油气井杆管柱的稳定性与纵横弯曲
?石油工程?
油气井杆管柱的稳定性与纵横弯曲
李子丰
(大庆石油学院 安达 151400)
摘 要 从压杆稳定与纵横弯曲的概念出发,分析了油气井杆管柱的受力和约束状态,分别讨论了杆管柱纵横弯曲的力学模型和稳定性的力学模型。
关键词 钻杆 套管 油管 稳定性 纵横弯曲 力学分析
石油工程的钻柱、套管柱、油管柱和抽油杆柱在井筒中工作时在某些井段经常处于压扭状态,对它们的受力和变形状态进行较精确的分析有助于进行优化设计。油气井杆管柱的稳定性和纵横弯曲力学分析是油气井杆管柱力学的两大主要方面。
1 压杆稳定与纵横弯曲的概念
1.1 压杆稳定的概念
受压力构件能保持始终不变的平衡状态,称为稳定平衡状态;如构件因受压突然失去其原有的平衡状态,则原有的平衡状态为不稳定的平衡状态。结构或构件失去其原有的平衡状态的现象在力学中称为丧失稳定。从稳定到不稳定,一定具有一个临界状态,与临界状态相对应的轴向压力称为临界压力1。
压杆的临界状态为出现两种可能的平衡状态,即直线状态和无限接近于直线的弯曲状态2。
1.2 纵横弯曲的概念
当细长杆不仅在不等于零的横向载荷作用下发生弯曲,而且还受到轴向压力作用时,处于纵横弯曲状态3。
1.3 压杆稳定与纵横弯曲的区别
(1)在压杆稳定中杆所在任意横截面的合外力为零,而在纵弯曲中横截面的全外力不为零。
(2)在压杆稳定中,当轴向压力小于某一临界值时,压杆一直保持原有状态,它的形状不随轴向压力而变化:当压力达到该临界值时,在外界干扰下将失去原有的状态而屈曲。而在纵横弯曲中,无论轴向力多大,都有横向位移,压杆的形状一直随轴向压力而变化。
2 油气井杆管柱及其在井下的受力状态
2.1 油气井杆管柱的结构
油气井杆管柱主要包括钻柱、套管柱、油管柱、抽油杆和连续挠性管。其中除连续挠性管是内外径均匀一致的无接头的细长管外,其余四种都是由长约10m、通过接头连接的杆或管组成,其常用结构尺寸示例列于表1中。
表1 常用油气井杆管柱的结构尺寸及应用条件示例
杆管柱类型外径d0
(m)
内径d i
(m)
单根长度(l)
(m)
壁厚D(m)
名义重量q
(N/m)
接头或稳定器
直径D(m)
井径D w
(m)
钻杆柱0.1270.10869～120.09192900.15240.216下部钻具0.1770.071443～180.0527815200.216
0.216套管柱0.17780.157190.010364320.187710.216油管0.08890.077990.00549114.70.1080.1571连续油管0.05080.0453∞0.0027829.5无0.1571
2.2 油气井杆管柱的受力状态
不同类型的油气井杆管柱因其工作条件不同,所受的载荷不同,综合来说有:
(1)自重;(2)液体的压力或浮力;(3)轴向拉力或压力;(4)扭矩;(5)弯矩;(6)与井壁的正压力;(7)与井壁的摩擦力;(8)热应力;(9)振动载荷等。在研究具体问题
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第9卷 第2期1997年3月 西部探矿工程
(岩土钻掘矿业工程)
时进行具体简化处理,选择出其中几种主要载荷进行分析。
3 油气井杆管柱的稳定性
在研究斜直井钻杆柱、套管柱、油管柱、连续管和抽油杆的稳定性时,略去接头的影响,将整个管柱视为无限长的等截面直管。基本假设如下:(1)杆管柱处于线弹性变形状态;(2)杆管柱横截面为圆形或圆环形;(3)杆管柱被压扭缩成螺旋状或正弦状,并与井壁连续接触;(4)井壁为直圆柱形;(5)忽略杆管柱与约束井壁之间的滑动摩擦力;(6)杆管柱沿其自身轴线的长度不变;(7)杆管柱绕自身轴线旋转;(8)略去一切动力效应;(9)略去杆管柱的温度变化;(10)略去剪力对杆管柱变形的影响,杆管柱的稳定、正弦屈曲和螺旋屈曲三种稳定性状态如图1所示。
在略去杆管柱所受扭矩的情况下,研究得出:(1)当轴向压力
F S 〈2
EI
qsin A
T
b
(1)
式中:F S —轴向压力,EI —抗弯刚度,q —线浮重,A —井斜
角,T b —井径与管径之差的一半。则杆管柱处于直线稳定状态。
(2)当轴向压力
2EI qsin A T
b 〈F S 〈22EIqsin A
T b
(2)
杆管柱处于正弦屈曲状态。 (3)当轴向压力
F S >2
2EIqsin A T
b
(3)
杆管处于螺旋屈曲状态。图1 油气井杆管柱的三种稳定性状态
4 油气井杆管柱的纵横弯曲
在研究以井眼控制为主的油气井杆管柱的纵横弯曲问题时采用的基本假设为:(1)下部钻具处于线弹性变形状态;(2)下部钻具横截面为圆环形;(3)略去剪力对变形的影响;(4)下部钻具各结构单元的材料性质分段保持为常数;(5)钻头与地层间无弯矩存在;(6)井壁与井眼轴线平行,在接触点或稳定器处对钻具刚性支撑;(7)在切点以上钻柱躺在井壁下边;(8)略去钻柱、钻
井液的动力效应;(9)施加于钻具上的扭矩可以沿钻柱有所变化,但分段为常量;(10)钻柱的轴变形为小量;(11)钻柱绕自身轴线旋转,下部钻具的力学模型如图2所示。
5 用平面假设研究油气井杆管柱的稳定性存在的问题5.1 用平面假设研究钻柱的稳定性存在的问题5.1.1 原文摘述
在文献(5)中,利用如下基本假设
(1)钻柱屈曲发生在铅垂平面内;(2)不考虑钻柱与上井壁的接触压力;(3)不考虑井眼弯曲;(4)轴向压力为常数;(5)钻柱简化成等截面直杆,两端绞支;(6)不考虑扭矩、接触摩擦力及钻井液等的影响。建立了图3所示力学模型。
假设挠度函数为
W =∞
s=1A 1sin n P x
L
(4)式中L —钻柱全长;W =0为钻柱接触下井壁的参考位
置,通过虚位移原理,推导出来了W =A 1sin P x
L 时的临界载荷:
P cr =4qsin A L 2P 2
A 1
+EI P 2
