油气井杆管柱力学研究进展与争论（三）

之前石油圈为大家带来了油气井杆管柱力学研究进展与争论一、二部分，主要介绍了油气井杆管柱力学方面的著作、研究人员、研究方法以及分支方向的研究进展与争论，本期石油圈继续为大家介绍相关内容。

套管柱力学分析

套管外载荷

套管的外载荷有重力、拉力、扭矩、外挤压强、内压强、热应力等，有时还有剪切力。曾有一段时间，学者在不均匀地应力对套管的作用的研究上投入了很大精力，当被指出此问题在油田现场不存在后，仍然有部分学者继续发表该类文章，对切题文献《蠕变地层与油井套管相互作用力学模型》置若罔闻。如果地层没有蠕变性，那么地应力不会加到套管上；如果地层具有蠕变性，那么时间比较长后，套管所受的外挤载荷为地层的上覆岩层压强。套管外所受流变地层的外挤压强超过上覆岩层压强是不可能的。

套管的强度和设计方法

套管的强度按外载可以分为抗拉强度、抗外挤强度、抗内压强度、抗扭强度；按加工可以分为同心套管强度和偏心套管强度；按新旧可以分为新套管强度、射孔后套管强度、磨损后套管强度、腐蚀后套管强度。统一强度理论就是材料力学中的第四强度理论或塑型力学中的米塞思准则，套管三维力学分析中一直采用《油气井杆管柱力学》和《油气井杆管柱力学及应 用》，最经典的就是套管双向应力椭圆。20世纪70年代至90年代，就偏心套管的强度问题，赵怀文与龚伟安进行了充分的切磋。韩志勇对双向应力椭圆提出了自己的看法，对套管设计标准提出了改进建议。现在的套管设计方法一般都采用安全系数法。对于循环注蒸汽的热采井套管，提出了应变设计法。

热采井套管柱力学分析及预膨胀固井技术

李子丰等首先计算了热采井套管的动态温度场，对热采井套管柱进行了力学分析与强度校核，提出了防止热采井套管因热应力破坏的预膨胀固井技术。

测试管柱力学分析

测试管柱力学分析的文献较少。梁政等对高温高压井测试管柱三维力学分析进行了初步探讨。高宝奎等认为高温高压井测试管柱已经处于塑型状态，提出了用塑型变形的增量理论来计算变形。于振东等用有限元法对测试管柱进行了力学分析。李子丰等根据地层测试作业过程，考虑井眼轨道、测试管柱的组成、井内流体的性能、管柱内外压强、管柱与井壁的摩擦系数、地温梯度、空气温度、油管温度、测试阀的类型、封隔器的类型、封隔器的活塞效应、管柱螺旋失稳效应等参数，建立了测试管柱在整个作业阶段的力学分析数学模型，并用差分法求解，给出沿整个管柱的拉力、扭矩、应力、安全系数、稳定性、伸长等参数。

压裂、注水、注汽管柱力学分析

李子丰等建立了井筒—地层温度场计算模型，分析了注汽管柱在井内的受力状态，导出了注汽和采油过程中注汽管柱内各种应力的计算公式，给出了注汽管柱的强度校核方法。建立了压裂的不同过程中管柱温度分布的数学模型；接着，介绍了管柱内和环空压力的计算方法；建立了下入过程的管柱力学分析的数学模型；针对不同类型的封隔器，分别建立了坐封过程管柱力学分析的数学模型；针对不同的压裂方法，分别建立了注入过程中管柱力学分析的数学模型，并考虑了伸缩短节的作用；建立了解封和起出过程中管柱力学分析的数学模型；给出了强度校核方法；用差分法进行求解后，编制了计算软件，得到了成功的应用。刘清友、刘巨保和练章华等也做了相关研究。

有杆泵抽油系统诊断、参数优选与节能

Gibbs S G首先建立了垂直井有杆泵抽油系统动态参数诊断技术和预测技术。在诊断技术中，用示功仪测量出光杆位移随时间的变化规律和光杆负荷随时间的变化规律两条曲线，并以此为边界条件，通过描述抽油杆柱纵向振动的波动方程计算出井下抽油杆泵的动态力学参数；建立了定向井有杆泵抽油系统诊断技术的数学模型。在预测技术中，根据电动机的负荷特性、有杆泵抽油系统的组成和已知的泵工况，来计算有杆泵抽油系统的力学参数。张少南等在国内开展了有杆泵抽油系统诊断工作后，又指导李子丰开展了有杆泵抽油系统动态参数预测技术和参数优选工作，提出的抽油机旋转平衡新设想—二次曲柄平衡法，近期被冯子明等实现。此后，国内在此方面的工作全面展开，代表性的学者有：余国安、张嗣伟、吴晓东、张琪、路懿、董世民、刘巨保、杨海滨、狄勤丰、刘合等；其中董世民一直专注有杆泵抽油系统参数优选与节能技术研究。

