496_4658537_液压环境下的油井管柱力学.ppt

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1、液压环境下油井管柱力学的两个问题,中国石油大学（华东）韩志勇2011.06,争议性请提问,目录,第一章 绪论 第一节 60年前引发的争论第二节 关于浮力问题的讨论第三节 我曾经犯过的错误 附录1：关于浮力问题的似是而非观点摘录 附录2：浅析钻井过程中浮力对井斜的影响 前言与第一章的参考文献,争论：浮力能否导致钻柱发生屈曲？,批评不正确观点,自我批评,目录,第二章 前人研究中的是与非第一节 汉陡门：液压环境下杆柱屈曲的临界条件第二节 豪金斯：液压环境下管柱轴向应力的实验测量第三节 霍尔姆奎斯特：静液柱压力对管柱屈曲的影响第四节 鲁宾斯基：钻柱屈曲的临界钻压 第五节 克林肯伯格：两个中性区及其意义

2、第六节 乌兹：管子屈曲的稳定性模型第七节 鲁宾斯基：管柱屈曲的临界条件第八节 鲁宾斯基：虚力与真实力概念的提出第九节 鲁宾斯基：中性轴应力与塑性圆理论第十节 汉默林陡：中性点的通用公式 第十一节 稳定性载荷与稳定力概念第十二节 有效轴向力与真实轴向力第十三节 阿德诺埃：广义浮力系数第二章的参考文献,介绍了12名著名专家的研究成果。其中有鲁宾斯基的四项最著名的成果。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

3、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第三章的参考文献,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。,目录,第四章 套管柱强度设计理论和方法研究第一节 概述第二节 现行的套管柱组合强度设计理论第三节 组合强度设计的有效应力圆理论第四节 套管柱强度设计存在的问题及对策第五节 套管柱井口装定的设计与计算第四章的参考文献,把第三章的研究成果具体应用到套管柱强度设计中。,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

4、.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,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。,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

5、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)：底面积：液压力的合力,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：液压力合力：断面以下管柱重力：断面上的轴向力Fa：,一、两种轴向力之间的关系式,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：,一、两种轴向力之间的关系式,两种方法计算值对比：压力面积法：浮力系数法：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

6、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,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

7、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。,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,管柱断面轴向上的虚力：虚力的计算公式：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：A断面的截面积；,一、两种轴向力之间的关系式,两种轴向力之间的关系：真实轴向（应）力=有效轴向（应）力 虚（应）力有效轴向（应）力

8、=真实轴向（应）力+虚（应）力力的表达形式：应力的表达形式：,一、两种轴向力之间的关系式,两种轴向力关系式的用途：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。,二、复杂液压环境下

9、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。,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；,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：,二、复杂液压环境下浮力系数计算式,请大家记住这两个公式。非常有用！,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。垂直井条件下的总浮力系数Kz：Go,Gi 管外和管内的流动压力梯度；沿垂

10、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：(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。定向井条件下的总浮力系数公式：显然，对于水平井段，D=0，上式将无法计算。所以最好不使用总浮力系数，直接给出定向井管柱的有效轴向力计算公式：,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。定向井条件下的有效轴向力的计算公式：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。

11、,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。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,1，2，3为三个主应力。,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：,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：,三、Mi

12、ses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：在不考虑扭应力的条件下，三个正应力正好都是主应力，则：考虑扭应力的条件下，,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：考虑到扭应力的存在，Mises应力表达式为：其中压差剪应力表达式：,三、Mises应力的有效应力表达式,传统的Mises真实应力表达式：Mises应力的有效应力表达式：,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

13、的有效应力表达式：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：近似认为管内外密度相等，则：；这就是钻柱强度设计和计算中，采用有效轴向力的原因。可以实现三轴应力单轴化了。,三、Mises应力的有效应力表达式,传统的Mises应力表达式：钻柱强度设计和计算中，最危险工况是起下钻，扭应力等于零，则：近似认为管内外密度相等，公式仍然为：利用传统形式，不可能实现三轴应力单轴化。因为这里的轴向力乃是真实轴向力。,这三个最重要公式中，我的贡献是什么？,两种轴向力的概念和两种轴向力之间的关系式，前人已经有论述，而且有人（帕提罗）针对简单液压环境也给出过关系式（具有原创性）。但