L 2(5)其中,A 1为最大挠度,小于等于井径与钻柱直径之差。
5.1.2 存在问题
(1)理论研究和室内实验均证明,有重钻柱在斜直井中存在稳定、正弦弯曲和螺旋弯曲三种状态;不存在平面弯曲状态;平面弯曲假设在研究此问题时不适用。
(2)即使平面假设成立,在q ≠0和A 1为有限值时,当(A )EI=0,即柔索,(B)钻柱很长,L →∞时。由(5)式得P cr →∞,与实际不符。
5.2 用平面假设研究斜井段下部外钻具稳定性存在的问题
5.2.1 原文”摘述
在文献(6)中,利用如下基本假设:
(1)钻柱屈曲发生在铅垂平面内;(2)钻柱承受均匀横向载荷;(3)在稳定器处视为铰支。建立了图4所示力学模型。考虑了钻柱弯曲、扭转、轴向力、离心力和均布载荷的作用,应用能量法,讨论了钻柱的稳定性。5.2.2 存在问题
(1)在有横向载荷作用的条件下,下部钻具中稳定器中间的钻铤处于纵横弯曲状态,无论轴向负荷是压力还是拉力,钻铤都有挠度存在,不存在挠度等于零的稳定状态,与稳定性的概念不符合。
(2)在扭矩和横向载荷的共同作用下,钻铤处于三维弯曲状态,采用平面弯曲假设不合理。
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West -China Explor atio n Eng ineering
Vo l.9№2M ar.1997
(3)在研究两稳定器间钻铤的纵横弯曲问题时,视稳定处为铰支误差较大。
(4)公式推导有误,结论有误。
5.3 用平面假设和纵横弯曲法研究水平井段钻秆稳定性存在的问题5.3.1
原文摘述
图3 文献(5)钻柱力学模型 图4 文献(6)钻柱力学模型
在文献(7)中,利用如下基本假设:
(1)钻柱屈曲发生在铅垂平面内;(2)单根钻杆简化成等截面直杆,在接头处近似铰接,但有常弯矩作用;(3)钻柱承受均匀横向载荷;(4)不考虑扭矩及钻井液等的影响。建立了图5所示力学模型。研究了钻柱的稳定性,得到了临界载荷:
P cr =
P 2
EI (L L )2
(6)
式中L —单根钻杆长度,L =0.95～1为修正系数。5.3.2 存在问题
(1)在有横向载荷作用的条件下,图5所示接头中间的钻杆本体处于纵横弯曲状态,无论轴向负荷是压
力还是拉力,钻铤都有挠度存在,不存在挠度等于零的稳定状态,与稳定性的概念不符合。
(2)经计算,在轴向压力和弯矩为零时,钻柱的挠度已经存在;普通钻杆的中和点可接触下井壁,随着轴向载荷的增加,接触段逐渐扩大;轴向载荷达到一定程度时,会发生正弦屈曲,钻杆的接头也可能偏离井眼下
侧,不存在(6)式的临界载荷。6 结论
(1)在假设斜油气井内杆管柱为细长有重等截面直杆时,存在稳定性问题;一共有三种稳定性状态:直线形状的稳定状态、正弦弯曲状态和螺旋弯曲状态。
(下转第27页)
工具,现场安装方便;插头上自带有扶正装置,可以使用弹性扶正器扶正,
提高了对插座一次成功率。
图2 插座下深与强度安全系数的关系图。
3.5 可钻性好。插座材质选用了可钻性铸铝,无橡胶件及铁质部件,大大降低了钻塞时间,现场使用证明,平均钻塞时间仅需20min,同时对钻塞钻头无损害,无蹩钻掉齿现象。
3.6 U 使用范围广。U 24
4.5mm 内管注水泥器可用于技术套管固井,扩大了内管注技术的使用范围。
3.7 效益显著。由于缩短了固井时间及钻塞时间,减少了水泥用量,提高了固井质量。同时工具成本更加低廉,因此有效降低了固井成本。4 使用效果与注意事项
4.1 使用效果
截止1995年底,N CH -Ⅱ型内管注水泥器其在现场使用了23次,其中吐哈油田13井次,乌兹别克斯坦10井次,成功率达100%,固井质量良好。4.2 注意事项
4.2.1 固井前调整好泥浆性能并搞好泥浆净化工作:4.2.2 工具使用前应检查螺纹及密封性能和强度;4.2.3 插座安装到位,插头与钻杆联接时应用大钳紧扣;
4.2.4 下钻对插座时操作应平稳,切勿猛顿插座,对座压力控制在不大于额定最大对座压力;
4.2.5 做好替浆计量,避免因替量不准替空套管鞋或在钻杆内留有较高水泥。
(上接第25页
)
图5 文献(7)钻柱力学模型
(2)斜井内杆管柱被接头或稳定器支离井壁下侧时,杆管柱处于纵横弯曲状态不属于稳定性研究的范畴。
参 考 文 献
1 上海化工学院,无锡轻工学院,工程力学,人民教育出版社,1979年2月,307
2 薛福林,谈细长压杆稳定性问题,力学与实践,1995(5),653 R.J.罗克,W.C.杨.应力应变公式,中国建筑工业出版社,1985年8月
4 李子丰,马兴瑞,黄文虎,钻柱力学基本方程及应用,力学学
报,1995(4)
5 高宝奎,高德利,斜直井眼中钻柱屈曲的可能性,石油钻采工艺,1995,(5):6～11
6 姜 伟,水平井及大斜度井下部钻具组合的弹性稳定性,石油机械,1995,23(11):32～37
7 王建军等,水平井段受压钻杆稳定性研究,石油矿场机械,1995,24(4):42～44
Stability and Criss -cross Curving of Pipe Pile of Oil -G as Well
Li Zifeng
(Institute of Petroleum of Daqin ,A nd a 151400)
Abstract Th e concept of the s tability and cris s-cross curving pressing rod is applied to analyze the enforcemen t and res tric-tion m ood of pipe pile of oil -gas w ell .Th e mechanic models of cr iss-cross curving and stability of p ipe pile are discuss ed r e-spectively.
