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《水平井杆管柱力学的有限元分析及应用》篇一一、引言随着石油和天然气等能源需求的不断增长，水平井技术已成为提高采收率的重要手段。
在水平井钻探和开采过程中，杆管柱的力学性能至关重要，直接关系到井下作业的安全与效率。
传统的力学分析方法往往难以满足复杂工况下的精确计算需求。
因此，本文将探讨水平井杆管柱力学的有限元分析方法及其应用，旨在为实际工程提供理论支持。
二、水平井杆管柱力学概述水平井杆管柱力学是研究在井下复杂环境中，杆管柱的受力、变形及失效规律的学科。
其涉及的主要内容包括：杆管柱的材料选择、结构设计与力学性能分析等。
在实际应用中，由于水平井的特殊地质条件和工作要求，杆管柱的力学性能分析显得尤为重要。
三、有限元分析方法有限元分析是一种高效的数值计算方法，通过将连续体离散化为有限个单元的组合，求解近似解。
在水平井杆管柱力学分析中，有限元分析的应用主要体现在以下几个方面：1. 模型建立：根据实际工况，建立杆管柱的几何模型，并划分网格，形成有限元模型。
2. 材料属性定义：根据杆管柱的材料特性，定义各单元的材料属性，如弹性模量、泊松比等。
3. 边界条件与载荷施加：根据实际工况，施加边界条件和载荷，如重力、摩擦力等。
4. 求解与结果分析：通过求解有限元方程，得到杆管柱的应力、应变及位移等结果，并进行后处理分析。
四、有限元分析在水平井杆管柱力学中的应用1. 杆管柱设计优化：通过有限元分析，可以准确计算杆管柱在不同工况下的受力情况，为设计优化提供依据。
如调整杆管柱的截面尺寸、材料选择等，以提高其力学性能。
2. 井下事故预防：通过有限元分析，可以预测杆管柱在复杂工况下的失效模式，从而采取相应措施预防井下事故的发生。
如及时发现并处理潜在的安全隐患，确保井下作业的安全。
3. 施工工艺优化：有限元分析可以指导施工工艺的优化，如调整钻进速度、改变井眼轨迹等，以降低杆管柱的受力，提高作业效率。
五、结论本文介绍了水平井杆管柱力学的有限元分析方法及其应用。
油田采油管柱技术及应用探寻发布时间：2022-04-06T05:23:17.130Z 来源：《科学与技术》2021年33期作者： 1梁鹏 2王珂 3赵久胜[导读] 在近年来，中国经济发展速度位居世界前列，整体社会建设成果也十分喜人，但是与此同时，工业的快速发展和人民生活水平的提升，也给能源供应带来了更高的标准，而石油资源正是能源结构中最重要的一种能源。
1梁鹏 2王珂 3赵久胜1中石油长庆油田分公司第四采油厂，宁夏银川 750000 2长庆油田公司第十二采油厂，陕西西安 710299 3长庆油田分公司第三采油厂，宁夏银川 750000摘要：在近年来，中国经济发展速度位居世界前列，整体社会建设成果也十分喜人，但是与此同时，工业的快速发展和人民生活水平的提升，也给能源供应带来了更高的标准，而石油资源正是能源结构中最重要的一种能源。
然而，我国的石油开发方面的进展却愈发难以满足各行业的要求。
特别是我国的油田采油进展更是如此，这是因为在开采石油，随对于石油的开采技术以及质量都有着很高的标准以及严要求，这就决定了开采技术与开采石油的质量需要达到一定的水准才能进行采油。
笔者就以我国油田采油技术里的管柱技术加以阐明解释，但愿可以在一定程度上对我国的油田采油技术的提高有所作用。
关键词：油田采油；管柱技术；油井；油田勘探 1 前言现今，我国正处于高速发展的阶段，然而大部分行业的发展都脱离不开一项能源——石油，石油资源在我国是使用频率相当高得能源，为了维持我国石油资源的供给，我国的油田开采也在进行中，油田开采技术是一个极其专业化的技术。
石油发展技术越先进，开采石油的效率也就越高，并且，为了使石油的开采更加顺利，需要我们对石油的开采技术进行不断地革新，使其变得更加高效低损耗。
