衡方程和本构方程。由于油气井杆管柱动力学基本方程统一了现有一切油气井杆管柱力学分析的微分方程，现有的油气井杆管柱力学分析的微分方程都可由该动力学基本方程通过适当简化而得到，所以，该基本方程在石油钻采工程界具有广泛的应用。 二、建立了斜直井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型，指出了“虚构力”理论的错误 石油工程中的钻柱、套管柱、油管柱和抽油杆柱在井筒中工作时在某些井段经常处于压扭状态，发生正弦或螺旋屈曲。屈曲后，杆管柱内的应力急剧增加，与井壁的摩擦阻力增加，会发生自锁现象，严重时可发生强度破坏。 李子丰教授从油气井杆管柱动力学基本方程出发，推导了斜直井中受压扭细长杆管柱几何非线性屈曲的微分方程，建立了水平井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型，分析了无重受压扭圆杆管柱的螺旋屈曲,给出了螺旋屈曲管柱的力学分析方法。 通过对内外压力对管柱稳定性的影响研究发现，(1)传统的油井管柱稳定拉力或虚构拉力的计算公式是错误的；(2)内外压力对悬挂油井管柱的稳定性没有影响；(3)内外压力本身对两端固定的油井管柱的稳定性没有影响，两端固定后，内外压力的变化对油井管柱的稳定性有影响；封固后管柱的等效轴向力与封固时管柱的轴向力、材料泊松比、内压变化量、外压变化量和内外管截面积有关；(4)对于两端固定的油井管柱，内压增加降低管柱的稳定性，外压增加提高管柱的稳定性。 三、建立了油气井杆管柱的稳态拉力——扭矩模型 在油井作业中, 由杆管柱和井壁接触所产生的轴向阻力和扭矩损失对钻采作业有很大的影响, 甚至成为作业成败的关键。先进的拉力和扭矩模型, 尤其在与先进的地面扭矩、大钩载荷、井底扭矩和钻压的测量仪器结合使用时可以实现如下目的: (1) 优选井眼轨迹, 使整个杆管柱的摩擦阻力和扭矩损失最小; (2) 选择和校核地面设备, 优化杆管柱设计; (3) 监测井下问题; (4) 指导下套管作业; (5) 确定杆管柱与井壁的接触压力, 估计套管的磨损程度和键槽是否存在; (6) 决定是否改变泥浆性能; (7) 根据地面悬重计算钻头实际钻压。 李子丰教授依据油气井杆管柱动力学基本方程, 建立了定向井、水平井杆管柱稳态拉力—扭矩模型，并在下列领域得到了成功的应用：（1）钻柱强度分析和优选；（2）井下作业管柱力学分析；（3）井下岩屑床和其它复杂情况监测；（4）优选井眼轨道；（5）钻柱和套管减磨设计等。 四、建立了试油管柱力学分析的数学模型
?石油工程? 油气井杆管柱的稳定性与纵横弯曲 李子丰 (大庆石油学院 安达 151400) 摘 要 从压杆稳定与纵横弯曲的概念出发,分析了油气井杆管柱的受力和约束状态,分别讨论了杆管柱纵横弯曲的力学模型和稳定性的力学模型。 关键词 钻杆 套管 油管 稳定性 纵横弯曲 力学分析 石油工程的钻柱、套管柱、油管柱和抽油杆柱在井筒中工作时在某些井段经常处于压扭状态,对它们的受力和变形状态进行较精确的分析有助于进行优化设计。油气井杆管柱的稳定性和纵横弯曲力学分析是油气井杆管柱力学的两大主要方面。 1 压杆稳定与纵横弯曲的概念 1.1 压杆稳定的概念 受压力构件能保持始终不变的平衡状态,称为稳定平衡状态;如构件因受压突然失去其原有的平衡状态,则原有的平衡状态为不稳定的平衡状态。结构或构件失去其原有的平衡状态的现象在力学中称为丧失稳定。从稳定到不稳定,一定具有一个临界状态,与临界状态相对应的轴向压力称为临界压力1。 压杆的临界状态为出现两种可能的平衡状态,即直线状态和无限接近于直线的弯曲状态2。 1.2 纵横弯曲的概念 当细长杆不仅在不等于零的横向载荷作用下发生弯曲,而且还受到轴向压力作用时,处于纵横弯曲状态3。 1.3 压杆稳定与纵横弯曲的区别 (1)在压杆稳定中杆所在任意横截面的合外力为零,而在纵弯曲中横截面的全外力不为零。 (2)在压杆稳定中,当轴向压力小于某一临界值时,压杆一直保持原有状态,它的形状不随轴向压力而变化:当压力达到该临界值时,在外界干扰下将失去原有的状态而屈曲。而在纵横弯曲中,无论轴向力多大,都有横向位移,压杆的形状一直随轴向压力而变化。 