Key words drilling r od ,casing p ipe,oil pipe,s tability,cris s-cr os s curvin g,mech anic analysis
压杆的稳定性验算
建筑力学行动导向教学案例教案提纲
模块七压杆稳定性 7.1压杆稳定的概念 为了说明问题，取如图 7-2 (a)所示的等直细长杆，在其两端施加轴向压力 F ,使杆在直 线状态下处于平衡，此时，如果给杆以微小的侧向干扰力， 使杆发生微小的弯曲，然后撤去干扰 力，贝9当杆承受的轴向压力数值不同时， 其结果也截然不同。当杆承受的轴向压力数值 F 小于某 数值 F cr 时，在撤去干扰力以后， 杆能自动恢复到原有的直线平衡状态而保持平衡, (a)、(b)所示，这种原有的直线平衡状态称为稳定的平衡; 压力F 小于匚 时，杆件就能够保持稳定的平衡，这种性能称为压杆具有稳定性；而当压 F cr 杆所受的轴向压力 F 等于或者大于 F cr 时，杆件就不能保持稳定的平衡而失稳。 压杆经常被应用于各种工程实际中，例如脚手架立杆和基坑支护的支撑杆，均承受压力， 此时必须考虑其稳定性，以免引起压杆失稳破坏。 7.2临界力和临界应力 7.2.1细长压杆临界力计算公式一一欧拉公式 从上面的讨论可知，压杆在临界力作用下，其直线状态的平衡将由稳定的平衡转变为不稳 定的平衡，此时，即使撤去侧向干扰力，压杆仍然将保持在微弯状态下的平衡。当然，如果压力 超过这个临界力，弯曲变形将明显增大。 所以，使压杆 在微弯状态下保持平衡的最小的轴向压力, 即为压杆的临界压力。下面介绍不同约束条件下压杆的临界力计算公式。 一、两端铰支细长杆的临界力计 算公式一一欧拉公式设两端铰支长度 为z 的细长杆，在轴向压力/ cr 的作 用下保持微弯平衡状态，如图 7-3所示。杆在小变形时其挠曲线近似微分方程为: 图7-2 到某一数值匚时，即使撤去干扰力，杆仍然处于微弯形 F cr 状，不能自动恢复到原有的直线平衡状态，如图 7-2 (c)、 (d)所示，则原有的直线平衡状态为 不稳定的平衡。如果力 F 继续增大，则杆继续弯曲， 产生显著的变形，甚至发生突然破坏。 上述现象表明，在轴向压力 F 由小逐渐增大的过程中，压 杆由稳定的平衡转变为不稳定的平衡，这种现象称为压杆 丧失稳定性或者压杆失稳。显然压杆是否失稳取决于轴向 压力的数值，压杆由直线状态的稳定的平衡过渡到不稳定 的平衡时所对应的轴向压力，称为压杆的临界压力或临界 力，用表示 / cr 当压杆所受的轴向 图7-2 如图7-2 图 7-1 F 逐渐增大 当杆承受的轴向压力数值 图7-1
《压杆稳定》问答题
压杆稳定 【例1】 压杆的压力一旦达到临界压力值，试问压杆是否就丧失了承受荷载的能力？ 解：不是。压杆的压力达到其临界压力值，压杆开始丧失稳定，将在微弯形态下保持平衡，即丧失了在直线形态下平衡的稳定性。既能在微弯形态下保持平衡，说明压杆并不是完全丧失了承载能力，只能说压杆丧失了继续增大荷载的能力。但当压杆的压力达到临界压力后，若稍微增大荷载，压杆的弯曲挠度将趋于无限，而导致压溃，丧失了承载能力。且在杆系结构中，由于某一压杆达到临界压力，引起该杆弯曲。若在增大荷载，将引起结构各杆内力的重新分配，从而导致结构的损坏，而丧失其承载能力。因此，压杆的压力达到临界压力时，是其承受荷载的“极限”状态。 【例2】 如何判别压杆在哪个平面内失稳？图示截面形状的压杆，设两端为球铰。试问，失稳时其截面分别绕哪根轴转动？ 解：（1）压杆总是在柔度大的纵向平面内失稳。 （2）因两端为球铰，各方向的μ=1，由柔度知l i μλ= （a ）x y i i =，在任意方向都可能失稳。 （b ），x y i i ＜失稳时截面将绕x 轴转动。 （c ）x y i i ＞，失稳时截面将绕y 轴转动。 【例3】 细长压杆的材料宜用高强度钢还是普通钢？为什么？ 解：对于细长压杆，其临界压力与材料的强度指标无关，而与材料的弹性模量E 有关。由于高强度钢与普通钢的E 大致相等，而其价格贵于普通钢，故细长压杆的材料宜用普通钢。 【例4】 图示均为圆形截面的细长压杆（λ≥λｐ），已知各杆所用的材料及直径d 均相同，长度如图。当压力P 从零开始以相同的速率增加时，问哪个杆首先失稳？
1.6a P P 1.3a a P 解：方法一：用公式P lj = π2 EI ／（μl ）２ 计算，由于分子相同，则μl 越大，P lj 越小，杆件越先失稳。 方法二：运用公式P lj ＝σlj A ＝π2 EA /λ2 ，分子相同，而λ＝μl /i ,i 相同,故μl 越大，λ越大，P lj 越小，杆件越先失稳。 综上可知，杆件是否先失稳，取决于μl 。 图中，杆A ：μl ＝2×a ＝2 a 杆B ：μl ＝1×1.3a ＝1.3a 杆C ：μl ＝0.7×1.6a ＝1.12a 由(μl )A ＞(μl )B ＞(μl )C 可知，杆A 首先失稳。 【例5】 松木制成的受压柱，矩形横截面为b ×h ＝100mm ×180mm ，弹性模量E ＝10GPa ， λP ＝110，杆长l ＝7m 。在xz 平面内失稳时（绕y 轴转动），杆端约束为两端固定（图a ），在xy 平面内失稳时（绕z 轴转动），杆端约束为两端铰支（图b ）。求木柱的临界应力和临界力。
工程力学第11章-压杆的稳定性问题答案
工程力学第11章-压杆的稳定性问题答案
工程力学（静力学与材料力学）习题详细解答（教师用书） (第11 章) 范钦珊唐静静 2006-12-18
2 第 11 章 压杆的稳定性问题 11－1 关于钢制细长压杆承受轴向压力达到临界载荷之后，还能不能继续承载有如下四 种答案，试判断哪一种是正确的。 （A ）不能。因为载荷达到临界值时屈曲位移将无限制地增加； （B ）能。因为压杆一直到折断时为止都有承载能力； （C ）能。只要横截面上的最大正应力不超过比例极限； 正确答案是 C 。 （D ）不能。因为超过临界载荷后，变形不再是弹性的。 11－2 今有两根材料、横截面尺寸及支承情况均相同的压杆．仅知长压杆的长度是短压 杆的长度的两倍。试问在什么条件下短压杆临界力是长压杆临界力的 4 倍?为什么? 解：只有当二压杆的柔度 λ ≥ λ 时，才有题中结论。这是因为，欧拉公式 F = π EI ， 只有在弹性范围才成立。这便要求 P λ ≥ λP 。 Pcr (μl ) 2 11－3 图示四根压杆的材料及横截面(直径为 d 的圆截面)均相同，试判断哪一根最容易 失稳，哪一根最不容易失稳。
习题11－3 解：计算各杆之柔度：λ= μl ，各杆之i 相同 i
3 3 （a ） λa = 5l i (μ = 1) （b ） λb （c ） λ = 4.9l i = 4.5l (μ = 0.7) (μ = 0.5) c （d ） λd i = 4l i (μ = 2) 可见 λa > λb > λc > λd ，故（a ）最容易失稳，（d ）最 不容易失稳。 11－4 三根圆截面压杆的直径均为 d =160mm ，材料均为 A3 钢，E ＝200GPa ，σs ＝ 240MPa 。已知杆的两端均为铰支，长度分别为 l 1、l 2 及 l 3，且 l 1=2l 2=4l 3 =5m 。试求各杆的临 界力。 解： i = d / 4 = 160 / 4 = 40mm ， μ = 1 λ = μl 1 1 i = 5 ×10 40 = 1.25 3 λ = μl 2 2 i μl λ = 3 3 i = 2.5 ×10 40 = 1.25 ×10 40 = 62.5 = 31.5
浅谈钢管混凝土柱
浅谈钢管混凝土柱 摘要: 由于钢管商品混凝土具有承载力高,耐腐蚀,便于施工等一系列优点,它在实际工程中的应用越来越多。从钢管商品混凝土柱工作原理、力学性能等方面,来显示钢管商品混凝土的优势。 关键词: 钢管商品混凝土柱; 钢筋商品混凝土柱; Abstract: As a result of concrete filled steel tube with high capacity, corrosion resistance, convenient construction and a series of advantages, it application in practical engineering more and more. This paper from the concrete filled steel tubular column working principle, mechanical properties and other aspects, to show the advantages of concrete filled steel tube. Key words: concrete filled steel tubular column; reinforced concrete column 钢管商品混凝土即在薄壁圆形钢管内填充商品混凝土，将两种不同性质的材料组合而形成的结构。它利用钢管和商品混凝土两种材料在受力过程相互之间的组合作用，充分发挥这两种材料的优点，弥补彼此的缺点，因而具有良好地力学性能和经济性。在桥梁，工业厂房，高层建筑中的应用越来越广泛。 1、钢管商品混凝土的工作机理钢管商品混凝土的基本原理：在钢管中填充商品混凝土，在力的作用下，商品混凝土对钢管有力的作用，但同时钢管约束了商品混凝土，使管内商品混凝土处于三向受压的应力状态，延缓其纵向微裂缝的发生和发展，从而提高其抗
压杆稳定计算.
