燕山大学-李子丰-油气井杆管柱力学研究进展与争论-2018

油气井杆管柱力学研究进展与争论燕山大学李子丰2018年6月（石油学报,2016,37(4):531-556.）（JournalofPetroleumScienceandEngineering,2017,151:194–212.）•没有钻井就没有石油天然气工业。•只要有钻井，就可以有石油天然气工业，只不过效益不好。•没有杆管柱就没有石油天然气工业。[1]李子丰,李雪娇,范英娜,赵民.石油钻井工程——石油工业的火车头和脊梁[J].科技信息,2009,(36):30-31.杆管柱在石油工程中的作用脊柱在人体中的作用支撑油井支撑身体从井下向地面传递信息从身体向大脑传递信息从地面向井下传递指令从大脑向身体传递指令从地面向井下传递能量和物质,生产油气起下工具杆管柱在石油工程中的作用脊柱在人体中的作用=杆管柱在石油工程中是多么重要啊?！•油气井杆管柱指的是什么？•这些杆管柱有哪些用途？•这些杆管柱能够安全的起下吗？•这些杆管柱设计的经济吗？•地面设备合适吗？•如何控制井眼轨道？•如何提高这些杆管柱的使用寿命？•如何从地面的测量结果知道井下的工作状态？……..想知道这些,请油气井杆管柱力学。.•油气井杆管柱的运动状态•油气井杆管柱动力学基本方程•油气井杆管柱的稳定性•油气井杆管柱的稳态拉力扭矩•下部钻具三维力学分析•钻柱动力学•套管柱力学分析•测试管柱力学分析•压裂注水注汽管柱力学分析•有杆泵抽油系统诊断和参数优选与节能•采气管柱的振动•管柱的冲击震动•膨胀筛(套)管力学分析•隔水管柱力学分析•振动波信号在管柱中的传播•管柱的磨损和腐蚀与冲蚀•管柱的剩余强度和疲劳强度预测（石油学报,2016,37(4):531-556.）具体内容油气井杆管柱力学油气井杆管柱的运动状态油气井杆管柱动力学基本方程油气井杆管柱的稳态拉力扭矩下部钻具三维力学分析定向井有杆泵抽油系统诊断与参数优选油气井杆管柱的稳定性钻柱的振动与涡动套管柱力学分析测试管柱力学分析压裂管柱力学分析其它膨胀筛管力学分析隔水管柱力学分析油气井杆管柱力学的研究目的、基本步骤和基本原理研究目的：油气井杆管柱是石油钻采作业的脊梁和中枢神经。没有油气井杆管柱就没有石油与天然气工业。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;(4)及时、准确地诊断、发现和正确处理各类井下问题;(5)优选钻采设备和工作参数。一、研究目的、基本步骤和基本原理研究步骤：分离、简化、力学模型、数学模型、求解、计算、验证、结论。基本原理：力学平衡、最小势能和最小耗散功率。(1)钻柱的任何一点、任何时刻，都必须满足力学平衡方程。(2)若出现多解，先用最小势能原理判断。(3)若还存在多解，则用最小耗散功率原理判断。一、研究目的、基本步骤和基本原理[1]李子丰,王长进,田伟超,等.钻柱力学三原理及定性模拟实验[J].石油学报,2017,38(2):227-233.[2]ZifengLi,ChangjinWang,WeichaoTian,etal.Fundamentalprinciplesofdrill-stringmechanicsandtheirqualitativesimulation[J].JournalofEngineeringMechanics,2017,143(7):04017031.二、油气井杆管柱的运动状态1、目的意义油气井杆管柱的运动状态，是研究油气井杆管柱力学的基础。2、研究现状（1）运动状态轴向运动：起下钻，纵向振动。横向运动：横向振动。自转：绕自身轴线的旋转、扭转振动。公转（涡动）：正向公转、反向涡动。rr+ΔrhΔsmΔs-MF+ΔFO（2）直井纵向振动：全井都有可能发生纵向振动，并导致钻柱破坏。地面观察明显。扭转振动：全井都有可能发生扭转振动，并导致钻柱破坏。地面观察较明显。横向振动：下部受压段易发生横向振动，并导致钻柱破坏。地面观察不明显。上部受拉段，钻柱绕自身轴线旋转。下部受压段，钻柱绕自身轴线旋转、反向涡动。钻柱若存在弯角则正向向公转。二、油气井杆管柱的运动状态（3）斜井由于钻柱靠重力作用躺在井壁下侧并与井壁产生滑动摩擦，导致：①纵向振动减轻；②横向振动减轻；③扭转振动减轻；④反向涡动减轻或消失。所以在斜井中，钻柱振动导致的疲劳破坏较少。钻柱绕自身轴线旋转。钻柱若存在弯角则正向向公转。二、油气井杆管柱的运动状态3、发展方向关于钻柱的运动状态，目前还主要是定性描述，虽然已经向定量描述钻柱的振动和涡动状态努力，但还没有获得工程实用的结果。今后的研究重点：（1）钻柱的振动；（2）钻柱的涡动。（钻井液动力润滑学与钻柱动力学相结合是钻柱涡动理论研究的必然）二、油气井杆管柱的运动状态三、油气井杆管柱动力学基本方程1、目的意义应油气田开发的迫切需要,自二十世纪五十年代到九十年代初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”、“八五”和“九五”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,未形成统一的理论,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。rr+ΔrhΔsmΔsM+ΔMΔs-F-MF+ΔFO钻柱微元受力分析O1ωRiO2RoΩrroO钻柱的运动状态2、研究现状假设(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）略去剪力对杆管柱变形的影响。通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析，建立了用于对油气井杆管柱进行动静力学分析的几何方程、运动平衡方程和本构方程。由于油气井钻柱动力学基本方程统一了现有一切油气井钻柱力学分析的微分方程，现有的油气井钻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。在油气井中，杆管柱动力学基本方程=电磁学中的Maxwell方程三、油气井杆管柱动力学基本方程四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩1、目的意义拉力和扭矩模型,尤其在地面扭矩、大钩载荷、井底扭矩和钻压的测量仪器结合使用时,可达到如下目的:（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。