液压环境下的油井管柱力学-课件·ppt

Y211-102 1873 52.5 102 42
107～115.2
型号
Y211-115
Y211-140
Y211-150
2068
2058
2066
56
65
108.5
115
140
150
48
61
62
80～120
上20，下8
120～180
117.1～127.7 146.3～154.3 153.8～163.8
76
80～100
60～80
80～100
80～100
上15，下8
上15，下6
上15，下6
上15，下6
120～180
适用套管内径，mm 117.1～127.7
146.3～154.3
153.8～163.8
220.5～228.5
两端连接螺纹
2 7/8TBG
2 7/8TBG
2 7/8TBG
31/2TBG
21
(3) Z331型封隔器
封隔器类 修井工具类 控制工具类 其它工具类
5
工具名称
套管补接器 倒扣器 打印器
套管刮铣器 公锥 加速器 打捞篮 打捞锚
修井类常用井下工具
代号
工具名称
代号
工具名称
BJ
打捞器
LQ
通井规
DK
打捞筒
LT
套铣筒
DY
磨鞋
MX
外钩
GX
母锥
MZ
外割刀
GZ
内钩
NG
下击器
JS
内割刀
NGD
铣鞋
LL
铅模
QM
整形器

受力分析
根据B区的地质资料和生产数据，对完井管柱进行受力分析。分析方法与A区相同，考虑轴向力、径向力和弯曲力的 作用，并计算各力的数值。
优化设计
根据受力分析结果，对油田B区完井管柱进行优化设计。针对B区的地质条件和生产条件，选择适合的管 柱材料、直径和壁厚，以及合适的连接方式。同时考虑油井的后期维护和修井作业，对管柱设计进行细 致的优化。
背景介绍
油田A区完井管柱的受力情况是完井工程设计的重要依据，通过对管柱受力分析，可以优 化管柱设计，提高油井产能和延长油井寿命。
受力分析
油田A区完井管柱主要受到轴向力、径向力和弯曲力的作用。轴向力主要由井液压力和管 柱自重产生，径向力主要由井壁摩擦产生，弯曲力主要由管柱与井口装置的碰撞产生。通 过对这些力的计算和分析，可以确定管柱的稳定性、安全性和可靠性。
完井管柱通常由多根不同规格、材质 的管材组成，如油管、套管、尾管等 ，根据设计要求，通过螺纹连接或焊 接等方式组合而成。
完井管柱的作用
01
02
03
04
封闭井口，防止油气泄漏和地 面污染。
实现油气开采、油水分离，提 高采收率。
支撑井壁，保持井筒稳定。
承受地层压力和外部载荷，保 证安全生产。
完井管柱的组成
完井管柱受力分析课件
目录
• 完井管柱概述 • 完井管柱受力分析基础 • 完井管柱静态受力分析 • 完井管柱动态受力分析 • 完井管柱受力的数值模拟方法 • 完井管柱设计及优化 • 完井管柱受力分析实例
01
完井管柱概述
完井管柱的定义
完井管柱是指油田开发过程中，在钻 井工程完成后，用于封闭井口、实现 油气开采、油水分离等功能的管柱。
05
完井管柱受力的数值 模拟方法

