封隔器管柱屈曲变形及约束载荷分析

目前的封隔器管柱屈曲分析没有考虑靠近封隔器段非螺旋屈曲段管柱,没有给出非螺旋屈曲段管柱的变形表达式和封隔器对管柱的约束载荷。鉴于此,取管柱微元体进行受力分析,根据平衡条件和小挠度梁屈曲理论,得到了紧靠封隔器段平面屈曲管柱及螺旋屈曲管柱的屈曲变形微分方程;根据屈曲变形微分方程,利用边界条件得到了紧靠封隔器的平面屈曲管柱的挠度,推导出了封隔器对管柱的约束力和约束弯矩,可供管柱强度校核及封隔器胶筒设计参考。     

大庆油田高温深井试气井下管柱力学分析及应用

针对大庆油田深井高温、高压裂压力及测试、压裂管柱的特点,在轴向屈曲分析的基础上,综合考虑井况、井身结构、管柱组合、施工顺序,以及考虑库仑摩擦力,考虑井口和封隔器的约束及其对轴向变形、轴向力的影响,给出了试气井下管柱载荷、变形、应力计算方法与公式,编制了井下管柱力学分析软件.据此,可以分析各试气工序下管柱的屈曲状态、载荷、变形、应力及强度安全性,并指导管柱组合和施工参数选择.     

力学分析在压裂酸化管柱优化设计中的应用

主要就压力、温度变化显著的压裂、酸化管柱进行管柱力学分析和计算。在方案设计阶段或压裂酸化施工阶段详细分析管柱的受力、变形及强度，管柱载荷变化规律，给出管柱变形及强度计算．从而确定出各工况下的极限操作参数。控制管柱的施工作业参数、管柱内外流体工况、工具深度以及井口油压、套压等，确保各施工作业工况下管柱的强度及安全。     

储气库注采参数与管柱临界屈曲载荷分析

针对华北油田储气井井身结构及其采气过程,开展了储气井井口油压、产量与油管柱屈曲变形的深入研究。在前人研究的基础上,讨论了管柱在井筒中发生正弦屈曲或螺旋屈曲变形的3个临界载荷值以及这3个临界载荷之间的屈曲状态,在此基础上,得到了划分不稳定区的新临界载荷,推导出了计算油管底部轴向力的数学模型。基于带有封隔器的管柱力学分析和理论研究、封隔器管柱中的各种效应变化计算数学模型以及建立的管柱临界屈曲载荷的数学模型,用VB2013开发出了一套储气井注采管柱力学安全性评价软件,应用该软件对华北油田S-x储气井注采管柱进行了研究,为储气井井口油压、产量等参数的优选及注采管柱安全性评价提供依据。     

拉压交变载荷下螺纹接头密封面接触压力分析

为了筛选出适用于拉压交变载荷工况下的注采管柱气密封螺纹接头,基于弹塑性接触非线性理论,采用有限元分析方法,考察了轴向拉压交变载荷作用下,储气库注采管柱接头密封面接触压力的分布特点。以2种密封形式(球面/柱面、锥面/锥面)的套管接头密封结构为例,重点研究了不同循环周次交变载荷作用下,主密封面和台肩面上的接触压力随接触长度的变化规律。分析结果表明:随着从拉伸到压缩状态的不断转变,2种密封结构主密封面最大接触压力和有效接触长度均发生不同程度增加,而锥面/锥面密封结构具有较小的相对增加量。锥面/锥面密封形式的有效接触长度相对较长,台肩面辅助密封效果较好,但应合理控制其台肩顶端的应力集中问题。建议储气库注采管柱采用锥面/锥面密封结构的螺纹接头。所得结论可为储气库管柱螺纹的优化选择和设计提供参考。     

高温高压深井试油井下管柱力学分析及其应用

分析了高温高压深井试油及其管柱的特点,考虑井身结构、管柱组合、管柱载荷、高温高压及联作等因素,进行管柱轴向屈曲分析,得到了屈曲临界载荷;然后,综合考虑屈曲状态、井口和封隔器的约束,给出了井下管柱载荷 、变形、应力计算方法与公式。在此基础上,经多年、数十口井的实践,摸索出了一套实用的试油管柱力学计算步骤、方法,已形成＂做法＂或＂惯例＂,据此进行管柱力学分析,可以得到实用的结论和可操作的建议。     

超深气井完井管柱屈曲行为研究

超深高温高压气井由于井筒温度高、压力高,井下管柱屈曲风险高,易造成管柱失效或冲蚀加剧等问题。通过超深高温高压气井管柱静力学分析发现热生产和热关井两个工况下管柱屈曲风险最大。鉴于此,针对热生产与热关井工况建立了用于分析两种苛刻工况下全井段油管柱屈曲问题的有限元力学模型,定量得出两种工况下全井段油管柱的屈曲形态、横向位移、油管柱-套管接触力、弯矩与扭矩等力学参数。研究结果发现:在热生产工况下,油管柱发生了不稳定的屈曲形态,在油管柱屈曲段的上部与下部位置,油管柱与套管的接触较为密集;在热关井工况下,油管柱相对只发生了轻微的纯正弦屈曲。所建立的模型可用于油管-套管屈曲损伤失效分析,可为优化现场生产工艺和延长油管柱寿命提供理论依据。     