2、研究现状以油气井杆管柱动力学基本方程为基础,考虑了钻柱的运动状态、钻井液的结构力、粘滞力,建立了油气井杆管柱稳态拉力——扭矩模型，编制了实用的计算机软件,较成功地应用于定向水平井管柱的各种作业中。四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩(1)莺深4井试气管柱力学分析图1下管柱到底油管柱受力状态图图2封隔器坐封油管柱受力状态图图3开井油管柱受力状态图图4求产油管柱受力状态图四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩图5关井油管柱受力状态图图6反循环油管柱受力状态图图7封隔器解封油管柱受力状态图四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩(2)徐深903-平1井压裂管柱力学分析四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩（1）如果下入到2950m处，并且摩擦系数为0.4，则整个压裂过程能正常进行。四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩（2）如果下入到3960m处，并且摩擦系数为0.4，则下入和起出过程能正常进行。坐封不能正常进行。当摩擦系数为0.35时，就可以了。四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩（3）垣平1井钻桥塞根据该井的（1）井眼轨道；（2）油层套管内径；（3）直径73mm、内径62mm、N-80油管；（3）液体密度1050kg/m3;(4)钻进方式：滑动；（5）钻压：3kN-12kN。计算出了在该井钻桥塞时，如何用控制大钩负荷，来控制钻压，以及是否能进行。就是滑动钻井大斜度井眼时，钻头加压问题。四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩下放到底时，看一下大钩负荷（注意大钩负荷与指重表读数是有差别的），然后在表中“下放大钩负荷”栏中找与现场的最接近的数值，该数值右边的两个数，就是钻压在3kN-12kN时，大钩负荷的数值范围。此套工具，在本井内在摩擦系数很小（0.25）时，才能完成任务。摩擦系数一大，就下不到底。如果施工中存在下入困难，建议在直井段和小斜度段，采取加重措施。只要下入没问题，起出就没有问题。在此之前，不知道如何加钻压，不敢加钻压。有了这个计算后，钻桥塞高速进行，且没有问题。四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩大钩负荷与所钻井深的关系上提下放旋转（4）钻柱力学分析钻柱受力与测深的关系上提下放旋转四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩特殊作业钻柱受力与测深的关系倒扣震击监测岩屑床四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩监测套管磨损3、发展方向（1）实时从大钩处测量负荷，消除从死绳负荷计算大钩负荷的误差。（2）实验研究摩擦系数与岩屑床厚度、岩石类型、钻井液性能等关系。（3）减摩阻及送钻技术。四、油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩五、下部钻具三维力学分析1、目的、意义（1）定量描述下部钻具组合的受力和变形,算出钻头与地层的作用力和钻头转角；（2）选择底部钻具组合和钻进参数,使钻头按设计方向钻进。（1）研究方法及软件能量法有限元法纵横弯曲法加权余量法差分法经典微分方程法微分方程法分析BHA空间维数静动态大小挠度二三静态动态小大能量法√√√经典微分方程√√√纵横弯曲法√√√差分法√√√√√加权余量√√√√√√有限元法√√√√√√2、研究现状五、下部钻具三维力学分析五、下部钻具三维力学分析五、下部钻具三维力学分析（2）防斜工具和方法序号类型名称施工参数优点缺点1静力钟摆钻具小钻压防斜、纠斜效果好钻速慢2静力降斜钻具组合设计要求防斜、纠斜效果较好钻速一般3动力弯接头、偏轴接头、偏重钻铤等正常防斜、纠斜效果较好钻具易疲劳破坏4动力光钻铤大钻压防斜、纠斜效果较好钻具易疲劳破坏5导向导向钻井系统设计防斜、纠斜效果好钻速较慢、昂贵6导向垂直钻井系统设计防斜、纠斜效果好钻速较慢、昂贵五、下部钻具三维力学分析防斜、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。侧压力侧向钻速侧面工作区底面工作区五、下部钻具三维力学分析序号静力降斜力动力侧向力破岩规律井斜趋势降斜排序注释1Fd＞00v=kFn(n1)降斜12Fd＞00v=kF降斜22#=5#3Fd＞00v=kFn(n＜1)降斜34Fd＞0Asinωv=kFn(n1)降斜11最大降斜5Fd＞0Asinωv=kF降斜22#=5#6Fd＞0Asinωv=kFn(n＜1)降斜37Fd=0Asinωv=kFn稳斜88Fd＜00v=kFn(n1)增斜19Fd＜00v=kF增斜29#=12#10Fd＜00v=kFn(n＜1)增斜311Fd＜0Asinωv=kFn(n1)增斜113最大增斜12Fd＜0Asinωv=kF增斜29#=12#13Fd＜0Asinωv=kFn(n＜1)增斜3五、下部钻具三维力学分析为此，动力型防斜钻具的防斜机理是利用了钻头的侧向非线性破岩特性。③导向型。利用钻具的自动测量和执行机构，按要求的方向钻进。3、发展方向（1）下部钻具三维动力分析；（2）在防斜的同时，提高钻速和钻具的使用寿命。4、几种不成熟的设想在人们对防斜效果不知足的同时，促使人们积极发展新的防斜技术，但也有些技术值得警戒。5、建议废除“地层造斜力”这个概念各向异性地层→各向同性地层+地层造斜力这样做容易产生误解，认为地层会给钻头加一个主动力。此为，建议直接用地层各向异性的三维钻速方程，而