4、机械卡堵水生产管柱
⑵可调层机械堵水生产管柱 ①液压可调层堵水生产管柱 1）一次性调两层堵水管柱
1986年底实施部标准SY 5105-86地《油气田封隔器分类及型号编制方法》
规定，封隔器型号编制的基本方法是按封隔件分类代号、封隔器支撑方式、
坐封方式、解封方式及封隔器刚体最大外径五个参数依次排列而成的。其
型号的编制应符合下面的规定。
封隔器编号解释：
分
支
坐
解
类
撑
封
封
代
方
方
方
号
式
式
式
自封式 Z 压缩式 Y 楔入式 X 扩张式 K
扶正器，以保证封隔率。堵水层光油管通过，生产层装
有爆破阀，完成封隔器坐封后，提高油管压力打
开爆破阀，实现油套连通。
抽油泵 筛管 丝堵 丢手接头 配产器 封隔器
工作筒
4、机械卡堵水生产管柱
⑴常规机械堵水生产管柱
3）卡瓦悬挂式堵水生产管柱
该堵水管柱与生产管柱脱开，堵水管柱 由双向卡瓦封隔器悬挂，进行水力坐封，封 堵高含水层。
配注层 配注层 配注层
空心活动 式配水器 封隔器
单流球阀 筛管 丝堵
1、分层配水井管柱
1、固定式 2、空心活动式 3、偏心活动式
配注层 配注层 配注层
偏心活动 式配水器 封隔器 Y341-114-X-JH1-90/15
单流球阀 筛管 丝堵
2、自喷分层采油井管柱
1、同心配产管柱
配产层
2、偏心配产管柱
2.常用封隔器简介
⑴Y111-114型封隔器
结构：如图所示。
工作原理：按所需坐封高度上提 管柱，然后下放到预定位置。因 承压接头和封隔器下接头和尾管 (或卡瓦封隔器)相接，并以此为 支点，坐封剪钉在一定管柱重量 的作用下被剪断，上接头等下行 压缩封隔器胶筒，使胶筒的外径 变大，封隔油套管环形空间。解 封时上提管柱即可。

十字叉
生产层 人工井底
16
图3
φ
70
mm 以 上
用于大泵提液井。 对接脱接器时应缓 慢进行，不可用力 过猛。
大
泵
管
柱
图
生产层
精选课件ppt
3½″油管
CYBXXTH(L)-X.X-1.2F1 带泄油器
2 7/8″J55平式油管 十字叉
生产层 人工井底
17
图4 泵上带泵套的掺水解 盐管柱图
说明：当悬挂尾管超过 下列值时应用使用悬挂泵套， 井深超过2400m（如王广、 西区等）一般使用φ89mm 小外径泵套，该泵套只用于 φ44mm以下抽油泵且不能 带泄油器，其它使用 φ108mm的泵套。
常用采油管柱图
江汉采油厂工艺所
精选课件ppt
1
抽油泵
江汉油田整体泵筒抽油泵代号及其表示方法
CYB—— [d] T H XX—— XX （X）
S12倒置防砂泵 S13可挂防砂泵 S14等径防砂泵
柱塞长度（米）
泵筒长度（米） 泵筒型式—厚壁筒（无衬套）
管式泵 公称直径（mm） 抽油泵代号
注解:公称直径38mm，泵筒长度为6.6m，金属柱塞长度为1.2m 的防腐耐磨管式泵表示为CYB38TH6.6-1.2F。
12
抽油机
CYJ××-×.×-××HB（F）
游梁式抽油机系列如表所示
驴头悬点额定载荷 kN 20、30、40、50、60、80、100、120、140、160
光杆最大冲程
m
0.6、1.2、1.5、1.8、2.1、2.5、3.0、3.6、4.2、4.8、5.4、 6.0
减速箱额定扭矩 kN·m 2.8、6.5、9、13、18、26、37、53、73、105