第16章压杆稳定 16.1 压杆稳定性的概念 在第二章中，曾讨论过受压杆件的强度问题，并且认为只要压杆满足了强度条件，就能保证其正常工作。但是，实践与理论证明，这个结论仅对短粗的压杆才是正确的，对细长压杆不能应用上述结论，因为细长压杆丧失工作能力的原因，不是因为强度不够，而是由于出现了与强度问题截然不同的另一种破坏形式，这就是本章将要讨论的压杆稳定性问题。 当短粗杆受压时(图16-1a)，在压力F由小逐渐增大的过程中，杆件始终保持原有的直线平衡形式，直到压力F达到屈服强度载荷F s(或抗压强度载荷F b)，杆件发生强度破坏时为止。但是，如果用相同的材料，做一根与图16-1a所示的同样粗细而比较长的杆件(图16-1b)，当压力F比较小时，这一较长的杆件尚能保持直线的平衡形式，而当压力F逐渐增大至某—数值F1时，杆件将突然变弯，不再保持原有的直线平衡形式，因而丧失了承载能力。我们把受压直杆突然变弯的现象，称为丧失稳定或失稳。此时，F1可能远小于F s(或F b)。可见，细长杆在尚未产生强度破坏时，就因失稳而破坏。 图16－1 失稳现象并不限于压杆，例如狭长的矩形截面梁，在横向载荷作用下，会出现侧向弯曲和绕轴线的扭转(图16-2)；受外压作用的圆柱形薄壳，当外压过大时，其形状可能突然变成椭圆(图16-3)；圆环形拱受径向均布压力时，也可能产生失稳(图16-4)。本章中，我们只研究受压杆件的稳定性。 图16-3 所谓的稳定性是指杆件保持原有直线平衡形式的能力。实际上它是指平衡状态的稳定性。我们借助于刚性小球处于三种平衡状态的情况来形象地加以说明。 第一种状态，小球在凹面内的O点处于平衡状态，如图16-5a所示。先用外加干
管柱力学
学科前沿油气井杆管柱力学结课报告 学院：车辆与能源学院 专业：石油与天然气工程 学生姓名：李欣 学号：S130******** 指导教师：李子丰教授
研究油气井内的杆管柱力学问题。首先由美国 A Lubinski 于1951年开始研究，李子丰于1996年出版《油气井杆管柱力学》（石油工业出版社），2008年趋于完善《油气井杆管柱力学及应用》（石油工业出版社）。主要内容为：油气井杆管柱及其在井下的运动状态、油气井杆管柱的载荷和失效方式，油气井杆管柱动力学基本方程及其在分析油气井杆管柱的稳定性、杆管柱的稳态拉力和扭矩、钻柱振动、下部钻具三维力学分析与井眼轨道预测、有杆泵抽油系统参数诊断与预测、热采井管柱力学分析和固井等方面的应用。 真理是世界上最珍贵的信仰，为了这一信仰，科研道路上涌现出了一批批坚定不移的科学家，他们用自己的执著和智慧为世人点亮了一盏盏明灯。燕山大学的李子丰教授就这样一位执著追求、甘于奉献的学者。自从事石油事业以来，李子丰教授十年如一日地辛勤工作，把自己的青春和热血都奉献给了祖国的石油事业，同时也对哲学和物理学领域的基本难题进行了深入不懈的研究。 如果说，科学研究是发现真理的舞台，那么，李子丰教授就是这舞台闪烁的明星，他身上体现出的一种为真理而献身的执著精神和勇敢正直的人格，不愧为我们当代年轻人学习的楷模。 结合石油工程科学和技术发展的需要，李子丰创立了有特色的油气井杆管柱力学理论体系。该理论体系主要包括：油气井杆管柱动力学基本方程；斜直井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型；油气井杆管柱的稳态拉力——扭矩模型；试油管柱力学分析的数学模型；压裂管柱力学分析的数学模型；定向井有杆泵抽油系统动态参数诊断与仿真的数学模型；钻柱纵向振动、扭转振动、纵向与扭转耦合振动的数学模型；下部钻具三维力学分析的数学模型；热采井套管柱力学分析的数学模型及预膨胀固井技术；割缝筛管力学分析的数学模型。如今，依据这些理论模型所编写的软件，已经广泛地应用于我国石油钻采作业中。 同时，上述研究成果基本上都是国家“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和“863”项目海底大位移井井眼轨道控制技术的研究内容，不但在理论上取得了较大进步，在经济上也获得了巨大的效益，赢得了国内外石油工程界和力学界的一致好评。 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, 处于十分复杂的变形和运动状态。对油气井杆管柱进行系统的、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) 优化油气井井眼轨道;
钢管混凝土柱全寿命周期力学性能研究
目录 摘要..................................................................................................................................... I Abastract .................................................................................................................................... II 第1章绪论.. (1) 1.1 钢管混凝土全寿命周期的特点 (1) 1.1.1 钢管混凝土的特点及发展 (1) 1.1.2 全寿命周期的特点 (1) 1.2 课题的研究意义 (2) 1.3 相关课题的研究现状 (3) 1.3.1考虑钢管初应力的钢管混凝土柱受力性能研究现状 (3) 1.3.2考虑混凝土脱空缺陷的钢管混凝土柱受力性能研究现状 (6) 1.3.3考虑长期荷载作用的钢管混凝土柱受力性能研究现状 (8) 1.3.4中空夹层钢管混凝土柱全寿命周期受力性能研究现状 (10) 1.4 文献综述小结 (10) 1.5 课题的创新性 (11) 1.6 课题的技术路线 (11) 1.7 本文主要研究内容 (11) 第2章圆钢管混凝土轴压短柱全寿命周期力学性能研究 (13) 2.1 引言 (13) 2.2 有限元模型的建立 (13) 2.2.1 材料本构模型 (13) 2.2.2 单元类型选取、界面接触定义和划分网格 (15) 2.3 考虑钢管初应力的圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析 (15) 2.3.1 模型验证 (15) 2.3.2 初应力对圆钢管混凝土轴压短柱受力影响 (17) 2.4 考虑混凝土脱空缺陷的圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析 (19) 2.4.1 模型验证 (20) 2.4.2 脱空缺陷对圆钢管混凝土轴压短柱受力影响 (21) 2.5考虑长期荷载作用的圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析 (23) 2.5.1 模型验证 (23) 2.5.2 长期荷载对圆钢管混凝土轴压短柱受力影响 (27) 2.6 圆钢管混凝土轴压短柱全寿命周期力学性能分析 (29) 2.6.1全寿命周期受力全过程分析 (29) 2.6.2影响承载力的参数分析 (33) 2.7 本章小结 (34)
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)2 d 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。 1.2修井管柱力学分析 1.2.1修井管柱工况分析 1）修井作业管柱受力类型 （1）上提或下放作业。 上提下放过程中，管柱可能受到的力有：套管压力、油管压力、大钩拉力、重力、浮力、接触反力、摩擦力、抽吸作用力、惯性力。
油气井
石油工程专业—油气井工程模块 ●油气井工程学科对国民经济和社会发展的重要作用 油气井工程是建设地面通往地下油气资源通道的综合性工程技术，是发现和开采地下油气资源必需的直接手段，其投资约占整个石油天然气勘探、开发成本的50%左右。油气井工程是多学科综合的应用学科，深井、复杂井、海洋井的钻井能力历来是一个国家综合科技水平的具体体现。 我国国民经济的高速发展和人民生活水平的持续提高，造成了对油气能源需求的大幅度增加。为了满足国家对油气能源的需求、保证国民经济的良性持续发展，我国的油气勘探开发技术、尤其是油气井工程技术必需有大的进步：以更低的成本、更快的速度，发现、利用更多的石油和天然气。而目前油气井技术已成为提高油气勘探开发的瓶颈之一,因此，油气井工程学科应是国家重点发展的学科之一。 ●西南石油大学本学科点的历史 西南石油大学的“油气田开发工程”学科最早起源于1958年该校的“开发系”及其下设的“钻井、采油、油藏工程、油气田开发、油田化学、海洋石油工程”共6个本科专业和相应的研究室、教研室，分别于1958、1978、1986、1991年开始招收本科、硕士、博士和博士后，于1988年成为国家首批重点学科。当时该学科包含“油气田开发工程”与“油气井工程”两个学科方向，1990年国家将其调整为“油气田开发工程”和“油气井工程”两个新的二级学科，“油气井工程”即成为单独的国家重点学科。该学科点于2001年通过了教育部的再次申报、评审，继续保留国家重点学科。 本学科学术方向： 钻井过程控制理论与技术：在钻井过程中的井眼轨迹控制、破岩清岩控制、钻井信息技术、钻井过程仿真等领域连续承担了国家“863”项目、国家自然科学基金项目、省部级项目和油田协作项目。在三维井眼轨迹计算方法、井底水力增压机理、深井复杂井防止井下事故、提高机械钻速、井下参数测量、钻井过程仿真、“虚拟现实”模拟及数据处理技术等研究领域取得了重要进展，参与了国内油田大位移井、小井眼短半径侧钻水平井、深井超深井复杂井钻井等重大工程项目的设计和施工，并提供了技术和决策支持。 油气井工作液化学与力学：以井筒工作液化学与流体力学的功能控制、化学处理剂研制与作用机理分析、工作液与环境（压力、温度、地层、流体等）相互作用等基础研究为重点，研究解
!第八章压杆稳定性
15-1 两端为球铰的压杆，当它的横截面为图示各种不同形状时，试问杆件会在哪个平面内失去稳定（即在失稳时，杆的截面绕哪一根轴转动）？ 解：(a),(b),(e)任意方向转动，(c),(d),(f)绕图示Z 轴转动。 15-2 图示各圆截面压杆，横截面积及材料都相同，直径d ＝1.6cm ，杆材A 3钢的弹性模量E =200MPa ，各杆长度及支承形式如图示，试求其中最大的与最小的临界力之值。 解：(a) 柔度： 230 1500.4 λ?= = 相当长度：20.30.6l m μ=?= (b) 柔度： 150 1250.4 λ?== 相当长度：10.50.5l m μ=?= (c) 柔度： 0.770 122.50.4 λ?= = 相当长度：0.70.70.49l m μ=?= (d) 柔度： 0.590 112.50.4 λ?= = 相当长度：0.50.90.45l m μ=?= (e) 柔度： 145 112.50.4 λ?== 相当长度：10.450.45l m μ=?= 由E=200Gpa 及各柔度值看出：各压杆的临界力可用欧拉公式计算。即：() 22 cr EJ P l πμ=各压杆的EJ 均相同，故相当长度最大的压杆(a)临界力最小，压杆(d)与(e)的临界力最大，分别为： () 2948 2 2 2 320010 1.610640.617.6410cr EJ P l N π ππμ-??? ??= ==?
