图3 弯曲井眼中的力 - 位移关系
在卸载过程中 , 底部载荷在 5 和 6 点间几乎保持 不变 。但与此同时顶端载荷由 E 点明显地降到 F 点 , 正因如此 , 在第一直井段中的螺旋消失 。第一直井段 内管柱形状的变化并没有引起底部载荷的明显变化 。 当第二直井段内的螺旋消失之后底部载荷开始下降 。 因此可以得出这样的结论 : 对于这种特定的井身结构 而言 , 第二直井段的屈曲比第一直井段的屈曲对轴向 力传递的影响更大 。 图 4 所示为端部固定支撑条件下 , 两种不同尺寸 管柱屈曲特性的比较 。通过对 ∀ / in 和 ∃ 3 in 管柱的载 荷 - 位移分析可以看出 , 当轴向载荷达到 55 lb 时 , 前者螺旋屈曲 , 而后者则需要 85 lb 轴向力才能进入 螺旋屈曲阶段 。这一结果表明 , 在可能的情况下应使 用最大尺寸的管柱以减少与屈曲有关的问题 。
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图 6 所示为一 ∃ / in 管柱试验中的载荷 - 位移曲 线 。图示两条曲线分别为加载和卸载过程中的的上端 载荷曲线和下端载荷曲线 。曲线上的 A 点至 G 点代 表加载阶段上端载荷的变化过程 。在 B 点上部载荷 达到了正弦屈曲临界值 , 管柱屈曲从此点开始 。在 C 点首次呈现出螺旋状态 。D 、E 、F 点分别对应相继出 现的螺旋状态 。在加载过程中 ( 1～7 点 ) , 下端载荷 具有和上端载荷相同的变化趋势 , 并且可以很容易地 发现每个螺旋的形成对轴向力的影响 ( 3 、4 、5 、6 点) 。 随着螺旋圈数的增多 , 上端载荷和下端载荷之间 的差值也随之增大 。这也清楚地表明 , 螺旋屈曲的出 现使得径向接触力增加 , 从而使传递到井筒下部的轴 向力减小 。在卸载过程中 , 下端载荷曲线与上端载荷 曲线的变化趋势一致 。
二 、管柱屈曲/ 后屈曲特性的试验研究
管柱屈曲/ 后屈曲特性的模拟试验研究是在 Tulsa 大学的钻井研究工程实验室进行的 。下面各部分将介 绍一个试验装置和试验结果 。
1 , 弯曲井眼中的屈曲/ 后屈曲试验
一 、引言
管柱的屈曲可能引发很多问题 , 诸如在钻井过程 中使井斜难以控制 , 轴向力不能有效地传递到钻头 上 , 甚至会造成钻柱失效 。当钻大位移井 、水平井和 进行连续油管作业时 , 这些问题将变得更为严重 。考 虑到此问题的重要性 , 长期以来很多学者致力于管柱 屈曲特性的研究 。现已建立了多种模型以研究井眼中 管柱的屈曲及后屈曲特性 。 普遍接受的观点是 , 随着轴向力的增加 , 管柱首 先进入正弦屈曲阶段 , 然后进入螺旋屈曲阶段 。用以 预测垂直井及斜直井中管柱临界屈曲载荷的模型已经 得到了钻井工业界的广泛认同 。对弯曲井眼中管柱临 界屈曲载荷的预测是近期研究的焦点 , 并且也已经有 人提出了这方面的模型 。 同时也提出了几个模型 , 用以对垂直井眼 、倾斜 水平井眼及弯曲井眼中引起管柱螺旋变形 ( 所谓的螺 旋屈曲) 的轴向力进行预测 , 但哪一个模型的预测结 果更为可靠 , 目前尚未有定论 。 当管柱屈曲或弯曲时 , 管柱与井壁间会产生一种 额外的接触反力 。接触反力和摩擦系统一起决定了摩 擦阻力的强度 , 摩擦阻力是钻水平井和大位移井时所 特别关注的问题 。有几位学者对摩擦阻力和接触反力
rR rR
1 + 1 + 1 +
1 +
rR w sinα EI rR w sinα 3152 EI rR w sinα 2 EI
2 2
2
( 4) ( 5) ( 6)
位移 θ、正弦曲线长度 p 和正弦曲线的幅值 A 分别在 附录 (A - 1) 、 ( A - 2) 、 ( A - 3) 式中有定义 。螺旋 屈曲状态下的各式 [ ( 10) 、( 13) 式 ] 中的上述各量 在附录 (A - 4) 和 (A - 5) 式中有定义 。
图1 弯曲井眼中进行屈曲/ 后屈曲试验的试验装置简图
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根外径 ∀ / in ( 壁厚 01035 in) , 另一根外径 ∃ 3 in ( 壁 厚 01035 in) 。该试验装置可以施加轴向载荷 , 并可 测得试验段顶端及底部的载荷值 。同时可以测量试验 段顶部管柱的位移 。 当管柱进入到弯曲井段时 , 由于弯曲作用 , 管子 的圆形截面将变成椭圆形 。内压试图恢复截面的圆形 状态并使管柱伸直 。由于弯曲段内管柱有伸直的趋 势 , 因此径向接触力及摩擦阻力将增大 , 这将导致管 柱内轴向力传递效率的降低 。对现有文献的回顾表 明 , 还未曾有人针对静态内压对管柱屈曲的影响这一 问题展开过深入的研究 。因此对这一问题进行了试验 研究 , 试验时内压值在 0～3000 lb/ in2 之间变化 。 2 , 弯曲井眼中的试验结果 试验中研究了两种不同的端部支撑条件 ( 固定端 和铰支) 对管柱轴向力传递的影响 。从图 2 可以看 出 , 端部连接的类型显著地影响了 ∀ / in 管柱中轴向 力的传递 。因此采用更接近于实际的端部支撑条件 , 并且 ( 或) 使试验段具有足够的长度以消除端部影响 是十分重要的 。
