测试管柱力学分析127页PPT

4 测试管柱的力学分析测试管柱在井筒中要受到各种外力的作用，如内外压力、重力、井壁的反力等的作用。

这些作用力与温度共同作用在测试管柱上，造成管柱的变形，如拉伸变形和屈曲变形等，以及在测试管柱中产生内力，如轴向力、弯矩等。

如果这些变形或内力过大，就可能对测试管柱产生损坏。

在不同的操作中，这些外力是不同的。

因而，各种工况所产生的内力也不尽相同。

例如，下放测试管柱时，测试管柱受的外力为重力和完井液对管柱的浮力，上部则由钻机大钩吊着；在坐封时，大钩逐步加上钻压，即松弛力，使封隔器坐封；在开井时，测试管柱中有天然气流过，因而测试管柱内外压力会发生变化，此外，测试管柱的温度变化会使管柱伸长。

因此，在分析时必须根据不同工况进行具体分析。

管柱在受到外力作用时产生变形，根据不同的内力，变形有所不同。

众所周知，当管柱的轴向力是受拉时，管柱只是伸长，而当管柱的轴向力是受压时，除了轴向缩短外，对于这种长细比很大的管柱，管柱还会产生屈曲变形。

屈曲变形反过来又会影响内力。

因此，对测试管柱在井筒中的力学分析有助于合理地设计测试管柱及其测试操作。

在本章中，我们研究井眼中管柱的受力分析、受压部分的屈曲分析和测试管柱的强度分析。

4.1 测试管柱各工况的受力分析在地层测试过程中，需要进行测试管柱的下放（简称为下钻）、用低比重流体替代测试管柱中的流体（简称为低替）、封隔器坐封（简称为坐封）、打开井口关井阀诱喷（简称为开井）、井下关井阀关井（简称为1关）、井口关井阀关井（简称为2关）、高比重泥浆循环压井（由井口油管将高比重泥浆压入，从环形空间流出；简称为循环）或高比重泥浆反循环压井（由井口环形空间将高比重泥浆压入，从油管流出；简称为反循环）和压裂与酸化（简称为高挤酸）等操作。

在这些操作中，测试管柱受力是不一样的。

下面我们根据不同工况分析测试管柱的受力情况。

4.1.1 下钻完 测试管柱在下放的过程中，井眼中存在有完井液。

测试管柱此时受有重力、悬挂力和液体的作用力（浮力）。

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)2d 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。

井下管柱力学分析及优化设计软件测试报告2007年12月井下管柱力学分析及优化设计软件测试报告目录1前言 (1)2软件介绍 (1)2.1模型选择 (1)2.2核心功能介绍 (1)3测试内容 (2)3.1软件功能测试 (2)3.2软件用户界面正确性测试 (2)3.3软件计算模块测试 (2)3.4测试环境 (2)3.5测试准备 (2)3.6测试人员 (3)3.7测试步骤 (3)3.8测试实例 (3)B702井现场测试...................... 错误！未定义书签。

4. 测试结论 (16)引进软件测试评价与应用安排责任书软件名称：井下管柱力学分析及优化设计软件软件用途：钻井、完井、采油、措施作业井下管柱的力学分析、设计以及校核软件主要模块清单：7个子系统：生产敏感性分析模块、管柱组合设计模块、管柱变形分析、管柱摩阻扭矩分析、井眼轨迹图、管柱数据库。

主要功能简述：1）计算井眼轨迹：采用了精确地自然曲线和螺旋曲线模型计算井眼轨迹：2）计算不同管柱点轴向拉力、侧向力与扭矩：对不同工况下（正常生产、酸化压裂、起钻、下钻、坐封、解封等）的井下管柱力学特性进行分析，计算管柱点轴向拉力、侧向力与扭矩；3）计算带封隔器管柱的伸长量：根据管柱力学理论，综合考虑虎克效应、螺旋弯曲效应、活塞效应和温度效应的影响，根据井下管柱与封隔器之间存在的不同关系（自由移动、有限移动、不能移动），计算相应的管柱的伸长量和综合应力等，从而判断封隔器是否解封失效等。

4）管柱设计及校核：即计算不同管柱组合（直径、钢级、壁厚、长度等）受力的（轴向拉力、侧向力）及稳定性与安全系数，从而优选出合理的管柱设计方案；5）计算井口动态载荷，包括钩载和转盘扭矩；6）计算摩擦系数，包括套管段与裸眼段；7）生成图、文、表并茂的分析报告，报告输出Word和EXCEL格式文档应用单位：石油工程所测试单位：北京雅丹石油技术开发有限公司测试安排：测试时间：2007年11月14日～11月17日测试环境：P4；Windows XP操作系统；IE6.0测试人员：工程所：王丽荣、张传新、刘丛平、承宁、李桂霞、赵克勇、吴勇测试结果：该软件在Windows XP操作系统上运行正常。