式中： PCIN——井深为 DW1处套管的内压力 ,MPa; D D0——上覆岩层压
力剃度，MPa/m； DW-——井深，m； DW1——-计算点井深处的压力
剃度， MPa/m ；GDg——天然气的压力剃度， MPa/m ；
7
二、钻柱设计的一般试验内容（条件）
1、 额定极限试验——如图 1A、B所示。
17
第三步：如果不满足公式（1-7）的任何一项试验要求，初 选壁厚是不使用的。需要用下列步骤进行计算。 （1）、如果所选择的tm是制造厂家壁厚列表中最后的，当 前设计就是失败的。 （2）、如果所哦选择tm不是制造厂家壁厚列表中最后的， 然后，从制造厂家壁厚列表中选择下一个壁厚tm+1。采用第 1-5 步重新进行设计。
2、大位移井钻柱设计方法步骤
设计过程需从井眼底部（端面）向上到井口逐渐（即从底 端的第“Ei”各单元）开始，按上述内容）逐一进行计算，
15
未设计好钻柱单元
节点（I+1）
tm E(I)设计单元
已设计好单元
0.000 1000 TVD 2000 英 3000 尺 4000 5000
井眼轨迹（二维剖面）
14
三、 钻柱的一般设计方法步骤
1、大位移井钻柱设计所需剖面（如图 3）
1）、井身剖面——认为井身剖面是由钻柱是由许多不连续 的节点组成的。
2）、钻柱剖面——是和井身剖面一样的网络形式。即节点 数相同、节点之间有相同的长度。
3）、设计任务——用制造厂家的钻柱管材壁厚表，确定钻 柱剖面上每个单元的近似壁厚。
当增大压缩比。对于高压缩比情况，想通过增大压缩比（13 ）来增加延伸长度（L）是无效的。由（9）式可以说明：
把最大压缩比用于钻柱设计上，将会减小钻柱的延伸长度。 2、压缩比（）大表示钻柱所受载荷大，相当于强度变差 或薄弱），从作业安全性来件，钻柱的（max）也要受限 制。主要原因在于：严重的螺旋弯曲是容易使钻柱产生其它 形式的破坏（如螺旋麻花状破坏）。因此在进行钻井作业时 ，要求保持低的压缩比。 3、式（9）中的最大压缩比（max）通常需要借助两个系 数加以确定。钻柱的下井深度（H）和作业的安全系数。在 实际应用，max一般限定到 10。

斜进井深结构图
长庆油田
表层套管
水泥返高
油 井 返 高 至 洛 河 顶 界 以 上 50 米 ， 注 水 井 返高至地面。
生产套管
造斜点
139.7mm套管
215.9mm 钻 头
射孔段 人工井底 完钻井底
长庆油田公司
压裂工艺管柱图
套管
l油层
压裂油管 K344-114封隔器
lI油层
lII油层
K344-114封隔器 丝堵
l油层 lI油层 lII油层
套管 压裂油管 K344-114封隔器
K344-114封隔器 丝堵
长庆油田公司
油层I 油层II 油层III 油层IIII
滑套式、水力压裂管柱图
工作筒
K344-114封隔器 滑套式喷砂器
K344-114封隔器 滑套式喷砂器 K344-114封隔器
油层I
喷砂器（Ø42mm）
中华人民共和国重庆水泵 厂
投运 时间
出口
进口
泵体
防爆接线盒 电动机
联轴器护罩
加油口 泵头
接地线 底座
基础
长庆油田公司
缓冲罐结构图
主要参数
设备规 数
工工格 量容 作 作Fra bibliotek积压 温
力度
安
投
装 地
生产厂家
运 时
点
间
Φ2000 ×6824
×12
2
1
0 m
3
0.6 MP a
50 ℃
长庆石油 勘探局油 田建设工 程公司金 属结构厂
注水层
注水层
注水层
注水层
注水层
注水层
DDQ0656偏心配水器

m e2 3n2 – 近似认为管内外密度相等，则： n 0 ；m e
• 任何情况下，虚（应）力都很容易计算； • 有的情况下，无法使用浮力系数法，有效轴向力计算较为困难。
例如，抗内压、抗外挤强度试验的管柱。
• 有的情况下，无法使用压力面积法，真实轴向力计算很困难。例 如，定向井条件下的管柱。
二、复杂液压环境下浮力系数计算式
• 最简单的液压环境：
– 管内外液体重率相等。
• 液柱压力的特点； • 三向等值压应力对钢质管柱的形
状变形和强度破坏不起作用；
一、两种轴向力之间的关系式
• 管柱断面轴向上的虚力：
– 虚力的计算公式：
FxAopoAipi
• Ai ,Ao——断面的内、外圆面积； • Pi ,po——断面内、外的液压力；
– 虚应力计算公式：
x

