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液压环境下的油井管柱力学

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石油工程管柱力学课程设计

石油工程管柱力学课程设计

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。

管柱力学

管柱力学

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。

油气井杆管柱力学及应用-2007

油气井杆管柱力学及应用-2007

国内：
1. 苏义脑 2. 高德利 3. 赵国珍 4. 龚伟安 5. 赵怀文 6. 施太和 7. 韩志勇 8. 董世民 9. 李子丰 10. ……
油气井杆管柱
• • • • • 钻杆 钻铤 套管 油管 抽油杆
油气井杆管柱的材料
代号 D-55 E-75 X-95 G-105 S-135 AISI4145 屈服应力 (lb/in2) 55000 75000 95000 105000 135000 65000 断裂应力 (lb/in2) 95000 100000 105000 115000 145000 100000 钻铤 用途 钻杆
4 5 6
动力 导向 导向
大钻压 设计 设计
防斜、降斜原理： ①静力型。靠钻头与地层的相互作用的综合结果。 包含地层各向异性、钻头各向异性、钻压、钻头的侧压 力、钻头转角等因素的影响。 ②动力型。动力型与静力型的不同之处是，在侧向 破岩过程中，利用了动力和非线性破岩特性。
侧 向 钻 速
底面工 作区
2研究现状1导致钻柱振动的主要原因1目的意义2研究现状钻头牙齿周期吃入岩石和牙轮的转动是导致钻柱纵向和扭转振动的主要原因和旋转钻进使用弯接头偏重钻铤等造成正向公转是产生横向振动的主要原因2钻柱振动理论分析方法有限元法加权余量法差分法经典微分方程法微分方程法纵向振动扭转振动横向振动经典微分方程3理论研究现状目前仅解决了纵向振动和扭转振动的频率响应
侧面工 作区
侧压力
序号 静力降斜力 动力侧向力 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Fd＞0 Fd＞0 Fd＞0 Fd＞0 Fd＞0 Fd＞0 Fd=0 Fd ＜ 0 Fd ＜ 0 Fd ＜ 0 Fd ＜ 0 Fd ＜ 0 Fd ＜ 0 0 0 0 Asinω Asinω Asinω Asinω 0 0 0 Asinω Asinω Asinω

石油钻采管柱力学第5章

石油钻采管柱力学第5章

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)。

教学媒体2-屈曲分析 油气井管柱力学

教学媒体2-屈曲分析 油气井管柱力学
Lcr 1.94 ~ 2.65 3 EI q
临界载荷
Pcr 1.94 ~ 2.65 3 EIq2
平 面 屈 曲
实验装置示意图
轴向加载装置
测距仪(LVDT)
模拟井筒
模拟钻柱 顶杆
垂直井中管柱的屈曲问题
平面屈曲临界力实验验证
理论值 Fcr 2.553 EIwe2 7.31034(N )
实验值 相对误差
保持隔水管不弯曲对应的轴向力
关于管柱屈曲的深入分析
接头影响
屈曲临界力（千牛）
a)
Fhel
Fcr1
b)
Fcr2
Fcr
接头外径(毫米)
螺旋屈曲临界力（牛顿）
关于管柱屈曲的深入分析
螺旋屈曲临界力理论值与实验数据
Wu 模型 Chen模型 Salies模型
实验数据点 井径(毫米)
关于管柱屈曲的深入分析
侧向接触力模型曲线和实验数据点
800
1600 2400 3200
Axial depth (m)
4000
关于管柱屈曲的深入分析
140
Axial Load (kN)
120
T=50℃
T=40℃
100
T=30℃
T=20℃
80
T=10℃
T=0℃
60
40
20
0 1200
1700
2200
2700
3200
Well Depth (m)
3700
4200
侧向接触力（牛顿）
Sadiq 实验数据点
Dawson 模型
Mitchell 模型
轴向压力(牛顿)
思考题：
两封隔器之间的完井管柱发生螺旋屈曲的条件。

液压的环境下的油井管柱力学 共79页

液压的环境下的油井管柱力学 共79页
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。

油气井杆柱力学

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。

深井压裂井下管柱力学分析及其应用_杜现飞 (1)

