深井注水管柱力学研究课件.ppt

主要内容 课题背景、研究目的和意义、研究思路 主要研究内容、方法及成果 结论及建议 对于管柱底端接的坐封球座，管柱内与环空连通，可近似认为管柱内与环空内压力梯度不变。 管柱底端的波动压力 管柱内和环空内的总流量必定等于管柱下入井液中管材的体积。 管柱减速上端静止于井口，管柱下端作阻尼振动。井液向下回落，单向阀关闭，井液对管柱底端产生水击作用，在管柱内部形成一个瞬时的水击压差： 管柱底端为单向阀的水击压力分析 7.3 管柱最大允许下放速度的计算 管柱的最大下放速度是影响液动压力的主要因素。波动压力会导致封隔器、水力锚中途坐封，使封隔器密封胶筒磨损、损坏。 为避免提前坐封现象的发生，管柱入井时封隔器、水力锚处的波动压力小于或等于其坐封压差，通过控制管柱下放速度来控制波动压力。 封隔器、水力锚等的坐封压差 封隔器、水力锚处的静水压力 波动压力 8. 深井注入管柱流固耦合振动力学研究 由于流体压力、流体速度的波动，将引起注入管柱发生复杂的流固耦合振动，产生相当高的附加动载，改变管柱的轴向载荷分布，造成注入管柱的疲劳破坏。 图36 管柱内注入流体示意图 8.1 管柱的非线性流固耦合纵向振动 管柱纵向振动运动方程建立 图37 管柱流固耦合振动模型 取微元段 ，其应变量 管柱纵向振动频率方程建立 管柱上上端边界条件 系数行列式为零 管柱的纵向振动频率方程 管柱的横向弯曲振动方程的求解 系数行列式为零 振型 由具有正弦和余弦的对称和反对称的线性组合: 管柱横向弯曲振动的频率方程 管柱的横向弯曲振动的固有频率分析 管柱横向弯曲振动的频率方程 频率方程是无穷阶行列式，管柱系统具有无穷个自然固有频率 第一、二阶频率方程 管柱第一、二阶固有频率 不考虑哥利奥利斯惯性力的影响 空管柱，即在未注入液体时基本振型的固有频率 注入管柱注入时的横向振动频率除取决于管柱本身的力学特性外，还决定于管柱的轴向力，管柱内注入流体的流速、密度、压力及环空内的平衡压力。 注入管柱的轴向拉力使管柱的横向振动固有频率增加，轴向压力使管柱的横向振动固有频率减少。 随着管柱内注入流体流速的增大，管柱横向振动固有频率降低。当管柱内流体流速增大至某一值时，管柱的最低固有频率趋于零，管柱弯曲失稳定。 注入流体的流动速度不仅影响管柱的横向振动固有频率，而且对管柱的稳定性有较大影响，使管柱发生弯曲失稳。控制注入排量，消除管柱动力不稳定因素。 软件实现 图44 管柱设计工程流程图 图45 管柱校核工程流程图 3.2 管柱屈曲微分方程求解和后屈曲分析 管柱的正弦屈曲分析 管柱发生正弦屈曲构型 假设管柱发生正弦屈曲后其构型函数为 作为加权函数 ，取近似函数的变分 ，这时伽辽金法的残值方程为 管柱的螺旋屈曲分析 管柱发生螺旋屈曲构型 假设管柱螺旋屈曲后构型函数的渐近展开式为以下表达 式： 多尺度摄动法 3.3 管柱屈曲临界载荷分析 管柱发生初始正弦屈曲的临界载荷为 管柱发生初始螺旋屈曲的临界载荷为 ，注入管柱不发生屈曲； ，注入管柱发生正弦屈曲； ，注入管柱发生螺旋屈曲。 3.4 屈曲产生的附加接触压力 正弦屈曲 螺旋屈曲 综合考虑了井眼轨迹、管柱自重、井壁对管柱的摩擦力及管柱内、外流体压力、粘滞阻力作用及屈曲影响的注入管柱轴向载荷模型 注入管柱的轴向应力分析 轴向静应力 轴向动应力 屈曲 引起 拉压 引起 4.2 深井注入管柱强度校核 单轴强度校核 抗拉安全系数 抗内压安全系数 抗外挤安全系数 三轴应力校核 图19 典型材料拉伸实验的应力-应变曲线 5.2 深井注入管柱受力与变形的特点 在深井环境中，注入管柱通常受到上述几种效应的综合影响产生轴向变形。 随着井深增加，管柱受力和变形对温度、压力、流体密度、粘滞摩阻、管柱与井壁摩擦力等因素的敏感性增大。每一种因素对管柱轴向伸缩的影响，都远远大于浅井管柱相应的变形。 在深井环境下，注入管柱容易发生螺旋屈曲。螺旋屈曲引起管柱的轴向缩短，改变管柱管柱轴向力分布，同时产生的摩擦力也制约管柱的变形。 5.3 注入管柱不同工况下变形量计算模型 酸压管柱坐封前初始变形 管柱注入过程中的变形 管柱坐封过程中的变形 轴向动应变 流体与管柱内壁产生摩擦，摩擦使流体压力损失。根据流体力学中沿程水力摩阻的计算公式，可以得到流体单元的阻力压力损失: 6.2 井筒温度场的数学模型建立 摩擦产生的热量计算 根据能量守恒规律，这部分压能转化为热能