2 油气井杆管柱及其在井下的受力状态 2.1 油气井杆管柱的结构 油气井杆管柱主要包括钻柱、套管柱、油管柱、抽油杆和连续挠性管。其中除连续挠性管是内外径均匀一致的无接头的细长管外,其余四种都是由长约10m、通过接头连接的杆或管组成,其常用结构尺寸示例列于表1中。 表1 常用油气井杆管柱的结构尺寸及应用条件示例 杆管柱类型外径d0 (m) 内径d i (m) 单根长度(l) (m) 壁厚D(m) 名义重量q (N/m) 接头或稳定器 直径D(m) 井径D w (m) 钻杆柱0.1270.10869～120.09192900.15240.216下部钻具0.1770.071443～180.0527815200.216 0.216套管柱0.17780.157190.010364320.187710.216油管0.08890.077990.00549114.70.1080.1571连续油管0.05080.0453∞0.0027829.5无0.1571 2.2 油气井杆管柱的受力状态 不同类型的油气井杆管柱因其工作条件不同,所受的载荷不同,综合来说有: (1)自重;(2)液体的压力或浮力;(3)轴向拉力或压力;(4)扭矩;(5)弯矩;(6)与井壁的正压力;(7)与井壁的摩擦力;(8)热应力;(9)振动载荷等。在研究具体问题 23 第9卷 第2期1997年3月 西部探矿工程 (岩土钻掘矿业工程)
目录 目录 摘要...................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................. III 主要符号对照表 ................................................................................................... X I 第1章 绪论. (1) 1.1 课题研究的目的和意义 (1) 1.2 相关课题研究现状 (3) 1.2.1 常温下力学性能研究现状 (3) 1.2.2 火灾下力学性能研究现状 (10) 1.2.3 火灾后力学性能研究现状 (12) 1.2.4 文献概述小结 (13) 1.3 本文的主要研究方法及内容 (14) 第2章 火灾下钢管约束钢筋混凝土柱足尺明火试验 (16) 2.1 引言 (16) 2.2 试验概况 (16) 2.2.1 试验方案与试件设计 (16) 2.2.2 钢管加工与砼浇注 (19) 2.2.3 常温材料力学性能 (20) 2.2.4 火灾下试验装置、量测内容及试验过程 (21) 2.3 火灾下试验结果及分析 (22) 2.3.1 试验现象与破坏模式 (22) 2.3.2 截面温度分布 (24) 2.3.3 轴向变形与耐火极限 (33) 2.4 本章小结 (37) 第3章 火灾下钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能分析 (38) 3.1 引言 (38) 3.2 火灾下温度场的有限元模型 (38) 3.2.1 钢材和混凝土热工参数 (38) 3.2.2 温度场模型的建立与验证 (42) 3.3 耐火极限的有限元模型 (47) 3.3.1 钢材和混凝土的热力学性能 (47) - V -
Q/SHXB 中国石化西北油田分公司企业标准 Q/SHXB 0049—2010 油气井油管柱选择技术规范 2010-03-10发布2010-03-20实施中国石化西北油田分公司发布
Q/SHXB 0049—2010 目次 前言................................................................................II 1 范围 (1) 2 规范性引用文件 (1) 3 术语和定义 (1) 4 总体要求 (2) 5 管柱材质 (2) 6 管柱尺寸选择原则 (4) 7 扣型选择 (4) 8 管柱结构 (4) 8.1 基本要求 (4) 8.2 井下工具 (4) 9 力学分析、强度设计及校核 (5) 9.1 力学分析 (5) 9.2 强度设计原则 (5) 9.3 管柱强度校核 (5) 9.4 管柱轴向变形分析 (5) I
