151.2 140.1 89.0 117.2
35.3 -9.6
29.9 -0.71 -41.3 -50.5
30
75
钻柱的纵弯（屈曲）

定向井钻柱屈曲问题的试验研究 斜直井眼、水平井眼钻柱稳定性的实验
• 10×1.0试件螺曲载荷计算值与实验值比较 45 60 误差 (%) 实验 值 理论 值 误差 (%) 实验值 90 理论值 误差 (%)

讲
定向井钻柱屈曲问题的试验研究
钻柱的纵弯（屈曲）


定向井钻柱屈曲问题的试验研究
斜直井眼、水平井眼钻柱稳定性的实验 屈曲失稳过程分析 ： 分为六个阶段OA，AB， BC，CD，DE和EO，其 中： OC 为加载过程， CO 为卸载过程。 屈曲过程使一个发展过程。 AB段是一个从临界正弦屈 曲向临界螺旋屈曲的发展； BC段是一个从临界螺旋屈 曲向完全螺旋屈曲的发展 A点：正弦屈曲临界点； B点：螺旋屈曲临界点； C点：螺旋屈曲的完成点；

旋转钻柱与静态钻柱的屈曲临界压力的比较（加载过程） 井斜角(deg) 转动状态(N) 76.5 110.2 118.6 150.6 161.2 239.2 静止状态(N) 120.6 138.8 231.7 190.7 221.5 264.5 差值(%) 57.6 26.0 95.4 40.1 37.4 10.6
15
30
75
钻柱的纵弯（屈曲）

定向井钻柱屈曲问题的试验研究 斜直井眼、水平井眼钻柱稳定性的实验

旋转钻柱与静态钻柱的屈曲临界压力的比较（卸载过程） 井斜角(deg) 转动状态(N) 静止状态(N) 差值(%)
15
74.5 109.1
116.4 146.1 151.7 237.6
100.79 98.6
120.6 100.79 231.7
30°
加载
卸载
116.4
161.2 151.7
151.2
221.5 189.0
75°
加载 卸载
钻柱的纵弯（屈曲）


定向井钻柱屈曲问题的试验研究
斜直井眼、水平井眼钻柱稳定性的实验

旋转钻柱与静态钻柱的比较
15 deg 10X1.0 1/R=0 rotating
600
Nm
实验 值
理论 值
0
221.0
233.2 6
224.3 2 196.5
2.64
267.9
277.40
3.55
5
198.5
13.0
10
183.8
7.15
213.6
219.9 9
2.99
222.9
237.87
6.72
钻柱的纵弯（屈曲）

定向井钻柱屈曲问题的试验研究 斜直井眼、水平井眼钻柱稳定性的实验

旋转钻柱与静态钻柱屈曲临界压力的比较
转动状态 加载(N) 76.5 110.2 118.6 150.6 125.6 176.0 156.1 230.1 161.2 239.2 卸载(N) 74.5 109.1 116.4 146.1 122.7 174.1 158.3 208.4 151.7 237.6 差值(%) 2.61 0.998 1.85 2.98 2.31 1.08 -1.38 9.40 5.89 0.668 -12.63 7.91 221.5 264.5 89.0 117.2 59.82 55.69 加载(N) 120.6 138.8 231.7 190.7
井斜角 (deg) 15 30 45 60 75
静止状态
卸载(N) 100.79 98.6 151.2 140.1 差值(%) 16.42 28.96 34.52 26.53
90
159.0 240.0
182.0 221.0
钻柱的纵弯（屈曲）

定向井钻柱屈曲问题的试验研究 斜直井眼、水平井眼钻柱稳定性的实验

斜直井眼和水平井眼内试验值与理论值得对比：
F 理论公式：hel
试件
φ141.0 φ121.0 60º
EIqm sin 2 2 r
试验测量值 488.1 理论计算值 578.3 误差（%） 15.6
井斜角
30º
60º 30º 60º 30º 60º 30º
378.8
343.1 246.7 216.0 154.8 123.0 90.3
钻柱的纵弯（屈曲）