() 2948 2 2 2 320010 1.610640.4531.3010cr EJ P l N π ππμ-??? ??= ==? 15-3 某种钢材P σ=230MPa ，s σ=274MPa ，E =200GPa ，直线公式λσ22.1338-=cr ，试计算该材料压杆的P λ及S λ值，并绘制1500≤≤λ范围内的临界应力总图。 解： 92.6 33827452.5 p s s a λπσλ===--=== 15-4 6120型柴油机挺杆为45钢制成的空心圆截面杆，其外径和内径分别为，12mm 和10mm ，杆长为383mm ，两端为铰支座，材料的E ＝210GPa ，P σ=288MPa ，试求此挺杆的临界力cr P 。若实际作用于挺杆的最大压缩力P =2.33kN ，规定稳定安全系数W n =2~5。试校核此挺杆的稳定性。 解：(1)
第十一章压杆的稳定_工程力学
第十一章 压杆的稳定 承受轴向压力的杆，称为压杆。如前所述，直杆在轴向压力的作用下，发生的是沿轴向的缩短，杆的轴线仍然保持为直线，直至压力增大到由于强度不足而发生屈服或破坏。直杆在轴向压力的作用下，是否发生屈服或破坏，由强度条件确定，这是我们已熟知的。然而，对于一些受轴向压力作用的细长杆，在满足强度条件的情况下，却会出现弯曲变形。杆在轴向载荷作用下发生的弯曲，称为屈曲，构件由屈曲引起的失效，称为失稳（丧失稳定性）。本章研究细长压杆的稳定。 §11.1 稳定的概念 物体的平衡存在有稳定与不稳定的问题。物体的平衡受到外界干扰后，将会偏离平衡状态。若在外界的微小干扰消除后，物体能恢复原来的平衡状态，则称该平衡是稳定的；若在外界的微小干扰消除后物体仍不能恢复原来的平衡状态，则称该平衡是不稳定。如图11.1所示，小球在凹弧面中的平衡是稳定的，因为虚箭头所示的干扰（如微小的力或位移）消除后，小球会回到其原来的平衡位置；反之，小球在凸弧面上的平衡，受到干扰后将不能回复，故其平衡是不稳定的。 上述小球是作为未完全约束的刚体讨论的。对于受到完全约束的变形体，平衡状态也有稳定与不稳定的问题。如二端铰支的受压直杆，如图11.2(a )所示。当杆受到水平方向的微小扰动（力或位移）时，杆的轴线将偏离铅垂位置而发生微小的弯曲，如图11.2(b)所示。若轴向压力F 较小，横向的微小扰动消除后，杆的轴线可恢复原来的铅垂平衡位置，即图11.2(a )，平衡是稳定的；若轴向压力F 足够大，即使 (a ) 稳定平衡 图11.1 稳定平衡与不稳定平衡
微小扰动已消除，在力F 作用下，杆轴线的弯曲挠度也仍将越来越大，如图11.2(c)所示，直至完全丧失承载能力。在F =F cr 的临界状态下，压杆不能恢复原来的铅垂平衡位置，扰动引起的微小弯曲也不继续增大，保持微弯状态的平衡，如图11.2(b)所示，这是不稳定的平衡。如前所述，直杆在轴向载荷作用下发生的弯曲称为屈曲，发生了屈曲就意味着构件失去稳定（失稳）。压杆保持稳定与发生屈曲间的力F cr 称为压杆的临界载荷或临界压力。 建筑物中的立柱、桁架结构中的受压杆、液压装置中的活塞推杆、动力装置中的气门挺杆等都是工程中常见的压杆，细长压杆的稳定是设计中必需考虑的。 §11.2 两端铰支细长压杆的临界载荷 压杆是否能保持稳定，取决于压杆的临界载荷或临界压力F cr 。当F =F cr 时，压杆处于如图11.2(b)所示的微弯平衡状态。现将二端铰支的细长压杆重画于图11.3，用静力学的方法研究其平衡问题。 一、力的平衡 取任一截面，由力的平衡方程可知，杆在任一距原点o 为x 处的弯矩为： M (x )=-Fy 二、物理方程 讨论弹性小变形情况，有线弹性应力-应变关系： (a ) 图11.2 压杆稳定概念 (b) (c) 图11.3 二端铰支的细长压杆
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。 二、建立了斜直井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型，指出了“虚构力”理论的错误 石油工程中的钻柱、套管柱、油管柱和抽油杆柱在井筒中工作时在某些井段经常处于压扭状态，发生正弦或螺旋屈曲。屈曲后，杆管柱内的应力急剧增加，与井壁的摩擦阻力增加，会发生自锁现象，严重时可发生强度破坏。 李子丰教授从油气井杆管柱动力学基本方程出发，推导了斜直井中受压扭细长杆管柱几何非线性屈曲的微分方程，建立了水平井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型，分析了无重受压扭圆杆管柱的螺旋屈曲,给出了螺旋屈曲管柱的力学分析方法。 通过对内外压力对管柱稳定性的影响研究发现，(1)传统的油井管柱稳定拉力或虚构拉力的计算公式是错误的；(2)内外压力对悬挂油井管柱的稳定性没有影响；(3)内外压力本身对两端固定的油井管柱的稳定性没有影响，两端固定后，内外压力的变化对油井管柱的稳定性有影响；封固后管柱的等效轴向力与封固时管柱的轴向力、材料泊松比、内压变化量、外压变化量和内外管截面积有关；(4)对于两端固定的油井管柱，内压增加降低管柱的稳定性，外压增加提高管柱的稳定性。 三、建立了油气井杆管柱的稳态拉力——扭矩模型 在油井作业中, 由杆管柱和井壁接触所产生的轴向阻力和扭矩损失对钻采作业有很大的影响, 甚至成为作业成败的关键。先进的拉力和扭矩模型, 尤其在与先进的地面扭矩、大钩载荷、井底扭矩和钻压的测量仪器结合使用时可以实现如下目的: (1) 优选井眼轨迹, 使整个杆管柱的摩擦阻力和扭矩损失最小; (2) 选择和校核地面设备, 优化杆管柱设计; (3) 监测井下问题; (4) 指导下套管作业; (5) 确定杆管柱与井壁的接触压力, 估计套管的磨损程度和键槽是否存在; (6) 决定是否改变泥浆性能; (7) 根据地面悬重计算钻头实际钻压。 李子丰教授依据油气井杆管柱动力学基本方程, 建立了定向井、水平井杆管柱稳态拉力—扭矩模型，并在下列领域得到了成功的应用：（1）钻柱强度分析和优选；（2）井下作业管柱力学分析；（3）井下岩屑床和其它复杂情况监测；（4）优选井眼轨道；（5）钻柱和套管减磨设计等。 四、建立了试油管柱力学分析的数学模型
油气井杆管柱的稳定性与纵横弯曲