同时，在这一个过程中，还需要注意到石油开采对于环境的影响，不能为了石油开采效率高就破坏了大自然，这就对石油开采技术提出了更高更大的挑战。
因为这些因素，我们需要进行大量的相应技术创新的资金投入，以此来作为技术优化的基础，对石油开采技术进行全面提升，促进我国的资源开采技术。
第五章抽油杆柱力学分析及应用在采油工程中，人工举升设备可分为有杆抽油设备和无杆抽油设备。
有杆抽油设备主要由地面驱动设备(如抽油机)、抽油杆、抽油泵组成，这是应用最早、使用范围最广的一种举升设备，如油田上常见的游梁式抽油机等；无杆抽油设备的动力装置(如电机)主要位于井下、一般由电机、电泵组成，如潜油电泵采油设备等。
抽油杆是有杆抽油设备的重要部件[1]，抽油杆柱是由数十根或数百根抽油杆通过接箍连接而成，它将抽油机的动力传递给井下抽油泵。
按照抽油杆的运动状态和匹配的抽油泵，可划分为往复泵抽油杆柱和螺杆泵抽油杆柱，其中往复泵抽油杆柱只做轴向运动、以传递轴向力为主，而螺杆泵抽油杆柱只做旋转运动、以传递扭矩为主。
位于井下数千米长的抽油杆柱工作状态较为复杂，能否在满足采油工艺条件下安全可靠的长期工作一直是备受关注的技术问题。
因此，国内外学者和技术人员为了提高抽油杆工作的可靠性和使用寿命，适应不同油气井的举升需要，主要从抽油杆制造和举升井应用两个方面开展研究，取得了大量研究成果。
在抽油杆的材料、结构和制造方面，随着国内外新材料的发明和应用，抽油杆型号和品种有了很大变化。
在原有的Cc级、D级、K级和H级钢制抽油杆基础上，又出现了玻璃钢抽油杆、不锈钢抽油杆、铝合金抽油杆、石墨带抽油杆、非金属带状连续抽油杆、椭圆形截面连续抽油杆、钢丝绳抽油杆等。
从结构上看出现了空心抽油杆，从功能上看出现了抗扭抽油杆。
这些新型抽油杆的出现，极大地满足了不同油气井举升的需要，也为抽油杆柱的力学分析和工程应用带来了新课题。
在抽油杆举升井应用方面，主要是基于抽油杆柱的力学分析结果，结合人工举升工艺和杆柱失效等情况，开展了以下三个方面的研究和应用：（1）抽油杆柱力学分析与设计口[2-5]，确保井下抽油杆柱能够安全可靠的长期工作，避免杆柱和连接螺纹发生断裂失效事故。
（2）扶正器安放位置计算与杆管防偏磨技术[6-9]，合理的扶正器设计可以使杆管偏磨、摩擦阻力达到最佳平衡点(若扶正器太多必然引起摩阻力增大、采油耗能增加，若扶正器太少又起不到防偏磨效果)。
子机器人的机械结构如图３所示，每节子机器人内有三从结构动力学的角度来讲，一个普通尺寸的机构在对其图５（ａ）显示了纳米管的屈曲变形形状，一个凹槽出３．１．１机器人机械结构和工作原理
３．１．２微机械目前所存在的问题
图１子母型机器人结构简图
图２油气井及杆管柱
图３子机器人结构简图图４初始没有形变的单壁碳纳米管
图５
碳纳米管弯曲、屈曲形变
图６钻杆弯曲和扭曲
图７轴向屈曲
设油气井杆管柱变形线任意一点的矢径为
中ｌ和ｔ分别为油气井杆管柱变形前的弧长和时间变量。
若由微分几何可知：
式中ｋ和ｋ分别为ｒ点的曲率和挠率，且满足：
取油气井杆管柱微元受力如图９所示，运动状态如图
通过受力分析，建立如下运动平衡方程
（３）
式中，Ａ为油气井杆管柱的截面积，
材料密度，ｔ为时间，为油气井杆管柱绕井眼中心公转角
式中，Ｅ为弹性模量，Ｉ为截面惯矩，Ｇ为剪切弹性模量，Ｊ为截面极惯矩，为杆管柱的扭转角，
４．１．３几何方程，
４．１．４运动平衡方程Ω
ｂｎ
——式
图９钻柱微元受力分析
图１０钻柱的运动状态
γ
图８坐标系。
分析油田采油管柱技术的应用随着我国经济的迅猛发展，国家对石油、天然气需求量急剧上升，各大石油企业以及油田越来越重视对采油生产的日常管理。
采油管柱技术是保障油田勘探开发、采油工程的重要技术手段之一。
本文将通过简要介绍采油管柱技术、我国采油管柱技术目前现状以及采油管柱技术在各大石油企业和油田中的应用，来对油田采油管柱技术进行分析，旨在推动我国采油管柱技术向前发展，为我国各大油气田更高效地采油生产贡献力量。