Q/SHXB 0049—2010 II 前言 本部分由中国石油化工股份有限公司西北油田分公司标准化管理委员会提出。 本部分由中国石油化工股份有限公司西北油田分公司油田工程分标委归口。 本标准起草单位：西北油田分公司工程监督中心、西北油田分公司工程技术研究院、西北油田分公司完井测试管理中心。 本标准主要起草人：满江红、曾大勇、朱 勇、马新中、蔡雨田、翟科军、易北辰、李旭华、贾书杰、张茂斌、徐 刚、徐燕东、刘青山、胡 勇。 本标准为首次发布。
Q/SHXB 0049—2010 油气井油管柱选择技术规范 1 范围 本标准规定了油气井油管柱材质、尺寸、结构、强度设计的技术要求。 本标准适用于西北油田分公司油气井完井管柱设计和选择。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 AQ 2012-2007 石油天然气安全规程 SY/T 6268-2008 套管和油管选用推荐作法 SY/T 6610-2005 含硫化氢油气井井下作业推荐作法 SY/T 6464-2000 水平井完井工艺技术要求 SY/T 10024-1998 井下安全阀系统的设计、安装、修理和操作的推荐作法 SY/T 6293-2008 探井试油工作规范 Q/SH 0015-2006 含硫化氢含二氧化碳气井油套管选用技术要求 Q/SH 0173-2008 川东北酸性天然气井井下作业生产管柱设计推荐作法 Q/SH 0025-2006 川东北天然气井完井推荐作法 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本标准 3.1 完井 最后一次测井作业结束至移交采油（气）生产前所进行作业的总称。 3.2 常压油气井 指预测生产期间最大关井压力小于35MPa的油气井。 3.3 高压油气井 指预测生产期间最大关井压力不小于35MPa并小于70MPa的油气井。 3.4 超高压油气井 指预测生产期间最大关井压力不小于70MPa的油气井。 3.5 气井 1
一 、工程背景 压裂过程中,井下管柱要承受自重、内压、外压、各种效应力、粘滞摩阻力、套管支承反力、弯矩和锚定、坐封力等多种载荷的联合作用。施工泵压、排量、流体性质的改变,将直接引起管柱内、外温度和压力变化,势必导致封隔器油管柱受力和变形发生变化,从而进一步影响到油管的强度和封隔器的密封效果,在高温高压深井、超深井作业中,这样的矛盾尤为尖锐和突出。所以,压裂过程中的管柱受力已经成为影响压裂施工成败的关键因素之一。 本文对简化后的回接压裂油管的受力变形进行了分析。略去封隔器上端水力锚的影响、忽略油套环空压力的变化（▽p o =0）、忽略粘滞摩阻力、忽略回接插头与回接筒的阻力。 二 、回接的压裂油管基本效应的力学模型建立 1 活塞效应 由油管内外压力引起的对油管的作用力称为活塞力，相应由油管柱内外压力的变化引起油管的伸长或缩短的这种现象叫做活塞效应。 如图1-a 所示（油管的内径等于密封管的外径），p o 为环空压力，p i 为油管压力，A o 、A i 各为油管内外径截面积，A p 为密封管的内腔截面积。 因此有： 向上的力： )()('1p i i i o o A A p A A p F -+-= 向下的力： ) (''1p i i A A p F -= 假设向下的力为正， 向上的力为负。 则活塞力为： ' 1''11F F F -= )(01o i A A P F --= 假设油管伸长为正，缩短为负。 由胡克定律可得，活塞力引起的油管伸长或缩短为： P o P i P i P o Ap Ao Ai Ap Ai Ao 1-a 1-b 图1