特性 提供了四种屈曲模式以研究管柱的屈曲行为 : ( 1) 直线形态 : F < Fs
( 2) 正弦形态 : Fs < F < F 3 ( 3) 不稳定正弦形态 : F 3 < F < Fh ( 4) 螺旋形态 : F ≥Fh
在斜直 、水平井中 Fs 、 F 3 和 Fh 由以下各式给 出:
Fs = 2 F
图6 水平井眼中的力 - 位移关系
3
EI w sinα r
( 1) ( 2) ( 3)
= 11875 FFs 、 F 3 和 Fh 的表达式如
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下:
Fs , cw = F cw =
3
2 EI
图4 管柱尺寸 ( 外径) 对轴向力传递的影响
本文还研究了内压对管柱屈曲特性的影响 。图 5 所示为 ∃ 3 in 管柱在 0 、2000 、3000 lb/ in2 内压时的屈 曲特性 。实验结果表明 , 管柱的屈曲特性受内压作用
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的影响并不显著 。
国 外 油 田 工 程 Forei g n
摘 要 : 为了研究水平直井段和弯曲井眼内管柱 的屈曲及后屈曲特性 , Tuls a 大学建立了一套试验装 置 。他们就研究有静态内压及无静态内压条件下的轴 向力传递问题进行了试验 。同时还研究了屈曲现象的 不同阶段及其与轴向力 、管柱直径 ( ∀ / in 和 ∃ 3 in ) 和管柱端部支撑条件的关系 。试验结果表明 , 屈曲载 荷与管柱直径及管柱端部支撑条件密切相关 。静态内 压对管柱的屈曲特性影响不大 。本文还对近期建立的 用来预测倾斜 、弯曲及水平井眼内管柱屈曲特性的数 学模型进行了简要回顾 。新近开发的计算机模拟程序 中使用了这些理论 。理论分析结果证实了该计算机模 拟程序的适用性和有效性 , 使用它可以更好地理解和 解决油田生产中出现的各种与管柱屈曲有关的问题 。 主题词 管柱 屈曲 力学 试验研究 计算机 模拟 程序
3 , 水平井眼中的屈曲/ 后屈曲试验
该试验装置的井筒用 215 in × 2 in 的聚丙烯有机 玻璃管模拟 。试验装置总长为 90 ft 。使用一外径 ∃ / ( ) in , 线密度 01475 lb/ ft 内径 0162 in 的不锈钢管来 研究它在水平井段的屈曲/ 后屈曲特性 。试验装置允 许施加轴向载荷 , 并可在装置的上端和下端测量载荷 值 , 同时也可测得管柱顶部的位移 。 4 , 水平井眼中的试验结果 试验中研究了两种管柱端部支撑条件 ( 固定端和 铰支) 对钻柱轴向力传递的影响 。在 ∃ / in 管柱中端 部支撑条件对轴向力传递的影响不是十分明显 。因此 可以认为 , 在水平井眼试验装置上进行的屈曲/ 后屈 曲试验不受端部条件的影响 。
受端部条件的影响 ;
3 、弯矩和曲率之间适用弹性细长梁理论 ; 4 、井眼为刚性环状 , 横截面均一 ; 5 、除浮力外不考虑流体的影响 ; 6 、忽略动载因素影响及管柱滑动中的摩擦阻力 ; 7 、管柱的初始状态贴近于下井壁 ; 8 、管柱沿长度方向性质均一 ; 9 、井眼中心线为一平面曲线 。 1 , 斜直 、水平和弯曲井眼内管柱的屈曲/ 后屈曲
试验装置简图如图 1 所示 。用一个 215 in × 2 in 的聚丙烯有机玻璃管模拟井筒 。试验装置的总长度为
5113 ft , 其中第一水平直井段长度为 1314 ft , 弯曲段 2112 ft , 第二水平直井段长 1617 ft 。弯曲井段的曲率
半径为 1315 ft , 造斜率为 4125° / ft 。用两根不锈钢管 来研究其在弯曲井眼中的屈曲/ 后屈曲特性 , 其中一
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管柱的屈曲特性及其对定向井中轴向力传递的影响
E. Kuru A. Martinez
翻译 : 许 晔 黄 涛 ( 山东东营华东石油大学) 校对 : 胡淑娟 ( 大庆油田设计院) 进行了研究 。 Johanscik 等人在不考虑轴向压力引起屈 曲的条件下给出了计算钻柱接触力的公式 。Mitchell 给出了垂直井眼中钻柱螺旋屈曲时的接触力计算公 式 。Wu 和 J uvkam - Wold 建立了一个可以确定斜直井 眼中钻柱接触力的模型 。 最近 Tulsa 大学对连续油管的屈曲特性及轴向力 传递问题进行了深入研究 。并在数学模型研究成果的 基础上开发了计算机模拟程序 ( CTS - TUDRP) 。作为 正在进行的研究的一部分 , 他们在水平及弯曲井眼中 进行了一系列的钻柱稳定性试验 。下面将给出最新的 试验分析结果 , 并对所建立的模型作简要回顾 。
图2 端部条件对弯曲井眼中管柱屈曲试验的影响