标签：油田采油;管柱技术;油井;应用在油气田整个采油采气过程中，采油管柱技术是最基础、最常用的工程技术之一，它的应用伴随着油气田全生命周期，从前期勘探到后期开发。
由此可见，采油管柱技术的水平高低很大程度上决定了一个油气田的勘探开发好与坏，同时采油管柱技术多种多样，需要根据各油气田实际情况选择使用。
因此，我国要依托科学技术的进步，大力发展采油工艺技术。
各油氣田根据自身实际情况合理选择、引用采油管柱技术，推动油气田勘探开发稳步向前。
1油田采油管柱技术概述1.1 油田采油管柱技术简介在油气田进行勘探开发过程中，油气井钻井完井后，通过射孔作业使得地层与井筒连通，如果地层能量充足则油气井自喷生产，如果地层能量不足以把油举升到地面则需要把采油管柱下入井筒内，通过机械采油的方式把原油采出地面。
采油管柱技术主要是建立油气从地层到井筒、从井筒到地面的采油工艺技术，它主要能提高生产层位的驱油效率，从而提高单井的产量以及油气藏的整体采收率。
同时，采油管柱技术可以运用到一些复杂地质情况、复杂井型以及稠油、超稠油等油藏中[1]。
1.2 我国油气田对采油管柱技术的要求我国绝大部分油气田都属于陆相沉积，不同于国外那些产油国的海相沉积，它的沉积整体规模不大，而且受地质构造、沉积环境等影响很大，所以造成我国油气田整状油气藏比较少，主要为构造、岩性油气藏。
油气藏的地质情况复杂、多样，导致我国各油气田的勘探开发方式方法存在差异，同时也要求采油工程技术多样化、先进化，这样才能满足我国油气田勘探开发过程中所面对的众多油气藏和开采要求。
分析油田采油管柱技术的应用石油作为一种重要化工产品，其在我国现代化工程建设中具有着广泛的应用空间，是目前我国能源开采过程中的一项重要能源产品。
现代油田企业在具体发展过程中，要加强对应用的各项技术的攻坚，不断加强对新型采油技术的研究，将合理的技术应用到油田开采作业中，从而达到节约时间、降低成本，提高产量的目的。
标签：油田采油;石油资源;采油管柱;安全生产石油开采技术是一项专门进行能源开采的工作，其为我国现代化建设提供了丰富的能源，对于我国各种工程建设，以及人们的生活质量的提高起到强有力的支持作用。
石油开采期间，为了可以确保日常生产作业的顺利进行，并且可以为各项工作的开展提供丰富的能源支持，作为采油企业在具体作业期间，要加强对采油管柱技术应用的分析，通过增加经济、人才投入等方式，提升采油管柱技术的先进性与合理性，进而使其作用能够得到合理发挥，从而能够更好完成采油作业。
1 油田采油管柱技术简介油井作业结束一段时间后，出液中的化学性质种类较多情况将会变得十分突出，因此，在对原油进行开采时，为了确保石油开采作业的顺利进行，具体作业期间，应当通过人工方式将采油作业中的原油从井筒中举升到地面，完成采油作业[1]。
在该期间，通过对存在于采油管柱井筒内部的采油管柱进行合理应用，可以通过能量传递的形式，将地面上的能量转化给原油，从而使原油可以具有一定的能量，最终在石油开采作业中，可以顺利的完成对原油的举升，使其抵达到地面，完成石油开采。
2 采用采油管柱技术的重要性油田采油作业期间，作为工作过人员的首要任务就是通过合理的分析，全面了解采油地质的具体情况，对油藏的基本状况能够有一个全面了解，在该期间，管柱采油技术的具体应用意义重大。
在油田采油期间对采油管柱技术进行合理应用，可以全面了解油田开采作业中涉及到的各项参数内容，从而能够更好地完成相应的作业。
例如，可以了解采油期间，油田的具体开采量，以及采油管柱技术实际应用前的各项基本需求等[2]。
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。
《水平井杆管柱力学的有限元分析及应用》篇一一、引言随着石油、天然气等能源需求的持续增长，水平井技术因其高效采油的特点得到了广泛的应用。
水平井杆管柱力学作为其核心技术之一，对于保障井下作业的安全与效率具有重要意义。
本文将着重介绍水平井杆管柱力学的有限元分析方法及其在工程实践中的应用。