Aopo
Aipi
• Mises应力的有效应力表达式：
m e23(n2m 2)
两套公式相比: 1、轴向力不同； 2、多了压差剪应力。
三、Mises应力的有效应力表达式
• Mises应力的有效应力表达式：
m e23(n2m 2)
– 钻柱强度计算时，最危险工况是起下钻，此时扭应力 等于零，Mises应力表达式为：
m 1 22 23 2121323s
三、Mises应力的有效应力表达式
• 传统的Mises应力表达式：
– Mises应力，即第四强度理论的等效应力（合 成应力、相当应力），使用真实应力表达：
m 1 22 23 2122313
– 60多年来许多问题争论不休，根本原因就是没有区 分和搞懂两种轴向力。例如中性点。
– 要讲两种轴向力之间的关系，还要讲一个力——虚 力。

液压的环境下的油井管柱力学
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
液压环境下油井管柱力学的 两个问题
目录
• 第一章 绪论
争论：浮力能否导致 钻柱发生屈曲？
– 第一节 60年前引发的争论 批评不正确观点
– 第二节 关于浮力问题的讨论
– 第三节 我曾经犯过的错误
自我批评
附录1：关于浮力问题的似是而非观点摘录
附录2：《浅析钻井过程中浮力对井斜的影响》
– 前言与第一章的参考文献
目录
• 第二章 前人研究中的是与非
– 有效轴向力 ：在钻柱强度设计；管柱摩阻计算；管 柱屈曲稳定性的判别；管柱中性点的计算；套管柱 单轴抗拉强度计算和校核；等等，都使用有效轴向 力。
– 60多年来许多问题争论不休，根本原因就是没有区 分和搞懂两种轴向力。例如中性点。
– 要讲两种轴向力之间的关系，还要讲一个力——虚 力。
一、两种轴向力之间的关系式
– 第一节 汉陡门：液压环境下杆柱屈曲的临界条件 – 第二节 豪金斯：液压环境下管柱轴向应力的实验测量 – 第三节 霍尔姆奎斯特：静液柱压力对管柱屈曲的影响 – 第四节 鲁宾斯基：钻柱屈曲的临界钻压 – 第五节 克林肯伯格：两个中性区及其意义 – 第六节 乌兹：管子屈曲的稳定性模型 – 第七节 鲁宾斯基：管柱屈曲的临界条件 – 第八节 鲁宾斯基：虚力与真实力概念的提出 – 第九节 鲁宾斯基：中性轴应力与塑性圆理论 – 第十节 汉默林陡：中性点的通用公式 – 第十一节 稳定性载荷与稳定力概念 介绍了12名著名专家的研 – 第十二节 有效轴向力与真实轴向力 究成果。其中有鲁宾斯基 – 第十三节 阿德诺埃：广义浮力系数 的四项最著名的成果。

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张 组配生产管柱 基本要求 发 展 • 2、机械采油管柱。 讲 • 常规机械采油管柱。 义 • 机械采油隔采管柱。 管 • A、封上采下隔采管柱。 柱 • B、封下采上隔采管柱。 组 • C、双封采中隔采管柱。 配 • D、双封采两头隔采管柱。
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张 组配生产管柱 基本要求 发 展 • （三）采油井防砂管柱：（1天） • （1）滤砂管防砂管柱。 讲 • （2）金属绕丝筛管砾石防砂管柱。 义 • （四）增产措施管柱：（（1天）。 • 1、单封直压管柱。 管 • 2、双封选压管柱。 柱 • 3、多层分压管柱。 组 • 4、三封卡双层管柱。 • 5、四封卡三层管柱。 配
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张 画下井管柱结构示意图 发 展 3、第三级封隔器实配深度 讲 第三级封隔器实配深度=第二级封隔器实配深 义 度+第二级封隔器下部长度+选用油管长度+配产 （水）器长度+第三级封隔器上部长度。 管 4、底部球座实配深度 柱 底部球座实配深度=第三级封隔器实配深度+第 组 三级封隔器下部长度+选用油管长度+配产（水） 配 器长度+底部球座长度。
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张 发 展 讲 义 管 柱 组 配
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张 发 展 讲 义 管 柱 组 配
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张 发 展 讲 义 管 柱 组 配
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张 发 展 讲 义 管 柱 组 配
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张 发 展 讲 义 管 柱 组 配
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张 发 展 讲 义 管 柱 组 配
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张 发 展 讲 义 管 柱 组 配
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张 发 展 讲 义 管 柱 组 配
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张 发 展 讲 义 管 柱 组 配
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张 发 展 讲 义 管 柱 组 配
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张 发 展 讲 义 管 柱 组 配

