液压环境下的油井管柱力学

石油工程管柱力学课程设计1. 管柱力学基础管柱力学是石油工程中不可或缺的一部分，它主要研究油井钻探和完井过程中涉及到的钻杆、液压缸、连接器、钻头等部件在承受外力作用时的应力、变形及破坏规律。

针对不同的井口工艺和操作要求，可以通过合理的管柱设计，来保障井口操作的顺利进行。

在管柱设计中，需要关注的主要参数有钢管壁厚、钢管外径、管长、管材质量等。

此外，还需对井底温度、井深、地层的物理力学性质等因素进行综合分析，以确保管柱的安全性与可靠性。

通常情况下，管柱的强度应该比作用力的强度要大，以保证管柱在工作时不会被破坏。

2. 管柱力学的综合应用在实际油田开发过程中，除了对单根管柱的分析研究之外，还需要考虑不同管柱连接方式之间的协调性和共同作用效果。

常见的管柱连接方式包括非扭转型（NC）与扭转型（TC）两种，其中扭转型联接更适用于坚硬的井下环境中。

另外，在深井钻探中，气阻效应也会对管柱的使用产生影响。

漏失控制也是需要关注的一个因素。

管柱在钻探过程中可能会出现事故，比如突发涌流和炸孔等，都会影响到工程的稳定进行。

因此，在管柱设计中，也需要考虑在控制漏失的前提下如何维持作业效率。

3. 钻杆选择与设计钻杆是立管钻井过程中的核心设备之一，它对钻井效率和作业质量的影响极大。

在钻杆的选择中，需要考虑地质条件、钻井设备的特点、工程目标等因素。

杆子的外形和长度、螺旋方向、杆组与组间的连接方式都是重要影响因素。

另外，钻杆的设计需要考虑其材料与热翘曲特性，以保证钻杆在挖掘过程中的稳定性和安全性。

钢管的选择也需要根据不同条件考虑，比如高强度钢、高温钢和非钢材等。

4. 工程实践在石油工程实践中，钻井作业中的管柱安全性与可靠性，是每个现场掘进工程师都需关注的重点问题。

从杆组的选择和设计到现场杆组的测量和监控，都需要严格遵守工艺标准，保证现场工作的顺利进行。

结合工程实际案例，设计出合理的管柱方案是至关重要的。

通过对工程数据的综合分析和应用管柱力学理论，可以更好地掌握现场钻掘过程中的动态变化，从而及时调整管柱设计和作业流程，保障钻掘作业的顺利进行。

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。

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)。

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。

油气开采中石油钻井管柱受力特性研究油气资源是世界经济发展中不可或缺的一环，如何高效开采油气资源成为了世界各国的共同问题。

其中，钻井过程是非常关键的一步，涉及到钻井设备的设计和使用。

本文将针对石油钻井管柱受力特性进行探讨。

钻井管柱是钻井平台上不可或缺的重要构件，它用于动力和液压传输，并通过管柱将钻头送入井下。

在高温、高压、高强度工况下，钻井管柱经常会产生弯曲、挤压等力学问题，从而影响钻井效率和管柱使用寿命。

首先，我们需要了解石油钻井过程中使用的钻井管柱的组成。

钻井管柱一般由三种材料组成：管体、接头和支撑环。

管体是管柱的主体部分，通常采用钢材制造；接头是管柱两端的连接部分，也采用钢材制造；支撑环是钻柱与井壁之间的支撑载荷。

这三种组件分别承担着不同的力学作用。

其次，我们需要探究石油钻井管柱在工作过程中所受的力学影响。

一般而言，石油钻井管柱在钻探过程中常常会承受到以下力学作用：弯曲、挤压、剪切、拉伸等。

这些力学作用的影响是直接的，会导致管柱失效、产生裂纹、变形等问题。

因此，了解石油钻井管柱的受力特性，有助于有效解决管柱被力学作用破坏的问题。

最后，我们需要探讨如何提高石油钻井管柱的强度和使用寿命。

当前，石油行业的专家推崇采用新型合金钢材作为钻井管柱的材料。

这些新材料具有更高的强度和韧性，能够更好地适应复杂的钻探环境，从而提高钻井效率和管柱使用寿命。

此外，还可以采取适当的钻探策略，如加强油井评估、优化钻井参数等，以便于减少钻井管柱的损坏。

总之，石油钻井管柱的受力特性研究是石油行业关注的一个研究领域，通过研究钻井管柱的材质、组成和受力特点等，能够更为准确地了解石油钻井过程中的力学问题，也能够更有效地提高石油钻井管柱的强度和使用寿命。