2008 年 第 37 卷 石 油 矿 场 机 械 第 8 期 第 28 页 OIL FIELD EQUIPMENT 2008 , 37( 8): 28 ～ 33 文章编号 : 1001 -3482( 2008 ) 08 -0024 -06
图 2 Y221 型封隔器坐封及锚定示意 1. 1. 3 坐封锚定时
施工过程中 , 井下管柱所受载荷主要由管串的自重 引起 , 同时由于工作液的注入导致油管和环空内温 度、 压力变化 , 会产生下列引起封隔器管柱受力和长 度变化的 4 种基本效应 : a) 活塞效应 由油管内 、外压力作用在管柱 直径变化处和密封管的端面上引起 。 b) 螺旋弯曲效应 由压力作用在密封管端面 和管柱内壁面上引起 。 c) 鼓胀效应 由压力作用在管柱的内 、外壁 面上引起 。 d) 温度效应 由管柱的平均温度变化引起 。 在受力分析过程中 , 把重点放在引起管柱受力 和长度变化的压力 、温度的变化上 , 而不是压力 、温 度最初值 。 所以 , 计算时 , 应从封隔器最初坐封的条 件开始 , 继而研究施工中条件的变化 , 而坐封前的管 柱自重伸长 , 下井时管柱随井温引起的长度变化 , 则 不在考虑之列 。 同时 , 由于高压流体的泵注 , 封隔器管柱要承受 内压 、 外压 、粘滞摩阻力等 ; 如果管柱发生屈曲变形 , 与套管有接触点 , 管柱还要承受套管支承反力 、弯矩 等 。 此外 , 坐封载荷依然存在 。
1. 1. 2 坐封锚 定前
压裂管柱坐封锚定前为一悬链形式 , 整个管柱 主要受自重 、 浮力的影响 , 其最大应力发生在井口 , 因此需对 井口 的 油管 和 螺纹 进 行受 力 分 析和 校 核[ 3] 。 首先计算管柱自重和浮力引起的合力 — — —浮 重 , 浮重引起的井口轴向力大小为 Fg = γ 1 - dx ∫ ρ来自ρ m( 1)

油气开采中石油钻井管柱受力特性研究

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。

井下作业管柱力学计算

５ ９ ． ７
２流体压 力和 反作 用力
２ ． １ 流体 压 力
为 了选 择摩 阻系 数 ＾的计 算 公式 ，需 要对 一 ＝ 万 和 二 堡 ！ 两 个临界值进行计算 ， 其中 ￡ ＝ ２ Ａ／ ｄ 。
在酸化和压裂等向地层挤入高压液体的施 工过程中，油管 内壁会受到高压液体 径 向压力Ｐ 、管 内静液柱 压力和管外静液 柱 压力Ｐ 作用 ，在常规情况下管外和管 内静液柱压 力相等 。这 些压力会 在油 管纵 向截 面法 向上产生 应力 。如果该应 力大 于
＝
８
式中：
空 中 的流 态 也 为 紊 流 。两 个 临 界 值 ０ ＿ 辜＝ ７ ３ １ ９ ３ １ ． ６ ４ ９；
６ ６ ５－７ ６ ５ １ ｇ ｃ
— —
Ｆ 一一油 管内壁摩 阻力 ，Ｎ ； 摩 阻 系数 ； ｐ一一修井液密度 ，ｋ ｇ ／ ｍ ３ ；
一 一
６ ６５ ７ ６ ５ｌ ｇ
－
—
—
＿
＝５ ０ ３ ３ ２ ５ ． ０ ６ ２
。
６ ６ ５ －７ ６ ５１ ｇ ６ Ｒｅ＞—
—
：
５ ０ ３ ３ ２ ５ ． Ｏ ６ ２，
则摩阻系数 ＾的计算方法如下：
九：ｆ ２ ｌ ｇ ） 一 … … … … … … … … … … 一 卜３
冲砂管柱长度 Ａ Ｌ ＝ ３ ３ ８ ５ ． ８ ５ ｍ ，将式 １ — ３ 代入 式１ — １ 计算得摩
擦 力Ｆ ｉ ＝ ８ ０ ． ７ Ｋ Ｎ 。
：
￡
６ ｏ ７ ６ １ ４ － ７ ｌ ９ 。 由 于 此 时 罢 ＜ Ｒ ｅ ＜ ６ ６ 来自 － ７ ６ ５ １ ｇ ｅ
ｓ ｓ
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F z Fw Fd
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s
K
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(A C
o
o
Ai C i ) L
– 水平井的水平段越长，有效轴向力越小，越容 易发生屈曲失稳。
三、Mises应力的有效应力表达式
• 第四强度理论：
– 歪形能理论，最大变形能密度理论。 – 认为：
• 材料受力后发生体积变形和形状变形，从而储存体积改变能 和形状改变能。 • 形状改变能称为“歪形能”。 • 体积改变能的大小不影响材料的破坏。 • 只有歪形能密度达到某一个极限值时，材料就开始进入塑性 流动状态，称为Mises流动，即认为被破坏。
K
f
1
Ao o Ai i A s
二、复杂液压环境下浮力系数计算式
• 复杂液压环境： • 管内外液体重率分段 不相等：
– 最常见的是套管柱注水 泥浆的过程中； – 各段的浮力系数不同。 第k段的浮力系数：
K
fk
1
A ok ok A ik ik A s
二、复杂液压环境下浮力系数计算式
– 压力面积法：
• 液压力合力：F y 120 . 20047kN • 断面以下管柱重力： s 26 . 21038033kN W • 断面上的轴向力Fa：
F a W s F y 26 . 21038033 93 . 99008997kN 120.20047
一、两种轴向力之间的关系式
Kz K
K
f
f
Kd
L
Kd Ai C i Ao C o A s
1
D Ao o Ai i
A s
– (静浮力系数) (动浮力系数) – Co ,Ci ——管外和管内沿管柱长度方向的流动压力梯度；
二、复杂液压环境下浮力系数计算式
• 更复杂的液压环境： • 钻井液循环条件。
m
2 1