连续油管屈曲力学特性研究进展

为保证连续油管作业的可靠性与安全性,需对其屈曲力学特性进行研究.通过检索20世纪50年代后期以来的管柱屈曲相关文献,综述了不同井型下管柱屈曲问题研究进展.井筒形状、接头、扭矩、摩擦、旋转、螺旋逆转、封隔器等因素对管柱屈曲均有影响.对管柱屈曲的研究方法进行了概述和对比,并对管柱屈曲研究的未来走向做了探讨.为相关学者进一步深入研究连续油管管柱曲屈提供参考.     

深水钻井作业管柱纵向振动载荷分析

深水钻井作业过程中,管柱在平台升沉振动的作用下产生纵向振动载荷,影响管柱的强度安全。以深水下表层套管作业管柱为例,建立了具有复杂结构的深水作业管柱纵向振动力学模型,并利用振动力学理论分析了管柱的纵向自由振动特性及纵向受迫振动载荷。分析结果表明,在平台升沉振动的作用下,作业管柱的纵向振动以第1阶振型为主;管柱顶端截面上的纵向振动载荷最大,是作业管柱上的危险截面;当钻井平台的升沉振动周期接近作业管柱的固有周期时,将产生极大的纵向振动载荷;当表层套管下入深度较大时,采用壁厚大的钻杆作为送入管柱能有效降低管柱纵向振动所产生的轴向应力。该项研究结果可为深水钻柱和送入管柱的设计提供依据。     

局部载荷对页岩气井套管变形的影响

对四川盆地长宁区块页岩气水平井固井质量的分析结果认为:压裂过程的温度应力及由套管内压周期性变化导致的局部载荷是页岩气井套管变形的主要因素。为此建立了套管在局部载荷作用下应力计算模型,借助有限元数值方法分析了该区块目前使用的套管在局部载荷作用下的受力与变形情况,并讨论了在局部载荷线性增加时,局部载荷范围、套管壁厚、套管外径对现场使用的P110套管受力与变形的影响。结果表明:①载荷范围为45°时的套管变形最大,增加套管壁厚及减小套管外径有利于减小套管变形;②局部等效载荷为40 MPa时的套管径向变形量为4.8 mm,且套管壁厚应大于13 mm才能保证套管不发生屈服变形。通过对现场页岩气井数据的分析,考虑局部载荷作用,认为该区块目前使用的套管壁厚不能满足要求,需要增加壁厚。结论认为,为防止局部载荷的产生、减小套管变形,需要优化井眼轨道设计以合理钻遇天然裂缝发育的岩层,提高固井质量。该研究成果对于页岩气水平井套管设计具有参考价值。     

油管柱在套管中的屈曲行为试验研究

油管柱在套管中的屈曲行为对油气生产有重要影响。依据相似理论,采用1:10的比例尺以缩小的油管、套管模型进行了3组试验,安装分别为:①油管和套管上下同心; ②油管上部偏心2.5 mm; ③油管上下都朝同一个方向偏心2.5 mm。每次试验时都在油管的一端连续施加轴向载荷,测试油管另一端的轴向载荷。分析不同条件下摩擦力的变化,研究结果表明:管柱受压屈曲会导致摩擦力增大; 管柱相对套管的偏心对轴向力的分布影响很小; 证明了管柱力学分析理论中轴向力计算时油管与套管同心的假设是合理的。     

超深高温高压气井完井含伸缩管测试管柱的应力与变形特征

塔里木盆地MJ4井测试管柱长6 617 m,测试时井底压力为101.63 MPa,完井作业过程中管柱出现了塑性变形问题,迫切需要准确地确定管柱塑性变形究竟发生在完井作业的哪个阶段。为此,采用三维有限元分析方法,结合MJ4井坐封、压裂和试油3个典型的载荷工况,对管柱的变形和轴向应力分布进行了数值计算,总结了含伸缩管的完井测试管柱力学行为计算流程。研究内容主要包括:①提出了具有伸缩管的油管柱系统中伸缩管的伸长与闭合状态的判断依据,并给出了相应的计算原理和计算公式,计算了MJ4井油管柱伸缩管的伸长—闭合状态;②给出了水力锚咬合不良产生的封隔器环空附加压差载荷的分析计算方法,模拟了其对管柱系统变形行为的影响,指出了附加压差载荷对管柱的塑性屈曲变形有着重要的影响;③计算模型引入了侧向屈曲变形的限制,从而间接考虑了接箍刚度对屈曲变形的影响,计算分析了油管柱在各种载荷共同作用下的变形情况,得到的数值结果显示与观察到的变形现象相同。研究结果表明,MJ4井管柱的塑性变形发生在压裂改造施工阶段,各种形式的液体压力载荷及重力载荷是塑性变形的主要原因。结论认为,含伸缩管测试管柱的力学计算模型可作为优化施工和管柱系统结构设计的重要理论工具和分析手段。     