?石油工程? 油气井杆管柱的稳定性与纵横弯曲 李子丰 (大庆石油学院 安达 151400) 摘 要 从压杆稳定与纵横弯曲的概念出发,分析了油气井杆管柱的受力和约束状态,分别讨论了杆管柱纵横弯曲的力学模型和稳定性的力学模型。 关键词 钻杆 套管 油管 稳定性 纵横弯曲 力学分析 石油工程的钻柱、套管柱、油管柱和抽油杆柱在井筒中工作时在某些井段经常处于压扭状态,对它们的受力和变形状态进行较精确的分析有助于进行优化设计。油气井杆管柱的稳定性和纵横弯曲力学分析是油气井杆管柱力学的两大主要方面。 1 压杆稳定与纵横弯曲的概念 1.1 压杆稳定的概念 受压力构件能保持始终不变的平衡状态,称为稳定平衡状态;如构件因受压突然失去其原有的平衡状态,则原有的平衡状态为不稳定的平衡状态。结构或构件失去其原有的平衡状态的现象在力学中称为丧失稳定。从稳定到不稳定,一定具有一个临界状态,与临界状态相对应的轴向压力称为临界压力1。 压杆的临界状态为出现两种可能的平衡状态,即直线状态和无限接近于直线的弯曲状态2。 1.2 纵横弯曲的概念 当细长杆不仅在不等于零的横向载荷作用下发生弯曲,而且还受到轴向压力作用时,处于纵横弯曲状态3。 1.3 压杆稳定与纵横弯曲的区别 (1)在压杆稳定中杆所在任意横截面的合外力为零,而在纵弯曲中横截面的全外力不为零。 (2)在压杆稳定中,当轴向压力小于某一临界值时,压杆一直保持原有状态,它的形状不随轴向压力而变化:当压力达到该临界值时,在外界干扰下将失去原有的状态而屈曲。而在纵横弯曲中,无论轴向力多大,都有横向位移,压杆的形状一直随轴向压力而变化。 2 油气井杆管柱及其在井下的受力状态 2.1 油气井杆管柱的结构 油气井杆管柱主要包括钻柱、套管柱、油管柱、抽油杆和连续挠性管。其中除连续挠性管是内外径均匀一致的无接头的细长管外,其余四种都是由长约10m、通过接头连接的杆或管组成,其常用结构尺寸示例列于表1中。 表1 常用油气井杆管柱的结构尺寸及应用条件示例 杆管柱类型外径d0 (m) 内径d i (m) 单根长度(l) (m) 壁厚D(m) 名义重量q (N/m) 接头或稳定器 直径D(m) 井径D w (m) 钻杆柱0.1270.10869～120.09192900.15240.216下部钻具0.1770.071443～180.0527815200.216 0.216套管柱0.17780.157190.010364320.187710.216油管0.08890.077990.00549114.70.1080.1571连续油管0.05080.0453∞0.0027829.5无0.1571 2.2 油气井杆管柱的受力状态 不同类型的油气井杆管柱因其工作条件不同,所受的载荷不同,综合来说有: (1)自重;(2)液体的压力或浮力;(3)轴向拉力或压力;(4)扭矩;(5)弯矩;(6)与井壁的正压力;(7)与井壁的摩擦力;(8)热应力;(9)振动载荷等。在研究具体问题 23 第9卷 第2期1997年3月 西部探矿工程 (岩土钻掘矿业工程)
火灾下与火灾后圆钢管约束钢筋混凝土柱力学性能研究
目录 目录 摘要...................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................. III 主要符号对照表 ................................................................................................... X I 第1章 绪论. (1) 1.1 课题研究的目的和意义 (1) 1.2 相关课题研究现状 (3) 1.2.1 常温下力学性能研究现状 (3) 1.2.2 火灾下力学性能研究现状 (10) 1.2.3 火灾后力学性能研究现状 (12) 1.2.4 文献概述小结 (13) 1.3 本文的主要研究方法及内容 (14) 第2章 火灾下钢管约束钢筋混凝土柱足尺明火试验 (16) 2.1 引言 (16) 2.2 试验概况 (16) 2.2.1 试验方案与试件设计 (16) 2.2.2 钢管加工与砼浇注 (19) 2.2.3 常温材料力学性能 (20) 2.2.4 火灾下试验装置、量测内容及试验过程 (21) 2.3 火灾下试验结果及分析 (22) 2.3.1 试验现象与破坏模式 (22) 2.3.2 截面温度分布 (24) 2.3.3 轴向变形与耐火极限 (33) 2.4 本章小结 (37) 第3章 火灾下钢管约束钢筋混凝土柱抗火性能分析 (38) 3.1 引言 (38) 3.2 火灾下温度场的有限元模型 (38) 3.2.1 钢材和混凝土热工参数 (38) 3.2.2 温度场模型的建立与验证 (42) 3.3 耐火极限的有限元模型 (47) 3.3.1 钢材和混凝土的热力学性能 (47) - V -
Q-SHXB 0049-2010 油气井油管柱选择技术规范
Q/SHXB 中国石化西北油田分公司企业标准 Q/SHXB 0049—2010 油气井油管柱选择技术规范 2010-03-10发布2010-03-20实施中国石化西北油田分公司发布
Q/SHXB 0049—2010 目次 前言................................................................................II 1 范围 (1) 2 规范性引用文件 (1) 3 术语和定义 (1) 4 总体要求 (2) 5 管柱材质 (2) 6 管柱尺寸选择原则 (4) 7 扣型选择 (4) 8 管柱结构 (4) 8.1 基本要求 (4) 8.2 井下工具 (4) 9 力学分析、强度设计及校核 (5) 9.1 力学分析 (5) 9.2 强度设计原则 (5) 9.3 管柱强度校核 (5) 9.4 管柱轴向变形分析 (5) I
Q/SHXB 0049—2010 II 前言 本部分由中国石油化工股份有限公司西北油田分公司标准化管理委员会提出。 本部分由中国石油化工股份有限公司西北油田分公司油田工程分标委归口。 本标准起草单位：西北油田分公司工程监督中心、西北油田分公司工程技术研究院、西北油田分公司完井测试管理中心。 本标准主要起草人：满江红、曾大勇、朱 勇、马新中、蔡雨田、翟科军、易北辰、李旭华、贾书杰、张茂斌、徐 刚、徐燕东、刘青山、胡 勇。 本标准为首次发布。
Q/SHXB 0049—2010 油气井油管柱选择技术规范 1 范围 本标准规定了油气井油管柱材质、尺寸、结构、强度设计的技术要求。 本标准适用于西北油田分公司油气井完井管柱设计和选择。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 AQ 2012-2007 石油天然气安全规程 SY/T 6268-2008 套管和油管选用推荐作法 SY/T 6610-2005 含硫化氢油气井井下作业推荐作法 SY/T 6464-2000 水平井完井工艺技术要求 SY/T 10024-1998 井下安全阀系统的设计、安装、修理和操作的推荐作法 SY/T 6293-2008 探井试油工作规范 Q/SH 0015-2006 含硫化氢含二氧化碳气井油套管选用技术要求 Q/SH 0173-2008 川东北酸性天然气井井下作业生产管柱设计推荐作法 Q/SH 0025-2006 川东北天然气井完井推荐作法 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本标准 3.1 完井 最后一次测井作业结束至移交采油（气）生产前所进行作业的总称。 3.2 常压油气井 指预测生产期间最大关井压力小于35MPa的油气井。 3.3 高压油气井 指预测生产期间最大关井压力不小于35MPa并小于70MPa的油气井。 3.4 超高压油气井 指预测生产期间最大关井压力不小于70MPa的油气井。 3.5 气井 1