14、前人：仅仅给出简单液压环境下的关系时，而且没有推导过这个关系式；前人没有说清楚为什么称为“有效轴向力”和”真实轴向力”；前人没有说清楚为什么称为“虚应力”；本人贡献：解决了前人没有解决的问题，完善了前人的结论。,1、两种轴向力之间的关系式,2、复杂液压环境下浮力系数计算式,在2006年11月阿德诺埃（B.C.Aadnoy）发表的论文中，给出了复杂液压环境下的浮力系数计算公式：但是，我在1995年在石油钻探技术杂志上发表的论文中，早就给出了这个公式（本人具有原创性）。而且给出了推导过程，给出了更复杂液压环境下的公式。,3、Mises应力的有效应力表达式,Mises应力的有效应力表达式，突破了原来

15、的真实应力的框框，除我之外，至今没有发现别人提出过（本人具有原创性）。在早期的钻井工程和钻井机械教材中，曾经给出过复合载荷下的合成应力计算公式：,但上式只能用于非液压环境。在液压环境下，使用这个公式是不正确的。,液压环境下，一定要有压差剪应力，而且要明确使用有效轴向应力；,第二部分：套管柱强度设计存在问题及对策,一、正确地确定“预定载荷”二、套管柱强度设计的步骤三、正确的轴向力计算方法四、安全系数应恰当取值五、正确应用组合强度设计理论六、正确进行定向井套管柱的强度设计七、最大井眼曲率的可通过性,观点：套损为什么严重？很大程度上与强度设计有关。,一、正确地确定“预定载荷”,存在两个问题：1、确定

16、预定载荷时，未区分套管柱在井下的工作阶段；2、轴向和径向的预定载荷中，都没有考虑残余应力；,一、正确地确定“预定载荷”,套管柱在井下工作的三个阶段：下入阶段：轴向载荷最大；径向载荷很小；注水泥浆阶段：轴向载荷和径向载荷都不是最大，也不是最小。长期工作阶段：径向载荷最大，轴向载荷最小；,图4-4-1 套管柱在井下工作的不同阶段,目前的做法：在进行组合强度设计时，轴向载荷按照下入阶段计算，径向载荷按照长期工作阶段计算。,一、正确地确定“预定载荷”,套管柱在井下工作的三个阶段：1、下入阶段：径向载荷最小(可忽略)，无需进行组合强度设计；2、注水泥浆阶段：轴向和径向载荷均不超过长期工作阶段。无需组合强

17、度设计3、长期工作阶段：径向载荷最大，需要进行组合强度设计；,图4-4-1 套管柱在井下工作的不同阶段,正确的做法：按照长期工作阶段的轴向载荷和径向载荷，进行组合强度设计。,一、正确地确定“预定载荷”,长期工作阶段的载荷分析：,图4-4-1 套管柱在井下工作的不同阶段,轴向载荷：水泥石固结状态下，套管柱轴向载荷=？等于水泥凝固前的轴向载荷残余轴向应力；,径向载荷：来自地层的流体压力，还有蠕变地层的岩石压力；此外，还有水泥凝固之前施加于套管上的径向载荷残余径向应力和切向应力；,二、套管柱强度设计的正确步骤,第一步：组合强度设计,图4-4-1 套管柱在井下工作的不同阶段,按照长期工作阶段的轴向载荷

18、与径向载荷，进行组合强度设计；,第二步：单轴强度校核,按照下入阶段的轴向载荷，考虑轴向摩阻力和起下加速度的惯性力，对第一步设计的套管柱进行单轴抗拉强度校核；单轴抗拉强度不够怎么办？首选：改进下套管技术措施，减小摩阻力和惯性力。更换钢级或壁厚；,三、正确的轴向力计算方法,正确的压力面积法：,现在的方法：只考虑套管管体的断面积，乘以轴向液压力；,图4-4-3 轴向力计算问题,正确的方法：管内掏空，相当于右图。应按照套管外圆面积，乘以轴向液压力来计算；,在进行组合强度设计时，常常按照最危险情况管内掏空来设计。在轴向应力计算时，出现错误。,三、正确的轴向力计算方法,正确的浮力系数法：,现在的方法：按照

