直井和曲井內(nèi)管柱非線性穩(wěn)定性分析.pdf

1、近年來發(fā)展起來的大位移井技術(shù)中經(jīng)常采用柔性管柱進(jìn)行作業(yè)，管柱是否穩(wěn)定直接關(guān)系到鉆井的成敗。因此現(xiàn)代石油鉆采工程要求能夠?qū)苤那袨橛幸粋€較為準(zhǔn)確的了解，以此來優(yōu)化鉆井設(shè)計，降低鉆探成本。到目前為止，分析井中管柱屈曲問題的理論和方法尚不完善，所以很有必要對受徑向約束管柱的屈曲問題進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。
　　 本文先給出了井內(nèi)管柱屈曲問題的研究現(xiàn)況，在深入了解和總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上給出了本文的研究內(nèi)容。然后，從空間彎扭桿的一般

2、理論出發(fā)，通過引入井壁約束條件，推導(dǎo)出了三維井內(nèi)受徑向約束管柱的穩(wěn)定平衡微分方程，經(jīng)過退化得到了鉛垂平面內(nèi)曲井和直井中受徑向約束管柱屈曲的平衡方程。
　　 基于微分求積單元法和Newton-Raphson 迭代法，構(gòu)建了微分求積單元增量迭代法來求解受徑向約束管柱的非線性屈曲問題。建立了微分求積直梁和曲梁單元，同時，給出了集成結(jié)構(gòu)的微分求積方程的方法。提出了一種與以往不同的計算初值選取的方法，實踐表明該方法減少了計算量，并提高了計

3、算效率。
　　 所給出的基于微分求積單元法的計算策略和算法，拓展了微分求積單元法在工程中的應(yīng)用范圍。
　　 編寫了分析直井和曲井中管柱的線性和非線性屈曲問題的FORTRAN 程序。研究了多個不同的算例，通過將計算結(jié)果與現(xiàn)有的有限元結(jié)果和試驗結(jié)果的比較驗證了所提出的算法和求解過程的正確性。通過數(shù)值計算和分析，著重考察了管柱的長度、重力線密度、井斜角、井眼曲率和軸向摩擦系數(shù)等對管柱屈曲載荷的影響規(guī)律，給出了一些有工程參考意義

4、的結(jié)果。通過將本文的計算結(jié)果與前人實驗研究結(jié)果的對比分析給出了井中管柱正弦屈曲和螺旋屈曲的定義和對應(yīng)屈曲載荷的求解方法，正弦屈曲載荷可以通過求解管柱屈曲線性特征值問題得到的最低階特征值得到，管柱的螺旋屈曲臨界載荷可通過求解管柱屈曲非線性準(zhǔn)靜態(tài)加載問題得到，管柱首次出現(xiàn)脫離井壁（井壁約束力出現(xiàn)小于零）時的載荷即為螺旋屈曲臨界載荷。
　　 論文最后是全文的總結(jié)和展望，總結(jié)了全文的研究工作，指出了有創(chuàng)新意義的研究成果，并指出了需要進(jìn)一