2 2

2 3
1 2 1 3 2 3 s
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 2 3 1 2 2 3 1 3
– 1、有助于准确理解两种轴向力的物理意义；
• 真实轴向（应）力 = 有效轴向（应）力 － 虚（应）力 • 真实轴向力中包含了两种轴向力：有效轴向力和无效（虚）轴向 力； • 去掉无效轴向力，剩下的就是有效轴向力。
– 2、知道其中两个，可以很容易求得第三个。这在 工程计算中，带来了极大的方便。
• 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。
– 真实轴向（应）力 = 有效轴向（应）力 － 虚（应）力 – 有效轴向（应）力 = 真实轴向（应）力 + 虚（应）力
• 力的表达形式：
Fa Fe F x
• 应力的表达形式：
Fe F a F x
a e x
e a x
一、两种轴向力之间的关系式
• 两种轴向力关系式的用途：
– 第二章的参考文献
每节都有“本书评注”。
目录
• 第三章 液压环境下的三个最重要公式
– – – – – – – – – – – 第一节 液压环境下管柱屈曲的条件 第二节 垂直井眼内管柱的受力分析 第三节 倾斜井眼内管柱的受力分析 第四节 截断体液压力合力的处理方法 第五节 定向井管柱的受力分析 第六节 循环条件下管柱的受力分析 第七节 非梯度压力对管柱受力的影响 第八节 管柱在井下实际长度的计算 第九节 非浮体管柱的受力分析 第十节 本章总结与问题讨论 附录1：浮力系数计算公式的证明 本人研究成 果概括为三 个最重要公 式。 三个最重要 公式贯穿于 每一节中。
• 必须建立两种轴向力的概念：
– 油井管柱上有两种物理意义不同的轴向力； – 两种轴向力计算方法是不同的； – 两种轴向力的计算数值是不同的； – 两种轴向力使用的场合是不同的；
• 以前没有这个概念，从今天开始要建立。 • 因为没有这个概念，就会犯错误！以前是 犯了错误还不知道，今后不能再犯错误了。
Kz 1
A o o Ai i A s
-
A o G o Ai G i A s
– Go ,Gi ——管外和管内的流动压力梯度；沿垂深方
向可以看作是常数（在管柱直径不变的条件下）。
二、复杂液压环境下浮力系数计算式
• 更复杂的液压环境： • 钻井液循环条件。
– 定向井条件下的总浮力系数公式：
一、两种轴向力之间的关系式
• 两种轴向力计算方法 – 压力面积法：
• 轴向力等于：断面以下管柱 在空气中的重力，减去断面 以下管柱表面上所有液压力 的合力。
• 例题：泥浆密度1.2；管柱外径 0.127m，内径0.1086m。
一、两种轴向力之间的关系式
• 两种轴向力计算方法
– 压力面积法：
• 底端面上的压力(压强)：
一、两种轴向力之间的关系式
• 管柱断面轴向上的虚力：
– 虚力，最早是鲁宾斯基发现的。 – 虚力的产生：在液压环境下 （管内、或管外、或管内外有 液体压力），就会产生虚力。 – 虚力的实质：三向等值压应力
• 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
– 压力面积法：
F a 93 . 99008997kN
– 浮力系数法： F e 22 . 20369799kN – 可见，两种方法计算的轴向力，差别非 常大。甚至符号是相反的。 – 越向上差别越小，井口断面上两种轴向 力数值相等。 – 越向下差别越大，井越深差别越大；
一、两种轴向力之间的关系式
2 2 2 2
三、Mises应力的有效应力表达式
• Mises应力的有效应力表达式：
– 不考虑到扭应力的存在，Mises应力表达式为：
m
2 e
3
2 n
– 考虑到扭应力的存在，Mises应力表达式为：
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。
– 近似钻进条件：返出的钻井液 重率比打入钻井液重率稍高。 但差别不大，近似认为相等。
K
f
1

