井下管柱屈曲行为的理论与实验研究

井下管柱是下井管柱及各种井下接头、工具、阀件的总称，是井下作业的主要承载和动力传递构件。作为一种特殊的机械构件，管柱在一定的应力水平下变形；若应力或变形过大，会导致管柱破坏、封隔器失效控制头上移等作业事故。作业过程中管柱的屈曲既影响其本身的受力与变形，又使井下作业难度加大。为此，本论文以井下管柱为研究对象，用理论和实验的手段研究了管柱在三维弯曲井眼中的屈曲行为，揭示了井下管柱（正弦、螺旋弯曲及自锁）的临界载荷及弯曲管柱与井（管）壁之间的正压力、摩擦力的分布规律。在此基础上，推导出了井下管柱载荷、应力、变形计算方法，为井下管柱的合理设计、生产参数的合理选择提供了依据。 综合考虑影响井下管柱屈曲行为的主要因素：（1）外载，（2）管柱自身的几何、物理特性参数，（3）井身结构参数，（4）作业参数，（5）油藏参数等，分别用经典的微元体分析法和能量法导出了描述管柱在三维弯曲井眼中屈曲变形规律和载荷分布规律的一般性力学方程，并对其进行了无因次化。影响管柱受力与变形的因素都集中反映在α，β，γ1，γ2和γ3等五个无因次参数上。通过分析这五个无因次参数的变化对方程解的影响规律，系统分析了上述几何、物理、载荷等因素对管柱在三维弯曲井眼中屈曲行为的影响。 应用泛函分析方法求解上述管柱屈曲方程，得到了其所对应的三个不同状态的解、临界屈曲载荷和弯曲管柱与井壁的接触正压力，分析表明弯曲井下管柱与井壁之间的库仑摩擦力对管柱在井下的屈曲行为及轴力分布有很大影响。由于库仑摩擦力的存在，井口松弛力不仅不能全部传到井底；而且，当井口松弛力超过某一临界值后，受井眼约束的螺旋弯曲管柱将“自锁”于井中。 在准确认识井下管柱屈曲行为的基础上，进行了井下管柱载荷、应力和变形分析与计算。在实际计算时，因管柱上有台阶（如复合管柱的变扣接头），还带有封隔器、测试阀等井下工具，因此，首先分析了封隔器和测试阀处的边界条件和变截面处的连续性条件，并进行合理的算法设计。 在室内模拟试验台架上测定了管柱发生正弦屈曲和螺旋屈曲时的临界载荷、管柱在不同平衡状态下（稳定状态，正弦屈曲状态和螺旋屈曲状态）的库仑摩擦阻力和“钻压”传递效率及不同平衡状态下管柱轴向位移和轴向力之间的关系。验证了本文有关井下管柱屈曲行为理论研究和井下管柱受力与变形计算方法的合理性。 利用井下管柱载荷测试器在克拉玛依油田进行了6井次管柱载荷现场实验研究，实测到作业过程中管柱在井下的载荷曲线，并与理论计算结果进行了对比。理论计算值与实测值的相对误差小于10％。由此可以认为：由本文得到的井下管柱屈曲行为理论分析和井下管柱载荷分析符合实际，满足工程精度要求。