钢管柱施工控制要点
永久钢管柱施工控制要点 一、现场作业条件 1、施工机械是否运行正常。 2、施工设备的运输条件和进退场条件是否具备。 3、施工用水电的供给条件是否具备。 4、现场照明条件是否满足需要。 5、钢筋加工和运输条件是否具备。 6、钢套管及钢管柱的摆放及便于吊装的场地是否具备。 7、混凝土定制是否完成并能保证及时供应。 8、泥浆制备是否完成。 9、弃土和废弃泥浆处理方法和位置是否具备。 10、桩孔周边地面平整密实，有排水措施，成孔操作过程中禁止桩孔周边水洼、泥泞遍地。 二、人员准备条件 1、桩基施工人员准备 同直径2200mm桩基施工，要求各操作人员更加细心，特别是旋挖钻机及大吨位吊车操作员。 2、下井人员准备 下井人员须提前进行身体检查，患有心脏病、高血压等以及年龄超过50岁的人员严禁下井作业。 选定的下井人员下井前须经现场医务人员进行体检，感冒、发烧或有其他身体不适的情况不允许下井作业。 下井人员三人一组，其中两人井下作业，一人在井上监控，井下作业人员连续作业时间不超过二小时。 所有下井作业人员与监护人员必须经过专业安全技术培训，未经过培训的人员严禁下井作业。 三、机械设备准备 1、施工操作设备 表1 主要施工机械设备投入表
2、安全防护设备 表2 主要安全设备投入表
四、设计参数 1、桩基设计参数 桩径2.2m，有效桩长45m，总桩长约72米。 每颗桩桩顶具体标高见设计图纸。 桩顶标高整体自北向南以2‰坡度降低，主筋锚入结构底板混凝土2.5m。 混凝土灌注钢筋保护层厚度为70mm。 采用C30水下混凝土，避免使用早强水泥，混凝土中最大氯离子含量不大于0.06%。 2、钢护筒设计参数 外径φ2100mm、t=16mm、Q235钢钢板卷制而成。 总长度根据桩顶标高和地面自然标高不同确定。 支撑钢套管分两节：第一节长5.5m，与钢筋笼焊接，伸出笼顶1.5m；第二节分别长24.797m（M轴）、24.818m（L轴）、26.639m（1/L轴），伸出地面600mm。 3、定位器设计 自动定位器呈十字锥形，主要构件包括锥形引渡板、定位十字板、环形锚固脚及定位铁件等构件，其中锥形引渡板、定位十字板实现对钢管柱的引渡功能，并限定钢管柱的水平位移；环形锚固脚承托钢管柱，并控制钢管柱的水平位置及标高，锚固于圆形钢筋混凝土桩内，可防止自动定位器变形、移位；定位铁件承托上部构件，并提供准确的空间位置。 中心位置误差在3mm以内，固定边与水平面所成的直角误差在1‰以内，锥底宽度比钢管内径小6mm。 自动定位器安装时，不得发生破坏、变形、移位现象，并提供所要求的精度。 五、工艺流程 桩柱地面测量定位→安放常规护筒→旋挖钻机成孔→下钢筋笼（带有下部支
油气井工程与油气田开发工程
油气井工程 石油大学油气井工程学科是1953年北京石油学院成立时在清华大学石油系基础上最早创建的学科之一，1961年开始招收（硕士）研究生，1986年获得工学博士学位授予权，1991年开始招收博士后，1993年被中国石油天然气总公司（简称CNPC）评选为部级重点学科，“九五”期间是国家“211工程”石油大学重点建设的六个学科之一。1997年该学科所属的油气井工程实验室通过山东省教委组织的专家组验收，挂牌“省级重点实验室”。2001年通过国家“211工程”建设验收，2002年经过国家教育部评审，被正式批准为国家重点学科。 中国石油大学（华东）油气井工程学科 经过新老几代人多年的建设与发展，特别是经过“211工程”一期建设，油气井工程学科已形成五个稳定的研究方向；造就了一支学历层次高、知识结构合理且比较年轻化的学术队伍；建成了一批具有国内一流水平的研究室和实验室；承担国家自然科学基金、“863计划”、“973计划”、国家重点攻关项目十多项；取得了一大批达到国际先进水平的科技成果，并获得了多项国家级和省部级的科研奖励；培养了近20名博士，200名硕士，发表了300余篇高水平的学术论文，出版了20部专著或教材；目前年均科研经费达到近1000万元。同时本学科也是国内该领域历史最久、规模最大的高级专门人才培养或培训基地。多年来在人才培养和科技发展方面，为我国石油工业的发展做出了重大贡献。 一、主要研究方向： 1、油气井流体力学及高压射流技术。 主要研究井筒中牛顿流体、非牛顿流体、多相流体及高压射流的流动规律。通过在油气井筒内复杂流动条件下流体流动规律的研究，丰富和发展洗井技术、射流技术、破岩技术、井控技术，提高机械钻速，减少井下事故，减低生产成本，缩短建井周期，提高油井产能。该研究方向具有超高压射流实验系统，先进的PIV高速射流实验测试及数据采集处理系统，中围压及高温高压模拟实验井筒，磨料射流实验装置等可进行各种射流实验研究和多相流流动规律研究的装备条件。 2、油气井工程岩石力学。 主要研究内容有：地层基础参数预测与评价技术，破岩机理及破岩技术，井壁稳定理论与控制技术和完井与油层改造过程的岩石力学问题。该研究方向具有高温高压三轴模拟试验架，高温高压岩石与钻井液相互作用模拟试验架，岩石声学测试装置，岩石微观测试系统等先进实验装备，而且有一个金刚石钻头研究室，具有金刚石钻头的先进研究手段和生产能力。 3、油气井信息与控制工程。 主要研究内容有：油气井管柱力学研究，井下过程控制研究和地层信息采集与利用研究。综合应用基础科学的理论和方法，研究管柱在各种井眼（直井、定向井及水平井）中的力学行为，为井眼轨迹控制、直井防斜打快、管柱的优化设计、合理使用及其寿命预测等提供科学依据。该研究方向建有大型管柱动力学研究模拟实验装置和井下钻柱受力实测装置，开展了防斜机理的理论和实验研究，形成了不同底部钻具组合防斜效果的室内实验评价方法、井眼轨迹预测和控制技术及相关软件。建立了针对定向井、水平井、大位移井钻柱进行摩阻计算、强度分析、稳定性分析和疲劳寿命预测的分析模型及相关软件。开展了套管损坏与防治技术研究。 4、钻井液、完井液化学与技术。 主要研究内容有：钻井液与完井液体系及处理剂的研制、配方与性能研究，井壁稳定化学力学耦合研究，油气层保护研究及钻井液胶体与界面化学性质研究等。该研究方向具有范90动滤失仪、胶体ZETA电位分析仪等先进测试仪器以及先进的钻井液模拟实验井筒等。