螺杆泵抽油杆柱力学分析

在螺杆泵抽油系统中，抽油杆旋转以驱动螺杆泵旋转，力学分析的主要目的是减磨损和减振。

采气管柱的振动

无论是气井的还是储气库的采气管柱，当气体流速较大时，都可能发生振动。目前，只知道是管内气体与管柱的自激振荡所致，还没有从力学和数学上模拟出该现象。

管柱的冲击震动

射孔弹爆炸、震击器起震，都会在管柱内引起冲击震动。这方面的研究较少，连作用于管柱上的冲击压强随时间变化规律和分布规律都没有搞清楚。

膨胀筛（套）管力学分析

当膨胀筛管的缝数为零时，膨胀筛管就退化为膨胀套管了。练章华等用有限元法进行了膨胀套管计算机仿真分析。李子丰等在具体分析膨胀筛管结构、安装及卸出过程的基础上，建立了膨胀筛管膨胀过程、收缩过程力学分析的数学模型，编写了计算软件，与室内和现场试验结果进行了对比。

隔水管柱力学分析

主要研究隔水管在重力、海流、波浪、钻柱等的作用下的横向振动、涡激振动、疲劳寿命等，是当前管柱力学研究的热点之一。研究方法一是数学模型加差分解法，二是有限元法。开始于隔水管顶张力计算和动力响应。代表性的学者有：陈国明、周守为、刘清友、姜伟、杨进、石晓兵、畅元江和李子丰。

振动波信号在管柱中的传播

用在钻柱内传播的振动波（现有的文献称为声波是不确切的，因为声波只包含耳朵能听到的频域）作为地面与井下通讯的信息载体，可能效果更好。由于钻柱是由钻杆单根靠接头连接在一起的，弹性波在接头的界面处出现透射、反射、散射，导致信号衰减和部分频率被阻的情况。很早就对这种技术进行了研究，但至今效果不理想。代表性的学者有：李成、管志川。

管柱的磨损、腐蚀和冲蚀

在管柱磨损中，研究者最关注的是套管的磨损，原因是套管磨损部位固定且一旦失效损失巨大；钻柱磨损一般是直径均匀磨损，少量偏磨的钻铤是可以换掉的；油管和抽油杆也有偏磨，但重要性比套管磨损低。套管磨损程度与承受的正压力、相互摩擦的两个表面的材质与光滑程度、井内液体性能、相互滑动距离、套管内径与钻杆直径等因素有关。其中钻柱与套管之间的正压力应该用管柱拉力-扭矩模型计算。在管柱的腐蚀中，主要关注套管的腐蚀和油管的腐蚀。腐蚀与材质、表面状况、流体化学性质、温度、压力、时间等因素有关，防腐措施则须具体情况具体处理。冲蚀是指流体中含有异相颗粒时，颗粒对管壁的刻蚀，与流体性质、流速、流态、颗粒材质、颗粒几何形状、管壁材质等因素有关。

管柱的剩余强度和疲劳强度预测

对受损套管的剩余强度研究较多，对磨损钻杆的剩余强度研究较少。对套管和油管的疲劳强度比较重视。预弯曲连续油管的疲劳寿命至少比直连续油管疲劳寿命高一倍。

其他

油气井杆管柱力学还可应用于血管介入医学中“血管—导管—导丝系统”的力学分析和安全性评估、微机械/纳米管的力学分析和建筑内穿线和换线作业的电缆、电线的力学分析。

展望

油气井杆管柱力学重点研究方向如下：

• 基于钻井液动力润滑作用的钻柱涡动理论与实验。
• 以钻头破岩为耦合条件的钻柱耦合振动。
• 高产气井采气管柱振动理论与实验。
• 减少杆管柱与井壁的摩擦的理论与技术。
• 隔水管柱防振与减磨理论与技术。
• 振动波信号在管柱内传播理论与技术。
• 热采井套管延长寿命理论与技术。
• 油气井杆管柱力学在血管介入医学的发展与应用。
• 油气井杆管柱力学在微机械/纳米管领域的发展与应用。

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