定向井钻柱屈曲问题的试验研究
弯曲井眼内钻柱屈曲失稳的试验研究
100

图为一次实验 的过程图。图 中的横座标为 轴向位移，单 位mm，纵座 标为轴向载荷， 单位N， OE段为加 载过程， FK段为卸 载过程。
80
0 deg 5X0.5 R=6m
E 68.9 66.8C D F
105.6 102.5 142.4 118.7
233.5 185.6
109.9 104.5 131.3 121.0
钻柱的纵弯（屈曲）

定向井钻柱屈曲问题的试验研究 斜直井眼、水平井眼钻柱稳定性的实验

摩阻力和转动对屈曲临界载荷的影响： 井斜角及试验过程 转动状态 静止状态
15°
加载 卸载
76.5 74.5 118.6
B A
O0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
x(mm)

BC段：
• 从B点开始，试件轴线的变形曲线 不断变化：接触点越来越多；点接 触向线接触发展，最后变成完全线 接触，变成完全的螺旋形； • 螺旋的螺距再缩短，螺旋圈数在增 加；
钻柱的纵弯（屈曲）
439.7
391.5 297.7 254.7 193.7 146.7 111.5
13.9
12.4 17.1 15.2 20.1 16.2 19.0
φ101.0
φ100.5 φ81.5
60º
30º
157.0
124.2
146.7
145.9
18.2
14.9
钻柱的纵弯（屈曲）

讲
定向井钻柱屈曲试验研究与理论研究的对比

屈曲临界载荷的影响因素：
试件 尺寸 施加扭矩 不同井斜角下的屈曲临界载荷
30°
45°
60°
90°
10× 1.0
10× 0.5 8× 1.5
0 N-m 10 N-m
0 N-m 10 N-m 0 N-m 10 N-m 89.4 74.6 118.5 101.8
167.5 145.3
174.4 149.6
60
40
25.2 A
20
28.2 B
35.1 H
N
G43.1
J9.2
0
I 13.3
O
0 1
K
2 3 4 5 6 7 8 9
mm
钻柱的纵弯（屈曲）

定向井钻柱屈曲试验研究与理论研究的对比

Fhel
弯曲井眼内钻柱屈曲失稳的试验研究
• 两种理论模型计算结果与实验结果对比 ： 曲率 半径 (m)
试件类 型 5×0.5
400
45deg 10X1.0
300
C
0N-m
194.7
B 225 C
N
200

221 167.5 A 111.7 61.3 O E D 47.1
0.25 0.50 0.75 1.00
100

0 0.00
1.25
mm
扭矩为零，井斜角45°，10×1.0试件
钻柱的纵弯（屈曲）

定向井钻柱屈曲问题的试验研究 斜直井眼、水平井眼钻柱稳定性的实验

试验试件的统计数据表明：
• Yu-che Chen理论公式计算值，比B点压力平均高17%； • 则Yu-che Chen公式计算值，是A点的压力的平均1.17倍； • B点压力可修正为下式：
Fhel Fhel
2 2 1.17
EIqm sin qm EI sin 2.4175 r r
C
400
15 deg 10X1.0 1/R=0 0 rpm
400
N
N
D
200
110.2 B 76.5 A O E G
0 1
C
200
D 120.6 A 138.8 B F 100.79 G
0 1 2
109.1
O E 98.6
0
F 74.5
2 3
0
3
mm
mm
钻柱的纵弯（屈曲）

定向井钻柱屈曲问题的试验研究 斜直井眼、水平井眼钻柱稳定性的实验
钻柱的纵弯（屈曲）
F(N)


定向井钻柱屈曲问题的试验研究
斜直井眼、水平井眼钻柱稳定性的实验 失稳过程描述 ：

1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100
NO.10-1-8 pipe:(OD/ID) 10/8 well:(ID) 30
C

OA段：这是试件的弹性压缩段。试件始 终保持直线状态。应力增大很快，位移 变化很小； AB段：
• 10×0.5试件螺曲载荷计算值与实验值比较
300 600 900
N-m
实验 值
理论 值
误差(%)
实验值
理论 值
误差(%)
实验值
理论值
误差(%)
0
121.3
112.95
7.39
140.1
148.65
6.1
164.4