s EA L F L 11= ? 式 1 式中： L —— 油管的原始长度； E —— 油管的材料性能参数，205GPa ； A s —— 油管的横截面积，A s =A o -A i. 2 膨胀效应 当油管内有内压时， 油管内压会作用在油管内壁上，使油管直径增大，管柱将缩短，这种现象叫做正膨胀效应，反之，称为反膨胀效应。 由于油管柱内、外流体的变化，是油管发生膨胀效应，若用管柱受力的变换来表示膨胀效应，其公式[1]为： ) (6.0)(6.0oa o ia i p A p A F ?-?≈? 当管内流体流动而管外流体不流动时，其管柱由于膨胀效应引起的长度变换 ?L 2[1] 为： L R R E L R R E L os is o i 1212212 22 222-?-?--+-?-?-=?ρρμδμμ ρρμ R —— 油管外径与内径的比值； i ρ? —— 油管中流体密度的变化； o ρ? —— 环空流体密度的变化； is p ? —— 井口处油压的变化； os p ? —— 井口处环形空间压力的变化； δ —— 流动引起的单位长度上的压力降，（向下流动为正）。 因本文中忽略流体密度的变化、流动引起的压力降及认为环空压力不变，因此上式简化为： L R E L is 122 2-?- =?ρμ 式2 3 螺旋屈曲效应 由于压力不仅沿管柱垂直作用于封隔器处的密封管和油管上，同时也水平作用于整个油管的壁面上。当密封管处的活塞力大于管柱发生弯曲的临界力时，油管就会发生螺旋屈曲。螺旋屈曲分为：弹性螺旋屈曲（弯曲力去除之后，管柱恢复直线状态）和永久性螺旋屈曲（弯曲力去除之后，管柱仍保持螺旋屈曲状态）。本文分析的是弹性螺旋屈曲。 由螺旋屈曲引起管柱的纵向缩短长度是?L 3 [1]: E I q F r L 82 23- =? 式3
永久钢管柱施工控制要点 一、现场作业条件 1、施工机械是否运行正常。 2、施工设备的运输条件和进退场条件是否具备。 3、施工用水电的供给条件是否具备。 4、现场照明条件是否满足需要。 5、钢筋加工和运输条件是否具备。 6、钢套管及钢管柱的摆放及便于吊装的场地是否具备。 7、混凝土定制是否完成并能保证及时供应。 8、泥浆制备是否完成。 9、弃土和废弃泥浆处理方法和位置是否具备。 10、桩孔周边地面平整密实，有排水措施，成孔操作过程中禁止桩孔周边水洼、泥泞遍地。 二、人员准备条件 1、桩基施工人员准备 同直径2200mm桩基施工，要求各操作人员更加细心，特别是旋挖钻机及大吨位吊车操作员。 2、下井人员准备 下井人员须提前进行身体检查，患有心脏病、高血压等以及年龄超过50岁的人员严禁下井作业。 选定的下井人员下井前须经现场医务人员进行体检，感冒、发烧或有其他身体不适的情况不允许下井作业。 下井人员三人一组，其中两人井下作业，一人在井上监控，井下作业人员连续作业时间不超过二小时。 所有下井作业人员与监护人员必须经过专业安全技术培训，未经过培训的人员严禁下井作业。 三、机械设备准备 1、施工操作设备 表1 主要施工机械设备投入表
2、安全防护设备 表2 主要安全设备投入表
四、设计参数 1、桩基设计参数 桩径2.2m，有效桩长45m，总桩长约72米。 每颗桩桩顶具体标高见设计图纸。 桩顶标高整体自北向南以2‰坡度降低，主筋锚入结构底板混凝土2.5m。 混凝土灌注钢筋保护层厚度为70mm。 采用C30水下混凝土，避免使用早强水泥，混凝土中最大氯离子含量不大于0.06%。 2、钢护筒设计参数 外径φ2100mm、t=16mm、Q235钢钢板卷制而成。 总长度根据桩顶标高和地面自然标高不同确定。 支撑钢套管分两节：第一节长5.5m，与钢筋笼焊接，伸出笼顶1.5m；第二节分别长24.797m（M轴）、24.818m（L轴）、26.639m（1/L轴），伸出地面600mm。 3、定位器设计 自动定位器呈十字锥形，主要构件包括锥形引渡板、定位十字板、环形锚固脚及定位铁件等构件，其中锥形引渡板、定位十字板实现对钢管柱的引渡功能，并限定钢管柱的水平位移；环形锚固脚承托钢管柱，并控制钢管柱的水平位置及标高，锚固于圆形钢筋混凝土桩内，可防止自动定位器变形、移位；定位铁件承托上部构件，并提供准确的空间位置。 中心位置误差在3mm以内，固定边与水平面所成的直角误差在1‰以内，锥底宽度比钢管内径小6mm。 自动定位器安装时，不得发生破坏、变形、移位现象，并提供所要求的精度。 五、工艺流程 桩柱地面测量定位→安放常规护筒→旋挖钻机成孔→下钢筋笼（带有下部支
