深层气井油套管柱力学分析方法探讨_王建良

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1、2013年6月油气井测试第22卷第3期深层气井油套管柱力学分析方法探讨王建良(大庆钻探工程公司试油测试公司吉林松原138000)摘要吉林探区气井测试虽然在井口选择及管柱优化设计上取得了一些经验,但对深层气井测试管柱安全分析缺乏深入研究,对测试管柱作业安全构成极大威胁,以往的经验做法无法适应新的作业环境要求,为此开展深井试气管柱力学分析尤为重要。根据文献,结合深井安全试气工作的需要,针对试气管柱结构、试气作业的特点,在结构屈曲、压杆稳定性研究成果的基础上,综合考虑井下实际工况,考虑吉林探区常用的井口释放悬重和投球打压坐封方式,将管柱作为井眼约束下的空间压

2、杆,建立了管柱失稳变形的微分方程,以此分析管柱弯曲失稳的临界载荷,分析弯曲管柱的轴向受力与变形情况,分析管柱在井下的载荷、应力及其安全性,为深井测试提供技术保障。关键词吉林探区深层气井油套管柱力学分析文章编号:1004-4388(2013)03-0005-03中图分类号:TE353文献标识码:A上而不再沿轴向移动。根据结构屈曲理论,正弦弯1井下管柱弯曲变形微分方程建立曲、螺旋弯曲和自锁相当于轴向载荷与变形曲线上为了进行井下管柱力学(载荷、变形、应力)分的分叉点,相对于三个分叉点有三个临界载荷———析,首先应了解管柱在井下的弯(屈)曲变形规律。正弦弯曲临

3、界轴压、螺旋弯曲临界轴压和临界自锁为此,应用微元体分析法,取管柱单元进行受力分力。而井下管柱变形微分方程的平凡解、周期解及析,利用小挠度梁弯曲理论,得到井下管柱弯曲变形螺线解正好对应于井下管柱的直立稳定状态、正弦微分方程,即弯曲状态和螺旋弯曲状态。32dθdθdθ应用微分方程理论,经分析得井下管柱正弦弯EI3+Fe(z)-2EI+C=0(1)dzdzdz曲临界轴压为:2式中:E———管材的弹性模量,Nm;Fzcrs=3.30mqe-(piAi-p0A0)(2)4I———管材横截面惯性矩,m;3其中m=EI/qe;qe=q+γiAi-γ0A0θ———管柱

4、在井眼空间的角度坐标,rad;式中:qe———单位长度管柱重量,kgm;Z———管柱轴向位置,m;pi,p0———内压和外压,Pa;Fe(z)———管柱等效轴向力,N;2Ai,A0———管柱内圆和外圆面积,m;C———待定为积分常数,无因次。3γi,γ0———管内和管外流体密度,kgm。这是一个高阶非线性常微分方程。由该方程的井下管柱螺旋弯曲临界轴压为:解可以了解井下管柱的轴向屈曲行为,可以求得管Fezcrh=5.82mqe-(piAi-p0A0)(3)柱屈曲(分叉)临界轴力,可以分析井口悬挂力、封隔井下管柱临界自锁力为:器支撑力、内外压、粘滞摩阻及库

5、仑摩擦力对井下管柱轴向稳定性的影响,为井下管柱载荷、变形及应力EIqeFzcrk=2-(piAi-p0A0)(4)δc分析提供理论依据。式中:δ———管柱与井壁之间的间隙,m;2井下管柱弯曲变形临界载荷分析c———管柱与井壁间的库仑摩擦系数(约0.2)。根据实验观察,随着轴向压力的不断增大,井下3井下管柱载荷分析及轴向变形分析管柱将由初始时的直立状态先发生平面正弦弯曲;3.1载荷分析再发生空间螺旋弯曲;最后发生自锁,即当轴向压力为分析方便,计算压力时,以井口为坐标原点,达到某一数值后,螺旋弯曲的管柱将“锁死”在井壁[作者简介]王建良,男,1966年出生

6、,高级工程师,总地质师,1989年毕业于西北大学石油与天然气地质专业,主要从事试油及管理工作。联系电话:0438-6336351,E-mail:jlsywjl@163.com。6油气井测试2013年6月向下以井眼轴线作为z轴;计算轴向力、弯矩、接触作为“零点”,其它工况下管柱的各个变形分量与“零力时,以井底为坐标原点,向上以井眼轴线作为x点”对应分量的差值称作活塞效应、温度效应、鼓胀轴。根据管柱力学分析惯例,为了综合反映内外流体效应、螺旋弯曲效应;上述四种“效应”的代数和就对管柱轴向力及管柱轴向稳定性的影响,定义“等效是因工况改变井下管柱变形的变化量;

7、若该变形变轴力”为:化量受到限制,将转化为轴向力。上述变形和效应的Fe(x)=F(x)+ρi(x)Ai(x)+ρ0(x)A0(x)简化计算公式如下:(5)(1)管柱自重变形2pi(z)=pi井口+γiZ±流动摩阻(6)ΔLw=γsL(2E)(12)p0(z)=p0井口+γ0Z±流动摩阻(7)(2)活塞力变形2LN(x)=δ(x)Fe(x)(4EI)(8)F(z)ΔLp=-∫dz(13)0EAM(x)=Fe(x)δ(x)2(9)(3)温度变形式中:pi(z),p0(z)———内压和外压,N;LF(x)———轴向力,N;ΔLt=βT(z)-Tsodz(14

8、)∫0N(x)———弯曲管柱与井壁的接触支反力,N;(4)鼓胀变形M(x)———弯矩,N;L2