19、管内外流体密度相等的公式计算；,图4-4-3 轴向力计算问题,正确的方法：应该按照管内外流体密度不相等的公式来计算；,在进行组合强度设计时，常常按照最危险情况管内掏空来设计。在轴向应力计算时，出现错误。,四、安全系数的恰当取值,存在的问题：抗挤系数太小；造成不安全；抗拉系数过大；造成浪费；,国内目前做法：抗挤系数为1.001.125，抗内压系数为1.051.15，抗拉系数为1.602.00。美国套管设计基础一书：抗挤系数0.851.125，抗内压1.01.1，抗拉伸1.61.8。”,四、安全系数的恰当取值,抗挤安全系数为什么取这样低?据沈忠厚教授在油井设计与计算一书中介绍，有三条理由：、根据一

20、系列室内和油田试验证明，套管外注水泥时由于水泥支撑会提高套管柱抗外挤强度。、套管下部由于泥浆浮力作用，套管受压缩载荷，在压缩应力作用下会提高套管柱抗外挤强度。、管子手册上给出的套管外挤强度是最小值，而95%以上的套管会超过这个值。”三条理由没有一条能站住脚。,四、安全系数的恰当取值,抗拉安全系数为什么取这样高?一直没有找到有关论述。本人认为，一方面这可能属于历史原因：早期,在钻柱受力计算中,对于摩阻力和惯性力,都无法计算,只能采取增大安全系数的方法。现在，摩阻力和惯性力都可以通过数学模型，相当接近地计算。安全系数却没有减小。另方面，整个设计只进行组合强度设计。而在组合强度设计中，本不需要考虑动

21、载荷。前人对此可能不明确。,四、安全系数的恰当取值,解决方法：增大抗挤安全系数；增大到多少？需要讨论。减小抗拉安全系数；减小到多少？需要讨论。,五、正确应用组合强度设计理论,现行的组合强度设计理论有两种：双向应力椭圆理论；三轴应力强度理论；现行理论都是根据Mises应力的真实应力形式推导的，使用中存在的主要问题是：理论要求使用真实轴向应力；不能使用有效轴向应力；我国钻井学术界长期不明确这个要求，在使用中广泛使用有效轴向应力。造成严重混乱。,五、正确应用组合强度设计理论,上世纪80年代以来，开始以引进为主，1988年制定的标准正确地使用了真实轴向（应）力。但同时期，凡自行提出并推导的设计公式，都

22、错误地采用有效轴向（应）力。凡自己编写计算机软件的，都自觉不自觉地采用有效轴向（应）力。新世纪以来，标准中出现了错误：2000年的标准，2008年修订标准。,五、正确应用组合强度设计理论,如何解决？三个方案：1、对现有的三轴应力强度理论进行修正；必须采用真实轴向应力；轴向和径向载荷的关系图形，是个“椭圆”；2、采用有效应力圆理论；采用有效轴向应力，计算特方便；轴向和径向载荷的关系图形，是个“圆”；本书推导了整套计算公式，并给出了单轴强度的数据转换方法和转换公式；3、两种理论混用，各取所长；两个理论的计算公式各有所长，混合使用更加简单，但要防止搞乱了；,（首选第一方案）,五、正确应用组合强度设计

23、理论,如何修正三轴应力强度理论？1、利用两种轴向力关系式，采用有效轴向应力表达真实轴向应力：2、重新推导有关设计计算公式：组合抗挤强度计算公式；组合抗内压强度计算公式；组合抗拉强度计算公式；轴向力影响下的抗挤可下深度计算公式；外挤压力影响下的抗拉可下长度计算公式；,用真实轴向应力，无法推导这两个公式。,六、定向井套管柱强度设计方法,目前存在的问题：采用有效轴向应力计算，违背三轴应力强度理论的要求；（国内外皆如此）仅仅给出三段式设计轨道设计方法；国外文献和国内的两个标准，都不是按照常规的方法、步骤和计算公式进行设计，而是先对某个井段选定某种套管，然后进行强度校核。2000年的标准，存在的问题更多

24、；,六、定向井套管柱强度设计方法,本人给出的设计方法：1、根据轨迹测量进行轨迹计算，给出轨迹上任一点的井深、垂深、井眼曲率等；2、根据轨迹上所有点的垂深，构筑一口与该定向井对应的垂直井；3、按照对应的垂直井，进行套管柱组合强度设计；注意弯曲段要考虑弯曲应力；4、将第3步设计的套管柱，转换成定向井的套管柱；5、对第4步的定向井套管柱，进行单轴抗拉强度校核；,六、定向井套管柱强度设计方法,图4-4-7 定向井套管柱的组合强度设计,第1步；根据轨迹测量进行轨迹计算，给出轨迹上任一点的井深、垂深、井眼曲率等；,六、定向井套管柱强度设计方法,图4-4-7 定向井套管柱的组合强度设计,第2步：根据轨迹上所