油气井工程 石油大学油气井工程学科是1953年北京石油学院成立时在清华大学石油系基础上最早创建的学科之一，1961年开始招收（硕士）研究生，1986年获得工学博士学位授予权，1991年开始招收博士后，1993年被中国石油天然气总公司（简称CNPC）评选为部级重点学科，“九五”期间是国家“211工程”石油大学重点建设的六个学科之一。1997年该学科所属的油气井工程实验室通过山东省教委组织的专家组验收，挂牌“省级重点实验室”。2001年通过国家“211工程”建设验收，2002年经过国家教育部评审，被正式批准为国家重点学科。 中国石油大学（华东）油气井工程学科 经过新老几代人多年的建设与发展，特别是经过“211工程”一期建设，油气井工程学科已形成五个稳定的研究方向；造就了一支学历层次高、知识结构合理且比较年轻化的学术队伍；建成了一批具有国内一流水平的研究室和实验室；承担国家自然科学基金、“863计划”、“973计划”、国家重点攻关项目十多项；取得了一大批达到国际先进水平的科技成果，并获得了多项国家级和省部级的科研奖励；培养了近20名博士，200名硕士，发表了300余篇高水平的学术论文，出版了20部专著或教材；目前年均科研经费达到近1000万元。同时本学科也是国内该领域历史最久、规模最大的高级专门人才培养或培训基地。多年来在人才培养和科技发展方面，为我国石油工业的发展做出了重大贡献。 一、主要研究方向： 1、油气井流体力学及高压射流技术。 主要研究井筒中牛顿流体、非牛顿流体、多相流体及高压射流的流动规律。通过在油气井筒内复杂流动条件下流体流动规律的研究，丰富和发展洗井技术、射流技术、破岩技术、井控技术，提高机械钻速，减少井下事故，减低生产成本，缩短建井周期，提高油井产能。该研究方向具有超高压射流实验系统，先进的PIV高速射流实验测试及数据采集处理系统，中围压及高温高压模拟实验井筒，磨料射流实验装置等可进行各种射流实验研究和多相流流动规律研究的装备条件。 2、油气井工程岩石力学。 主要研究内容有：地层基础参数预测与评价技术，破岩机理及破岩技术，井壁稳定理论与控制技术和完井与油层改造过程的岩石力学问题。该研究方向具有高温高压三轴模拟试验架，高温高压岩石与钻井液相互作用模拟试验架，岩石声学测试装置，岩石微观测试系统等先进实验装备，而且有一个金刚石钻头研究室，具有金刚石钻头的先进研究手段和生产能力。 3、油气井信息与控制工程。 主要研究内容有：油气井管柱力学研究，井下过程控制研究和地层信息采集与利用研究。综合应用基础科学的理论和方法，研究管柱在各种井眼（直井、定向井及水平井）中的力学行为，为井眼轨迹控制、直井防斜打快、管柱的优化设计、合理使用及其寿命预测等提供科学依据。该研究方向建有大型管柱动力学研究模拟实验装置和井下钻柱受力实测装置，开展了防斜机理的理论和实验研究，形成了不同底部钻具组合防斜效果的室内实验评价方法、井眼轨迹预测和控制技术及相关软件。建立了针对定向井、水平井、大位移井钻柱进行摩阻计算、强度分析、稳定性分析和疲劳寿命预测的分析模型及相关软件。开展了套管损坏与防治技术研究。 4、钻井液、完井液化学与技术。 主要研究内容有：钻井液与完井液体系及处理剂的研制、配方与性能研究，井壁稳定化学力学耦合研究，油气层保护研究及钻井液胶体与界面化学性质研究等。该研究方向具有范90动滤失仪、胶体ZETA电位分析仪等先进测试仪器以及先进的钻井液模拟实验井筒等。
第42卷第1期2017年2月 广西大学学报（自然科学版） Journal of Guangxi University(Nat Sci Ed) Vol.42 No.1 Feb.2017 doi:10.13624/https://www.doczj.com/doc/5a3897901.html,ki.issn.1001-7445. 2017. 0134 钢管橡胶混凝土柱轴压试验研究及力学性能分析 梁炯丰1,2，蒋丽忠2，吴华英3，顾连胜1 (1.东华理工大学江西省新能源工艺与装备工程技术研究中心， 东华理工大学建筑工程学院，江西南昌330013; 2.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075; 3.江西杭萧钢构股份有限公司，江西南昌330013) 摘要:完成了 16个钢管橡胶混凝土柱轴压试验，考虑再生橡胶取代率、再生橡胶粒径大小为变化参数，对其进行静力试验。试验表明:试件最终的破坏形态呈腰鼓状斜剪压破坏;橡胶的掺人使试件的延性增强;随着橡胶替代率的增加，钢管橡胶混凝土柱的承载力不断降低;橡胶粒径越大，钢管橡胶混凝土柱的承载力越小。