二、水平井杆管柱力学基本概念水平井杆管柱力学是研究水平井中钻杆、油管等杆管柱在地下复杂环境中的受力、变形及失效规律的学科。
其核心内容包括杆管柱的力学模型、受力分析、变形计算及失效预测等。
三、有限元分析方法在水平井杆管柱力学中的应用1. 有限元分析方法概述有限元分析是一种基于离散化的数值计算方法，通过将连续体离散为有限个单元的组合体，对每个单元进行分析并综合得出整体的行为特性。
在水平井杆管柱力学中，有限元分析方法能够有效地模拟杆管柱在地下环境中的受力与变形过程。
2. 有限元模型建立在水平井杆管柱力学的有限元分析中，首先需要根据实际井况建立合理的几何模型。
模型应包括井眼轨迹、杆管柱的几何尺寸、材料属性等。
随后，根据模型的几何特性和受力情况，划分合适的有限元网格，定义材料属性、边界条件和载荷等。
3. 受力与变形分析通过有限元分析软件对模型进行求解，可以得到杆管柱在地下环境中的受力与变形情况。
包括各节点的位移、应力、应变等参数，以及杆管柱的整体变形形态。
这些数据对于评估井下作业的安全性、优化杆管柱设计及预防失效具有重要意义。
四、应用实例以某油田水平井为例，采用有限元分析方法对杆管柱的受力与变形进行了详细的分析。
首先建立了包括井眼轨迹、杆管柱几何尺寸和材料属性等在内的几何模型。
然后，根据实际工况定义了边界条件和载荷，并进行了有限元网格划分。
通过求解，得到了杆管柱在地下环境中的受力与变形情况。
根据分析结果，优化了杆管柱设计，提高了井下作业的安全性和效率。
五、结论水平井杆管柱力学的有限元分析方法在工程实践中具有广泛的应用价值。
通过建立合理的几何模型、划分合适的有限元网格、定义材料属性、边界条件和载荷等，可以有效地模拟杆管柱在地下环境中的受力与变形过程。
井下管柱力学分析及优化设计一、本文概述随着石油工业的发展，井下管柱作为石油开采过程中的关键组成部分，其力学性能及优化设计日益受到业界的广泛关注。
本文旨在全面探讨井下管柱的力学特性，以及针对其在实际工作环境中的受力情况进行详细分析，从而提出有效的优化设计策略。
通过对井下管柱的力学分析，可以深入理解其在石油开采过程中的行为规律，预测潜在的安全风险，并为提高管柱的承载能力和延长使用寿命提供理论支持。
优化设计的提出将有助于降低开采成本，提高石油开采效率，为石油工业的可持续发展做出贡献。
本文的研究不仅具有重要的理论价值，而且具有广泛的应用前景。
二、井下管柱力学基础在石油、天然气等地下资源开采过程中，井下管柱作为重要的设备之一，其力学特性对于确保开采过程的安全和效率具有决定性的影响。
因此，深入理解和掌握井下管柱的力学基础，是优化设计井下管柱结构、提高开采效果的前提。
井下管柱的力学行为主要受到轴向力、弯曲力、剪切力以及压力等多种力的影响。
这些力主要来源于地层应力、流体压力、温度变化、管柱自身的重量以及操作过程中的外力。
其中，轴向力主要由管柱自身的重量和地层应力引起，弯曲力则是由地层弯曲和管柱自身的挠曲造成，剪切力则可能由流体流动、温度变化等因素产生。
在力学分析中，我们通常采用弹性力学、塑性力学以及断裂力学等理论工具，对井下管柱在各种力作用下的行为进行深入的研究。
例如，通过弹性力学，我们可以分析管柱在弹性范围内的应力、应变分布，以及管柱的变形情况；而塑性力学则可以帮助我们理解管柱在塑性变形阶段的力学行为，以及管柱的承载能力；断裂力学则可以揭示管柱在断裂过程中的力学规律，为预防管柱断裂提供理论依据。
井下管柱的力学行为还受到流体压力的影响。
在开采过程中，地层流体（如石油、天然气、水等）的压力会对管柱产生压力作用，从而影响管柱的力学行为。
因此，在力学分析中，我们还需要考虑流体压力对管柱的影响，以及管柱与流体的相互作用。
分析油田采油管柱技术的应用摘要:采油管柱在采油工程中具有重要的作用，采油机械系统离不开采油管柱，正是有了采油管柱，油井中的原油才可以从数百上千米的地下开采到地上,为人类所用。
