井下管柱力学与控制方法若干研究进展

高德利 黄文君

中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室,北京 102249

1 引言

“井”是人类勘探开发地球中矿产资源不可或缺的信息和物质通道,所谓“油气井”,就是专门用来勘探开发地下油气资源的“井”.油气井工程,就是围绕油气井的建设(钻井与完井,简称“钻完井”)、测量、使用与维护及增产改造等而实施的知识、技术和资金密集型工程.它不仅是贯穿于油气资源勘探开发全过程的基本工程,而且对于地热、地下水及其他矿产资源的勘探开发,以及管道穿越、地球科学钻探等工程都具有重要的实际意义.在油气井工程中,井下管柱是不可或缺的入井工具(图1),是主观控制因素,主要包括钻柱、套管柱、测试管柱、生产管柱及连续管、膨胀管等,其力学行为十分复杂,很难从一般的力学知识中直接找到答案,必须结合实际的工程约束条件进行专门研究(高德利 2006,2018).井眼约束作用是井下管柱力学的本质特征,这也是井下管柱力学理论与细长梁柱理论的主要区别之处.

井下管柱力学最早可追溯到20 世纪五十年代Lubinski (1950)关于直井中钻柱屈曲问题的研究.自此之后,许多学者针对油气井工程中各类管柱力学问题开展了大量研究,并形成了一系列设计方法和控制技术.这些研究工作大致包括:井下管柱屈曲与后屈曲理论、井下管柱摩阻扭矩预测理论、井下管柱安全作业极限理论、底部钻具组合(bottomhole assembly,BHA)力学特性、完井管柱力学、深水管柱力学等,以及相应……