通过现有规范或规程来计算承载力，并与钢管橡胶混凝土柱实验值进行了对比分析。 关键词:钢管橡胶混凝土;取代率;粒径大小;承载力;规程 中图分类号:TU317 文献标识码：A文章编号:1001-7445(2017)01-0134鄄08 Experimental study on mechanical properties of rubber concrete filled steel tube column under axial compression LIANG Jiong-feng1，2，JIANG Li-zhong2，WU Hua-ying3，GU Lian-sheng1 (1. Faculty of Civil and Architecture Engineering，East China Institute of Technology，Nanchang330013，China； 2.College of Civil Engineering，Central South University，Changsha410075，China； 3.Jiangxi Hang Xiao Steel Structure Co.Ltd，Nanchang330013，China) Abstract:A series of tests on rubber concrete filled circle steel tube columns were conducted. Sixteen specimens were tested to investigate the influence of the replacement ratio and particle size of recycled rubber.The test results show that the failure mode of the rubber concrete filled steel tube column is drum-like under oblique shear pressure.The adding of rubber enhances the ductility of the specim en.With the increase of the replacement ratio of recycled rubber，the bearing capacity of the column decreases.The larger the particle sizes of rubber，the smaller the bearing capacity. Comparisons between the calculated ultimate strength of the column according to the codes and the measured value are carried out. Key words:rubber concrete filled steel tuber column；replacement rate;particle size;bearing per- 收稿日期:2016-11-12;修订日期:2016-12-22 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51368001);江西省青年科学基金资助项目（20142BAB216002);江西省科技支撑计划资助项目（20151BBG70012);中国博士后基金资助项目（2014M562132);中南大学博士后基 金资助项目；江西省新能源工艺与装备工程技术研究中心开放基金项目（JXNE-2014-08)通信作者:梁炯丰（1980—），男，广西梧州人，东华理工大学副教授，博士后;E-mail:jiongfeng108@https://www.doczj.com/doc/5a3897901.html,。 引文格式:梁炯丰，蒋丽忠，吴华英，等.钢管橡胶混凝土柱轴压试验研究及力学性能分析[J].广西大学学报（自然科学版），2017,42(1) :134-141.