油气井管柱冲击动力问题研究概况和发展趋势

钻采作业中经常遇到管柱冲击动力问题。具体工况包括：①射孔和爆炸松扣解卡时,炸药爆炸引发的管柱冲击振动;②用震击器解卡时,突然泄流和震击力引发的管柱冲击振动;③钻柱、套管柱、油管柱、抽油杆柱断脱或刹车不灵或操作失误,导致管柱沿井筒向下滑落冲击井底或泵阀,以及管柱下放时突然遇阻的情况。对文献的相关研究进展进行了评述,并介绍了油气井管柱力学三原理、油气井管柱动力学基本方程、油气井管柱的屈曲和拉力扭矩分析、钻柱动力学、直杆和薄壁管在轴向冲击作用下的应力和变形、以及有限元力学仿真的研究进展;最后,对管柱冲击动力研究的力学模型、数学模型、求解方法和预期结果等提出了建议。     

管柱螺旋屈曲时接触压力的研究

在油井生产过程中管柱会受到各种载荷.管柱在轴向力作用时,在有外管壁或井壁约束的情况下,内管柱与外管壁或井壁间会产生接触压力,并可能发生螺旋屈曲,严重时会导致管柱失效.文中综述了一些学者的典型接触压力计算式,发现不同计算式间的计算结果差异很大.根据工程应用中的需要,进行了理论推导并首次对该问题作了实验检测,给出了三维光弹性应力冻结法的实验结果,探讨了管柱在屈曲时接触压力分布规律的三个阶段和工程应用的更接近实际的计算公式.在此基础上对前人所发表的不同接触压力表达式进行分析和探讨.为研究管柱屈曲时的受力情况和工程应用提供了理论与实验依据.     

高温高压超深气井油管柱屈曲行为研究

对于超深、高温、高压以及高产等复杂工况的气井,前人推导的管柱屈曲行为经典理论公式无法完整或准确地描述油管柱底部非均匀或非完整的正弦屈曲或螺旋屈曲形态。为此,采用ANSYS软件,建立了超深井全井筒油管柱屈曲行为分析的有限元力学模型,并以塔里木油田某超深井为例,针对管柱屈曲行为开展了油管柱屈曲形态与其横向位移、油管—套管接触压力分析。结果表明:(1)所建立的高温高压深井超深井油管柱屈曲分析有限元模型可以对油管柱屈曲形态进行全井段分析,复杂力学工况下的油管柱中和点到封隔器处的油管柱处于非均匀或非完整的正弦屈曲或螺旋屈曲;(2)油管柱底部轴向压力为205 k N时,油管柱接触段的顶部和底部分别发生正弦屈曲、螺旋屈曲自锁现象,该自锁现象可能导致油管柱处于永久性的屈曲状态。结论认为,所建立的模型可用于分析油管—套管屈曲过程中的屈曲形态、接触压力及其摩擦力,为油管柱屈曲形态、摩擦损伤失效分析及预防措施制定等提供了方法和依据。还提出了延长管柱使用寿命的措施建议:油管柱坐封前在井口施加适当的提拉力、增加底部油管柱结构尺寸、提高井口油压或适当降低产量等。     

双层分采井管柱受压变形对策研究

针对双层分采井坐封时管柱易受压弯曲,且坐封载荷越大管柱变形越严重这一特点,提出通过控制井口管串预留高度来控制坐封载荷,是避免管柱过度弯曲的一种有效方法,并给出了计算井口管串预留高度的具体方法;为减缓中和点以下管柱受压变形,采用油管补偿器,以补偿油管的压缩量,减缓油管蠕动和偏磨.该方法通过在长庆油田耿83长x和长y试验区应用,坐封载荷合理,有效控制了管柱的变形.目前试验井生产正常,油井免修期均超过一年.     

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高温高压深井测试管柱的工作力学分析是测试工程设计的关键技术之一。确定测试管柱结构往往要经过多种作业工况。如何控制测试管柱的施工作业参数及其测试管柱内外流体性质、掏空深度以及井口油压、套压等，确保各工况下测试管柱的强度及井下封隔器安全，其关键是在设计阶段详细分析高温、高压及高流速下测试管柱的受力、变形及强度，从而确定出各工况下的极限操作参数。文中在简述测试管柱构成及其施工工序的基础上，详细分析了各工况下测试管柱载荷变化规律，给出了管柱变形及强度计算的近似公式，以此确定出测试管柱的极限工作参数，进而指出了高温、高压深井测试管柱力学分析中尚待深入研究的问题和方法。特别指出在流动测试工况下高速气流对管柱的摩擦力、冲击力等对测试管柱变形及强度的影响，以及高速气流与测试管柱的动态耦联振动分析是高温高压深井测试管柱分析的特殊问题，应予以高度重视，以确保测试管柱的安全可靠及测试的成功。