平衡丢手管柱
丢手接头
结构：主要由丢手接头、 Y341型封隔器及偏心配产器 组成。为适应油田不同套管 井的堵水，目前堵水封隔器 主要由Y341-114型封隔器等 组成。
可退捞矛
平衡丢手管柱
丢手接头
Y341-114封隔器:
该类封隔器为无支 撑式、液压座封、上提 解封，刚体最大外径 114mm，释放压力1618MPa。
用途：用于压堵或层内封堵
工艺管柱的分类 ⑶ 多层封堵工艺管柱结构
堵层
堵
生产层
FXY445-114 空心桥塞
Y341-114L 封 635-III 偏
Y341-114L 封
堵层
堵
Y341-114L 封
尾管
死堵
结构 7
用途：用于2层压堵、套 变及有落物井封堵
堵层
堵
生产层
Y341-114L 封
Y341-114L 封 635-III 偏
表1 分类代号表示方法
分 类 自封式 压缩式 楔入式 扩张式
代号 Ｚ
Ｙ
Ｘ
Ｋ
表2 支撑方式代号表示方法
支撑方式 尾管 单向卡瓦 无支撑 双向卡瓦 锚瓦
代号 １
２
３
４
５
表3 坐封方式代号表示方法
坐封方式 提放管柱 转管柱 自封 液压 下工具
代号
１
２
３４
５
表4 解封方式代号表示方法
解封方式 提放管柱 转管柱 钻铣 液压 下工具
用途：聚驱上返底部封堵， 处于试验阶段
工艺管柱的分类 ⑵ 中上部封堵工艺管柱结构
FXY445-114 空心桥塞
堵
FXY445-114 空心桥塞
堵
Y341-114L 封

在核能工程领域，油气井杆管柱可用于核反应堆冷却剂输送，需要具备高强度、 耐高温和耐辐射等特点。源自THANK YOU。
05
油气井杆管柱的应用 实例
油气井杆管柱在石油工程中的应用实例
1 2 3
石油开采
油气井杆管柱在石油开采过程中起到关键作用， 用于支撑井壁、传递扭矩和压力，确保石油顺利 开采。
钻井工程
油气井杆管柱作为钻杆的重要组成部分，用于输 送钻井液、传递钻压和扭矩，同时起到保护钻头 和井壁稳定的作用。
油气分离
材料检测与评估
对杆管柱的材料进行检测和评估，以确保其质量和可靠性。
油气井杆管柱的工艺优化设计
工艺流程优化
01
对杆管柱的制造工艺流程进行优化，以提高生产效率和降低成
本。
工艺参数优化
02
对杆管柱的制造工艺参数进行优化，以提高其质量和性能。
工艺质量控制
03
建立完善的工艺质量控制体系，以确保杆管柱的质量和可靠性
油气井杆管柱的强度分析
材料强度分析
研究杆管柱材料的强度特性，如抗拉、抗压、抗弯等。
结构强度分析
研究杆管柱结构的强度特性，如连接处、弯曲处等。
03
油气井杆管柱的稳定 性分析
油气井杆管柱的静态稳定性分析
静态稳定性分析
研究杆管柱在静止状态下的稳定 性，分析其受到的静力平衡状态 ，以及在各种外力作用下的稳定
有限元分析
利用有限元分析方法，对杆管柱的结构进行仿真 分析，以评估其力学性能和优化设计方案。
参数化设计
采用参数化设计方法，对杆管柱的结构参数进行 优化，以实现最优的结构设计。
油气井杆管柱的材料优化设计
材料选择
根据油气井的工况和要求，选择合适的材料，以提高杆管柱的力 学性能和使用寿命。