25、有点的垂深，构筑一口与该定向井对应的垂直井；,六、定向井套管柱强度设计方法,图4-4-7 定向井套管柱的组合强度设计,第3步：按照对应的垂直井，进行套管柱组合强度设计；但要特别注意弯曲段要考虑弯曲应力；,六、定向井套管柱强度设计方法,图4-4-7 定向井套管柱的组合强度设计,第4步：将第3步设计的套管柱，转换成定向井的套管柱；,六、定向井套管柱强度设计方法,图4-4-7 定向井套管柱的组合强度设计,第5步：对第4步的定向井套管柱，进行单轴抗拉强度校核，以及套管可以通过的最大井眼曲率校核；强度不够时再进行调整。,七、套管可通过的最大曲率校核,前面组合强度设计中已经考虑了弯曲段的弯曲应力。主要针对

26、管体强度。这个校核最主要的考虑，是套管的连接螺纹。螺纹弯曲不仅有强度问题，而且有密封失效问题。目前存在问题：甲方手册给出的API计算公式，偏于保守；计算公式与螺纹连接强度没有关联；计算公式与弯曲位置处的轴向力没有关联；,七、套管可通过的最大曲率校核,本书给出计算公式：考虑了螺纹连接强度；考虑了弯曲点的轴向力；螺纹应力集中系数取值1.65；参照长庆油田的室内试验数据和胜利油田的现场数据，进行了初步验证；,第二部分小结,1、预定载荷,2、设计步骤,3、轴向力计算,4、安全系数,5、组合强度设计理论,6、定向井套管柱强度设计,7、套管可通过的最大曲率,设计方法,设计理论,定向井,设计方法存在的问题:

27、,套管柱强度设计方法不正确,导致抗挤强度偏小,抗拉强度过大。既不安全，又有浪费。,设计方法存在的问题此外，2000年标准的有些错误也会导致抗挤强度降低的结果,1、私自改变“三轴抗挤强度”公式中的符号,注意，式中有一个管内压力Pi，标准在附录B中的实例计算中，均采用“负值”。私自改变了公式中的符号！私自改变符号的结果，使计算的三轴抗挤强度值增大。实际没有这么大！实际的效果是使抗挤安全系数减小了。,2、不应该考虑轴向压力可增大抗挤强度,在附录B的实例计算中，第一段套管轴向应力采用的是“压力面积法”计算，轴向应力是负值（压应力）。这本来是正确的。但是，该标准考虑轴向压力可增大抗挤强度，这是不正确的。

28、结果：降低了套管的抗挤安全系数。第一段套管通常正好是处在油层部位。要经受射孔、压裂、注水等措施。,左下象限是轴向压力对抗挤强度的影响。轴向压力总是使抗挤强度增大。当轴向压应力达到材料屈服极限的57.74%时，抗挤强度增大最多，达到15.47%。,如果按照这个规律进行组合强度设计，对于屈服破坏的套管来说，当然是正确的，但对于另外三个破坏区的套管来说，就是不安全的了。如果某套管径厚比处在弹性挤毁区，轴向压力正好等于屈服极限的57.74%，则计算的抗挤强度将增大15.47%。如果设计安全系数为1.10，则实际的安全系数只有0.9453。,结论：不应该考虑“轴向压应力可增大抗挤强度”。,影响套管挤毁的

29、两大因素，分成四个挤毁破坏区：弹性失稳破坏。轴向力对抗挤强度没有影响。塑性屈服破坏。轴向力的影响符合塑性椭圆理论。还有大量的套管，处在两者之间。实验数据回归，分出：塑性破坏区和弹塑性破坏区。,3、把弯曲应力施加到了垂直井段,2000年标准，把弯曲段的弯曲应力乘以截面积，得到“弯曲力”，然后把弯曲力与轴向力相加。这对弯曲段是正确的；但2000标准却把它当成实实在在的轴向力。在其附录B2.2和B2.3的实例计算中，都把此“弯曲力”作为轴向力向上延伸，施加到垂直井段的套管轴向拉力中。这就很不应该了，这是错误的。结果，导致计算的轴向力过大。实际没有这么大。导致轴向抗拉安全系数过大。,设计方法存在的问题:,2000年和2008年标准中，三轴抗拉强度计算公式也有错误：,错误：,正确：,欢迎批评指正！,