y
s
二、复杂液压环境下浮力系数计算式
• 复杂液压环境： • 管内外液体重率不相等。
– 这是多数管柱的液压环境：钻 柱；套管柱；
2 2 2
– 在不考虑扭应力的条件下，三个正应力正好都 是主应力，则：
m a t r a t t r a r
2 2 2
– 考虑扭应力的条件下，
m a t r a t t r a r 3 m
• 两种轴向力计算方法
– 浮力系数法：
• 轴向力等于：断面以下管 柱在空气中的重力，乘以 断面以下管柱的浮力系数。 • 断面上的轴向力Fe：
Fe W s K
f
26.2103803
3 (1 -
1.2 7.85
)
22 . 20369799kN
一、两种轴向力之间的关系式
• 两种方法计算值对比：
– 适用性：适用于钢材等塑性材料。
三、Mises应力的有效应力表达式
• 根据最大变形能密度理论，可以推导出在多向应 力状态下的等效应力（合成应力、相当应力）， 称为Mises应力，计算式为：
m 1 2 3 1 2 1 3 2 3
2 2 2
• σ1，σ2，σ3为三个主应力。 • 材料安全的条件，应该是Mises应力小于材料的 单轴拉伸屈服极限，即：
液压环境下的油井管柱 力学的两个问题:
1.液压环境下油井管柱力 学的三个最重要公式； 2.我国套管柱强度设计存 在的问题及对策；
第一部分： 液压环境下 三个最重要公式
1、两种轴向力之间的关系式； 2、复杂液压环境下的浮力系数计算式； 3、Mises应力的有效应力表达式；
一、两种轴向力之间的关系式
• 两种轴向力的名称：
– 真实轴向力：
• 用压力面积法计算（根据静力平衡原理计算）； • 真实存在的轴向力；
– 有效轴向力：
• 用浮力系数法计算； • 对管柱的形状变形和强度破坏起作用的轴向力。
一、两种轴向力之间的关系式
• 两种轴向力目前实际应用的场合：
– 真实轴向力：套管柱组合强度设计中，如果采用双 向应力椭圆理论；或者采用三轴应力强度理论，使 用的轴向力一定要用真实轴向力。 – 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。
pd 3000 1 . 2 1000 9 . 80665 10
6
35.30394MP
a
• 底面积：
A

4
( 0 . 127
2
0 . 1086
2
) 0 . 00340473m
2
• 液压力的合力
F y 120 . 20047kN
一、两种轴向力之间的关系式
• 两种轴向力计算方法
液压环境下油井管柱力学的 两个问题
争议性
中国石油大学（华东） 韩志勇 2011.06