[發明專利]垂直井懸掛管柱螺旋屈曲臨界載荷的確定方法

有效

• 申請號: 201611029034.9
• 申請日: 2016-11-19
• 公開（公告）號: CN106503399B
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發明（設計）人: 張強;劉巨保;張立剛;劉昱良;蔣豹;王九亮
• 申請（專利權）人: 東北石油大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 哈爾濱東方專利事務所23118
• 代理人: 曹愛華

技術領域

本發明涉及石油鉆采工程技術領域中的垂直井懸掛管柱，具體涉及垂直井懸掛管柱螺旋屈曲臨界載荷的確定方法。

背景技術

井筒內管柱(例如鉆柱、套管柱、測試管柱、抽油桿管柱、連續管等)的屈曲對石油工程中的諸多方面(如鉆井、完井、測井、試井、壓裂、封堵、采油等)都有嚴重的影響。鉆柱的屈曲會引起鉆頭的偏斜，形成“狗腿”；油管的屈曲增加了套管和油管的磨損，增加了能耗。管柱經常處于屈曲狀態工作，嚴重的屈曲會引起管柱的破壞和管柱的鎖死，特別是隨著深井、超深井等鉆井技術的不斷深入，管柱屈曲已成為石油鉆采工程中的關鍵技術問題。

垂直井管柱屈曲的臨界載荷分析是其中的一個重要問題。1950年，Lubinsk首先研究了鉆柱在垂直井筒中的穩定性，導出了鉆柱在垂直平面內的彎曲方程，并給出了該方程的級數解。在兩端鉸支約束邊界條件下，采用梁柱模型，無量綱長度取8，給出了鉆柱在垂直平面內發生失穩彎曲的臨界載荷計算方法。Lubinski(1957)等人提出了管柱發生空間螺旋彎曲的概念。1962年，Lubinski最早提出了垂直井中管柱空間屈曲等螺距的計算方法，假定屈曲成空間螺旋線，利用能量法推導了螺距和軸向壓力的關系式。他在提出這個方法時，就已經指明，實際管柱受壓段空間螺旋屈曲構型是一個不等距螺旋線。

Mitchell(1988)研究了螺旋屈曲，證明了Lubinski的螺旋屈曲模型只是一個近似結果。Mitchell的結果表明，接近中和點位置處，因為管柱可能不與井筒接觸，Lubinski螺距和軸向壓力的關系式是無效的。Kwon(1988)采用非等螺距假設，對受自重作用下垂直管柱的螺旋屈曲進行了分析。利用虛功原理，通過解廣義四階非線性梁方程，得到螺距計算的解析式。章揚烈(1985)對有重鉆柱的空間螺旋屈曲問題進行了分析，用能量法計算了不等螺距的計算式。吳疆(1992)，高國華(1996)，高德利(2006)等研究者，采用理論計算，也得到垂直井有重管柱螺旋屈曲螺距的不同公式。Hajianmaleki(2014)利用ABAQUS有限元軟件，對垂直井有重管柱的螺旋屈曲進行了計算。

以上研究者確定的管柱螺旋屈曲公式普遍是基于形成等螺距或不等螺距假設推導而出的，沒有考慮約束邊界條件的影響。然而，垂直井管柱在井筒內除了受到井筒的約束外，上下兩端還存在約束邊界條件；而且目前普遍研究的是中和點以下的屈曲問題，沒有考慮中和點以上受拉段對屈曲的影響。特別是真實且普遍存在的井筒內懸掛管柱，上端懸掛受拉，下端受壓的螺旋屈曲問題，自從1950年Lubinsk首先研究鉆柱在垂直井筒中的穩定性以來，60多年過去了，至今還未被解決，制約著石油鉆采管柱的工程技術應用水平。高德利院士(2015)展望了懸掛管柱螺旋屈曲問題的研究方法，提出了上端懸掛段采用梁柱模型，下端連續接觸段采用微分方程的研究設想。然而，懸掛段與接觸段的分界點在哪里，存在較大的技術難度，也沒有付諸實施的相關報道。

目前，管柱螺旋屈曲臨界載荷的確定方法的存在如下問題：(1)雖然人們認識到管柱發生螺旋屈曲至少要形成一個完整的螺旋，但是不同研究者們確定管柱螺旋屈曲螺旋段的無量綱長度存在明顯差異，例如章揚烈(1985)為4.46、吳疆(1992)為5.55、高國華(1996)為5.816、高德利(2006)為5.62和Hajianmaleki(2014)為5.25。(2)研究者們根據接觸螺旋段自身長度的自重，定義為管柱螺旋屈曲的臨界載荷。這種方法沒有考慮實際懸掛管柱上下兩端的約束邊界條件以及懸掛受拉段管柱長度對螺旋屈曲的影響，因此，確定的管柱螺旋屈曲臨界載荷是不合理的。

發明內容

本發明的一個目的是提供垂直井懸掛管柱螺旋屈曲臨界載荷的確定方法，這種垂直井懸掛管柱螺旋屈曲臨界載荷的確定方法用于解決目前管柱螺旋屈曲臨界載荷的確定方法沒有考慮實際懸掛管柱上下兩端的約束邊界條件以及懸掛受拉段管柱長度對螺旋屈曲的影響的問題。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：這種垂直井懸掛管柱螺旋屈曲臨界載荷的確定方法：

步驟一、懸掛管柱參數初始化：

利用懸掛管柱參數，根據管柱密度和管柱內外液體的密度，求得管柱單位長度的載荷q為：

將管柱長度無量綱化，可得管柱無量綱總長度ξ_L為：