随着采油需求的多样化，专业采油管柱的种类也逐渐增多，主要是针对原油开采的管柱和针对稠油开采的管柱两类。
为了更好地使用采油管柱进行油田的开采，结合实际使用情况，具体分析了采油管柱技术的实践运用。
关键词:油田开采；采油管技术；技术运用分析石油的广泛应用离不开油气资源的勘探开发。
在油气资源的勘探与开发技术中，采油管柱技术是一项重要的工程技术，在对油气资源储藏量和油气开采附近的地理地质条件进行评估时，采油管柱技术的功能得以体现。
开发开采油田，采油管柱是重要的部分，相关的技术的高低在一定程度上也代表着一个国家石油开采的能力。
采油管柱技术服务于油气开采，只有应用于相关的实践中才能实现内在的价值。
分析采油管柱技术的应用，有助于优化优化油田开采，为油田开发开采实践提供指导意义。
1 采油管柱技术简介在我国的油气资源开采系统中，主要采用的是机械采油技术，在机械采油中，采油管柱采油占有重要的地位，其具体应用流程主要是，通过井筒针对地下的油层作业，在油层中驱油进入井筒，管柱作为一个介质传输原油，将原油输送到输油井中，再通过输油井传送到地面上，完成原油的开发开采作业。
随着输油管柱在油田开采中的应用的广泛，输油管技术对于驱油条件的改善作用、对于井网开采油田的实用性提升等的作用得到了越来越多的油气开采一线人员和工程师的认可，可以预见，采油管柱技术将对完善优化油田开采做出重要的贡献，具有广泛的应用前景。
2 采油管柱技术的重要价值在进行油田开采作业准备时，要通过应用采油管柱技术充分了解地下油气资源储藏量，进一步明确油井能够达到的产油量的大致范围、对地下裂缝分布进行具体详细的认识、明确地应力场等。
根据采油管柱技术对地质条件、油气资源情况进行综合地分析，可以在开发作业前满足油田开采工程中需要的密切关注的众多技术目标和具体要求。
文章编号:025322697(1999)0320087290油气井杆管柱动力学基本方程及应用Ο李子丰Ξ李敬元 马兴瑞 黄文虎(中国地质大学) (中国空间技术研究院) (哈尔滨工业大学)摘要:随着油气田开发的需要,自本世纪50年代以来,针对油气井杆管柱力学的某些特殊问题已进行了较广泛、较深入的研究,但所有的研究工作都是基于某项特殊需要而进行的,未形成统一的理论。
文中通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析,建立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,介绍了在油气井杆管柱的拉力和扭矩计算、下部钻具力学分析、油气井杆管柱的稳定性、有杆泵抽油系统井下工况诊断与预测、钻柱振动和热采井管柱力学分析中的应用。
主题词:钻柱;套管;油管;抽油杆;钻具;受力分析;偏微分方程1 前 言杆管柱是油气钻采工程中最重要的下井工具。
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,处于十分复杂的受力、变形和运动状态。
对油气井杆管柱进行系统全面、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)优化油气井井身结构;(4)及时、准确地诊断、发现和正确处理各类井下问题;(5)优选钻采设备和工作参数。
自本世纪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,未形成统一的理论,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。
本文通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析,建立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。
最后,简要介绍了这些基本方程在石油钻采工程中的应用。