水平井修井管柱受力分析水平井修井管柱受力分析第1章概述1.1研究目的和意义随着油田陆续进入高含水后期开发，日益重视油田的开发效果，因此，水平井越来越成为提高油田开发效果的一种重要手段，水平井的数量将逐年增多。

随着开发时间的延长，水平井故障井也将不可避免的出现并逐渐增多，这在国内外水平井开发相对较早的油田已经显现。

根据水平井的特殊性和修复技术难点，国内外各大油田不断摸索，国外主要利用连续油管进行水平井的打捞、钻磨修复；国内由于水平井发展相对较早，水平井故障问题都不同程度的开始显现，并都有关于水平井修井技术方面的尝试，但都仅局限于个别井况的具体实例或个别工具的局部应用，而对水平井修井还没有形成系统配套技术。

随着油田开发的需要，各大油田加大了水平井的开发力度，而且逐年增多，水平井已进入规模开发阶段。

目前，各大油田水平井开发生产受到极大限制，在弯曲井段以下不敢下入压裂和生产管柱进行作业和生产，严重影响了水平井的开采效果。

同时，对生产测井、酸化、找水堵水等施工作业，一旦管柱或仪器阻卡断脱还没有一套有效解决的方法、技术和配套工具。

因此，为保证水平井各种作业和生产的顺利进行，在充分调研国内外水平井修井技术的基础上，结合油田的具体情况对水平井修井工艺技术进行攻关研究，以满足油田水平井常规作业和解卡打捞修复的需要。

1.2水平井修复主要技术难度由于水平井在弯曲段井眼曲率大和水平段井斜角大（一般90度左右）、水平段长等方面的特殊性，在实施解卡打捞修井作业时，与直井的工况有以下不同：①井下落鱼紧贴套管壁下侧，鱼头引入和修整困难；②大直径钢性钻具下入、上起比较困难，解卡打捞方法选择受限；③扭矩、拉力和钻压传递损失大，解卡打捞困难；④打印过程中铅模易被挂磨损坏，井下准确判断难；⑤管柱磨阻大，打捞少量落物时是否捞获不易判断。

因此，采用普通直井的修井技术无法实现对水平井的修复。

1.3 水平井修井井下管柱结构1、水平增力解卡管柱Φ80--120mm打捞工具×（300--1000mm）+Φ114mm安全接头×600mm+Φ73mm 斜坡钻杆×（20--50m）+Φ116mm井下打捞增力器×3500mm +Φ73mm斜坡钻杆+Φ73mm钻杆。

水平井修井管柱的受力分析水平井修井管柱的受力分析第1章概述1.1 研究的目的和意义随着油气田勘探开发的进行，钻井重点向深部、西部和海上发展。

大位移深井、水平井、定向井修井工作量显著增加。

提高斜井、水平井、大位移井修井技术水平，已成为石油工业的一个重要课题。

水平井造斜后井迹弯曲，使管柱入井时受到的阻力远比直井大，给修井作业增加了难度，因此对管柱摩擦阻力的分析计算是保证管柱顺利入井的关键。

通过建立管柱受力平衡方程，推导出水平井管柱入井时摩阻计算的力学模型。

实例计算分析表明，摩擦阻力计算结果可为修井设备选型、优化管柱参数和井身结构以及选择下入方式提供可靠依据。

在修井中，通常所修井眼不可能完全垂直，管柱与井壁间存在着接触压力，在管柱运动时，由于摩擦作用，就会在管柱上施加轴向阻力和旋转扭矩，使得轴向载荷增加、旋转扭矩增大，尤其是在大位移井和水平井中，由于其具有长水平位移段、大井斜角及长裸眼稳斜段的特点，因此存在较大的摩阻和扭矩。

为了保证钻进作业的安全，避免管柱发生强度破坏而造成井下复杂事故，对管柱进行摩阻估计和计算，从而进行受力分析和强度校核是非常重要的。

在大斜度、大位移深井修井过程中，摩阻/扭矩的预测和控制往往是成功地修井的关键和难点所在。

开展摩阻、扭矩预测技术研究，在大位移井、大斜度深井的设计（包括修井设备选择、轨道形式与参数、管柱设计、管住下入设计等）和施工（轨道控制、井下作业等）阶段都具有十分重要的意义。

修井界早就认识到摩阻/扭矩预测、分析和减摩技术在大位移、大斜度深井中的重要性。

摩阻问题贯穿从设计到完井和井下作业的全过程，如：（1）根据摩阻扭矩分布，设计选用钻杆强度和管柱组件分布。

（2）地面装备（顶驱功率和扭矩，起升能力、泵功率和排量压力）需要根据摩阻、扭矩预测来选用，并考虑到预测误差需留有足够的富余能力。

（3）作为井眼轨道的设计和轨道控制的依据。

充分考虑完井、井下作业或修井可行性。

如果在修井阶段，管柱可旋转下入或倒划眼起出那么就需考虑套管或尾管是否需要旋转才能下人，生产油管、连续油管或其它测试管往能否下人等问题。