相信在未来的发展中，石油行业的技术专家将会不断制定更好的工艺和使用方案，以更好地满足石油开采的需求。

石油工程管柱力学教学设计一、概述石油工程中的管柱力学是十分重要的一门学科，它对于石油工程井下的钻探、测井、油气生产以及管线输送等方面都有着至关重要的作用。

在石油工程学科中，管柱力学是一门比较底层的学科，它是石油工程学科中其他学科的基础，因此，其教学也显得尤为重要。

本文将就石油工程管柱力学的教学设计进行探讨。

二、教学目标石油工程管柱力学的教学目标应当是培养学生对于管柱力学的基本理论知识的掌握和相关技能的提升。

具体地，应包括下列内容：•掌握石油工程管柱力学的基本理论知识，包括力学原理、应力应变关系、管柱受力分析等；•了解管柱的力学特性，能够熟练掌握管柱力学模型的建立方法和分析技巧；•能够通过实际案例的分析，掌握如何采用管柱力学理论解决实际问题；•具备基本的石油工程管柱力学实验技能，能够独立设计并完成简单的管柱力学实验。

三、教学内容1. 理论课程•石油工程管柱力学的基本原理；•管柱受力分析的基本方法；•管柱的应力应变关系；•管柱的弯曲、疲劳分析；•管柱稳定性分析；•管道输送稳定性的分析等。

2. 实验课程•管柱力学实验装置的组成和操作方法；•弹性力学模量的测量实验；•管柱受力分析实验；•管柱抗弯实验等。

四、教学方法1. 理论授课石油工程管柱力学的理论课程应该采取讲授、案例分析等多种教学方法，让学生在理解概念的基础上，能够加深对于具体案例的分析能力，并能够将理论知识应用于解决实际问题。

2. 实验教学石油工程管柱力学的实验教学应当突出实践和应用。

教学应当针对管柱力学实验装置的组成和实验原理进行详细讲解，使学生了解实验的目的和意义，并进行实际操作。

在实验过程中，应当注意对学生进行安全教育和操作技能培养，保证实验的安全性和正确性。

五、教学评估为确保教学效果，应当对学生进行考核评估。

教学评估应该包括理论课、实验课等多个方面。

具体如下：1.理论课考试；2.实验考核，包括实验检查和实验报告评分；3.参与度考核，包括课堂出席率、课堂表现等。

石油钻采管柱力学教学设计1. 背景介绍石油钻采是一项高风险、高成本的工作，而管柱力学是石油钻采中至关重要的一环。

管柱的压力分布和力学行为对于井深、井径以及钻具的选择和设计都有着至关重要的影响。

因此，在石油工业中，石油钻采管柱力学的教学显得格外重要。

2. 教学目标本次石油钻采管柱力学的教学旨在培养学生对于石油钻采中管柱力学的基本理论和实践技能的掌握，具体目标如下：•了解管柱力学的基本概念和关键知识点；•掌握管柱力学的计算方法和实验技术；•认识石油钻采中管柱力学的重要性；•学习并掌握常用加强措施的实施方法。

3. 教学内容在本次课程中，主要涵盖以下内容：3.1 管柱力学基础•管柱力学的基本概念和重要性；•管柱的不同载荷作用下的应力和变形规律；•管柱在弯曲和扭转过程中的应力变化。

3.2 管柱力学计算方法•管柱在不同载荷作用下的应力、变形和振动计算方法；•管柱在弯曲和扭转作用下的应力计算方法；•管柱在气动和水动作用下的应力计算方法。

3.3 管柱实验技术•管柱力学实验的基本原理和实验方法；•管柱应力的测量及实验分析；•管柱在不同载荷作用下的变形和振动实验技术。

3.4 管柱加强措施•管柱加强的目的和意义；•常用的管柱加强措施和实施方法；•加强对于管柱力学行为的影响。

4. 教学方式本次课程的教学方式将采用讲授理论知识、案例分析、实验演示等多种方式，以帮助学生全面掌握石油钻采管柱力学的相关知识和技能。

具体教学方式如下：•在理论讲授环节，将使用PowerPoint演示和白板讲解相结合的方式，全面介绍管柱力学的理论知识；•在案例分析环节，将结合实际场景进行演示，以让学生更加深刻的理解管柱力学的应用和影响；•在实验演示环节，将使用实验室模拟装置进行演示，以让学生亲身参与和体验管柱力学实验的过程。

