不压井作业管柱力学分析及应用

论文摘要

不压井作业是指用于在井筒内有油、气、或者水压力存在的情况下,不进行放喷,直接进行强行起下管柱的作业方式。该技术可应用于欠平衡钻井、侧钻、小井眼钻井、完井、试油、压裂和修井等作业中。国内外学者对石油钻采管柱进行了大量研究,但是对不压井这一特殊作业过程中管柱受力状态的研究还不够深入,由于不压井作业属于带压作业,所以对不压井作业管柱进行准确的力学分析和强度评价可以为现场安全施工提供理论依据。管柱在井筒内做轴向运动,其主要受到管柱自重、管柱内外流体介质压力、管柱底端的活塞力的作用;当管柱与井壁发生碰撞接触时,还会产生接触反力和摩擦力;作业机防喷器胶塞要对管柱施加一个抱紧力和摩擦力,此外作业机还要对管柱施加一个轴向下压力,当下压力和底端活塞力较大时,管柱会发生失稳屈曲。本文基于实测井眼轨迹,考虑到上述影响因素的综合作用,以确定许用下压力为目的,选取井口到井底的整体管柱作为研究对象,把不压井管柱离散成多个梁单元,运用间隙元模拟管柱与井壁之间的接触状态,采用有限元法来分析不压井作业管柱的纵横弯曲、拉压弯扭组合变形,建立了不压井作业管柱三维有限元力学分析模型。模型考虑了管柱组合中不同井下工具的影响以及起升、下放工况的影响,能够反映管柱的实际受力变形状态。基于上述模型以及理论方法,建立了管柱许用下压力判别准则,开发了不压井作业管柱力学分析软件。运用软件对几口井的带压井作业管柱进行数值模拟计算,该结果与实测数据基本吻合,且符合管柱受力以及变形规律,验证了理论分析方法的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 前言
• 一、本课题研究目的和意义
• 二、国内外研究发展状况
• 三、主要研究内容
• 第一章 不压井管柱力学分析模型
• 1.1 不压井管柱受力状态描述
• 1.1.1 不压井作业工况及管柱结构
• 1.1.2 不同工况下不压井管柱的受力状态分析
• 1.2 整体不压井管柱力学分析模型
• 1.2.1 不压井管柱结构和边界条件简化
• 1.2.2 不压井管柱外载荷及计算公式
• 1.3 不压井管柱稳定性分析模型
• 1.4 小结
• 第二章 不压井管柱力学分析理论与方法
• 2.1 不压井管柱几何非线性分析的梁单元
• 2.1.1 局部坐标系中空间梁单元分析
• 2.1.2 坐标转换与整体分析
• 2.2 不压井管柱与套管内壁接触分析的间隙元
• 2.2.1 套管内不压井管柱接触非线性分析的间隙元
• 2.2.2 套管内不压井管柱碰撞接触动力间隙元
• 2.3 不压井管柱瞬态动力学方程及求解
• 2.4 不压井管柱稳定性分析
• 2.5 不压井管柱许用下压力判定准则
• 2.5.1 游动下压卡瓦以下未支撑段管柱失稳判别条件
• 2.5.2 套管内管柱许用下压力的摩阻力判别条件
• 2.5.3 不压井管柱在复杂载荷作用下许用下压力的强度条件
• 2.6 小结
• 第三章 不压井管柱软件编制
• 3.1 软件概述
• 3.2 软件结构
• 3.3 软件运行规则及界面
• 3.4 小结
• 第四章 不压井管柱受力状态影响因素分析及计算实例
• 4.1 不压井管柱受力状态影响因素分析
• 4.1.1 流体介质对管柱受力状态的影响规律
• 4.1.2 井型对管柱受力状态的影响规律
• 4.1.3 套压对管柱受力状态的影响规律
• 4.1.4 游动下压卡瓦以下未支撑段管柱长度与临界载荷变化率研究
• 4.2 计算实例分析及应用
• 4.2.1 南218-308 井计算实例
• 4.2.2 葡扶199-751 井计算实例
• 4.3 小结
• 结论与认识
• 参考文献
• 发表文章目录
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目
• 致谢
• 详细摘要