5. 教学评价为确保本次课程的有效性和学生的学习质量，本教学设计将采用如下教学评价方式：•闭卷考试（占总评成绩50%）：以选择题、填空题、简答题等方式考察学生对于石油钻采管柱力学的理论掌握情况；•实验报告（占总评成绩30%）：要求学生按照实验要求进行实验，并对实验结果进行分析和总结；•课堂参与度（占总评成绩20%）：以课堂发言、问题解答等方式考察学生对于本次课程的掌握情况。

论克拉玛依油田科学使用管柱力学摘要：然而作业管柱在井下的受力情况十分复杂，影响因素多，工作条件恶劣，因此，为保证井下作业施工的安全顺利进行，对井下作业管柱的受力变形分析和强度评定显得十分重要，它为管柱设计和安全施工提供可靠的理论依据。

关键词：管柱受力直梁材料钻井一、管柱受力基本情况介绍管柱受力在以往的设计井下作业管柱时，仅仅是凭借实践经验和主观判断，因而缺少科学的理论计算依据。

实际的井眼轴线并不是理想的直线，而是一条任意率的空问螺旋线，特别是在定向井和水平井中尤为突出，致使管柱和井壁产生接触。

因管柱外表面和井壁(套管内壁)之间有一定的初始间隙，因此井下管柱和井壁的接触问题是一种随机接触的非线性力学问题，其计算方法具有一定难度和复杂性，用一般的材料力学和结构力学力法是不能解决这类问题的，因此开展了试油测试射孔管柱受力及强度分析研究。

二、管柱受力分析的理论1.理论模型的建立1.1模型的建立根据井眼轴线形态和管柱组合结构，先用一般有限元法把管柱沿轴线离散为若干个空间直梁单元，然后在管柱的每个直梁单元的节点处设置一个间隙元。

总体坐标系是固定在井口上的笛卡尔坐标系，在管柱力学分析时，选取整体管柱串作为研究对象。

管柱串的外载荷也比较复杂，除管柱自重外，还有管柱内外表面分布的液体压力。

管柱外压力不仅引起管柱环向压缩变形，而且引起管柱的轴向伸长变形。

管柱内压力不仅引起管柱环向鼓胀变形，而目引起管柱轴向缩短变形。

另外，射孔弹的爆炸压力施加的外压力都比较大，将使管柱产生较大的轴向内力和变形。

1.2边界条件管柱下两端和圆形井壁，对管柱构成一定的约束作用。

这种约束作用可以用边界条件来描述：井壁作为管柱变形的自由移动边界部分，将由空问静力多向接触摩擦间隙元转化为接触摩擦边界条件，接触摩擦状态将由整个管柱的受力变形和平衡状态来确定，接触点处仃接触反力和摩擦力作用。

管柱下端简化成自由端，液体压力在管柱下端将产：生活塞力作用。

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。

深井注入管柱力学行为及应用深井注入管柱力学行为及应用是指在地下石油开采过程中，用于完成注入作业的管柱。

它在注入过程中以某种方式被注入在石油藏中，随后将作为承载和输送石油的结构，在井中长期处于操作状态。

管柱的设计和应用需要考虑到柱体、井下气体和注入液体的相互作用，以及在极其恶劣环境下的应力和位移行为。

下面分几个方面来阐述管柱力学行为及应用。

第一步，管柱设计。

深井注入管柱的设计比较复杂，涉及到多种物理参数，例如压力、流量、温度、材料强度等。

在设计过程中，需要进行力学分析，使其具有足够的承载能力，同时满足流体力学等方面的要求，保证其良好的口径和压降。

第二步，安装和测量。

安装与管柱测量通常分为两个步骤。

在安装过程中，需要考虑到压力和温度等因素，以及管柱的安全性和可靠性。

测量过程中需要关注机械张力、扭矩、温度和位移等参数，以获得管柱完整性和安全性的保证。

第三步，管柱的运行和维护。

管柱的运行和维护相当重要。

为确保管柱的性能不变，需要进行定期检修和维护。

同时，还需要对新技术、新方法和材料进行评估和采用，以提高管柱的性能。

第四步，管柱的应用。

在深井注入过程中，管柱的应用非常重要。

它需要在极其恶劣的环境下，提供稳定的支撑和较小的摩擦力。

同时，在操作和维护期间，要加强安全和质量控制，以确保注入作业的顺利进行。

总结，深井注入管柱力学行为及应用是一个涉及多个领域，具有复杂性和独特性的重要课题。

设计管柱时需要考虑多种因素，安装过程中需要注意各种参数的控制，维护过程中要备好灵敏的技术监察和材料维护，应用过程中要关注安全性和效率性的保证。

管柱的力学行为和应用的质量将直接影响石油开采的产量和石油公司的盈利能力。