测试方面的力学分析与应用

关于测试方面的力学分析与应用第1页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三一，概述

力学作为最基础的学科被所有的工程技术领域广泛的应用，作为采油测试工作者，了解和掌握一定的力学知识，清楚试井钢丝（电缆）以及测试工具、仪器在井筒中的受力情况，对提高测试工作精度，测试深度的校核，减少测试事故，提高测试投捞成功率和测试掉卡落物的打捞成功率具有可靠的理论指导意义。第2页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1、试井钢丝（电缆）受力分析与应用

试井钢丝（电缆）在测试起下过程当中，受到力的种类繁多，有井口防喷管堵头密封盘根对钢丝产生的摩擦力、井口压力对钢丝产生的上顶力、试井钢丝自身的弹力、井下液体对试井钢丝的浮力，绞车、仪器对其产生的拉应力等等，下面就试井钢丝（电缆）在测试过程当中，受到的各种力进行逐个的分析。第3页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.1绞车和仪器对钢丝（电缆）产生的拉应力

试井钢丝（电缆）在井筒的正常起下工程中始终受到仪器和绞车对其的拉应力，应力的大小与仪器的重量、起下速度的快慢和井的深度、斜度有关。注水层注水层注水层第4页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三注水层注水层注水层1.1绞车和仪器对钢丝（电缆）产生的拉应力

钢丝在仪器的拉应力下，钢丝在井筒内始终能够保持相对直线状态（只要仪器的重量大于钢丝自身的弹力），钢丝所受的拉应力是自下而上逐渐增加的，增加数量即是井下钢丝的自身重量（摩擦力不计）。第5页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三

试井钢丝基本上属于低碳钢，从低碳钢的拉伸试验图上可以看出低碳钢具有4种性质阶段：弹性阶段、屈服强化阶段、局部变形（断裂）阶段。1.1绞车和仪器对钢丝（电缆）产生的拉应力注水层注水层注水层第6页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.1.1弹性阶段钢丝的应力与应变成正比弹性阶段服从虎克定律：其弹性伸长量计算公式：△L=NL/EA式中△L——钢丝变形量N——应力L——钢丝长度E——弹性模量A——钢丝截面积第7页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.1.1弹性阶段钢丝的应力与应变成正比

正常情况下，测试遇卡后，钢丝都能从绳帽处拉脱，因为钢丝绳帽圆环是受的剪应力，其应力一般低于钢丝被拉断时拉应力的一半左右。之所以出现钢丝从地面拉断的问题，一是因为定向井斜度大，拐点多，对钢丝产生的摩擦力大（下文专门介绍），二是因为操作问题造成测试仪器、工具顶钻套住钢丝造成钢丝的拉应力传不到绳帽圆环处，形不成剪应力。这是测试工作者必须要随时注意到的。第8页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.1.2屈服强化阶段：发生塑性变形，钢丝伸长、直径变细阶段，在测试工作当中，当钢丝承受大的拉应力以后，钢丝明显伸长，通过计算比较困难，但通过实际观察数据得到，伸长量可达2‰以上，这也正是我们正常测试当中经常遇到的钢丝使用几个月以后直径明显变细了，而且变得越来越脆了的直接原因。

1.1绞车和仪器对钢丝（电缆）产生的拉应力第9页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.1绞车和仪器对钢丝（电缆）产生的拉应力低碳钢材料的拉伸试验图第10页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三

当钢丝拉应力达到极限后，钢丝的薄弱位置或受拉应力最大的位置某一点，形成缩径，并瞬间从缩径处断裂，这是测试工作中常遇到的。

其缩径断裂点一般绞车至测试车窗口滑轮之间，因为此处受到的拉应力最大（原因分析）。1.1绞车和仪器对钢丝（电缆）产生的拉应力1.1.3局部变形（断裂）阶段：第11页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三

电缆则不同，由于其自身结构原因，其钢丝受拉应力同时还承受剪应力，计算方法非常复杂，在此不做介绍。

1.1绞车和仪器对钢丝（电缆）产生的拉应力第12页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.2井口密封盘根对试井钢丝的摩擦力

试井钢丝在测试起下过程当中，受到井口防喷管堵头密封盘根的摩擦力与密封盘根的材质、井口压力、试井钢丝表面的粗慥度有关，单纯的计算其摩擦力难度较大，只有通过能顺利下行时测试仪器的重量来计算。M＝G＋P（A＋X）－F式中：M——盘根摩擦力G——仪器重量P——井口压力A——钢丝的截面积F——仪器在流体中的浮力X——压力比值(备注：一般取5N/MPa)其计算公式：

从式中可以得到为了正常测试中起下顺利，我们只能通过仪器佩重、优选密封盘根材质来达到目的。第13页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.3井筒对试井钢丝的摩擦力

钢丝与井筒内壁产生的摩擦力大小与井筒的轨迹有关，垂直井的井筒内壁不应该对钢丝产生摩擦力，但实际中几乎所有的井筒在空间方位上均存在一定的位移，是一条空间状态下的曲线形轨迹（见井筒轨迹图），有些甚至是空间螺旋曲线状态的，所以井下的钢丝总有大段长度的紧贴管柱内壁。第14页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.3井筒对试井钢丝的摩擦力

从宏观上来分析，钢丝和管柱内壁是线性接触，由于钢与钢的摩擦系数很低，其摩擦力虽然很难计算，但其摩擦力应当很小，但实际当中，井筒都附着有结垢物（氧化物），我们知道氧化物的硬度要远远低于钢丝，因此钢丝与管柱内壁由线接触改为面接触，另外其摩擦系数也成几何级数增加。第15页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.3井筒对试井钢丝的摩擦力

摩擦力的大小与钢丝的直径、表面粗糙度、氧化物的物理性质、管柱轨迹的弯曲度大小有关，若想通过准确的计算很难实现，只能通过现场实验得出。钢丝直钢丝直径mm绳帽拉脱应绳帽拉脱应力KN钢丝拉断应钢丝拉断应力KNø2.448ø2.23.56.5地面试验的数据表第16页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.3井筒对试井钢丝的摩擦力

通过拉伸实验得出。许多井远大于4KN，现场当中Φ2.4mm钢丝（其极限拉力达8KN以上）却常常出现从地面被拉断的情况，而低于拉应力一半的受剪应力的绳帽圆环无法被拉断，足以说明井筒对钢丝的摩擦力大于4KN。所以针对此类井，测试当中应采取相应的对策来减小磨檫力个个个个个个个避免测试掉卡，提高测试成功率。第17页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.4试井钢丝的弹力（收缩）

由于钢丝生产工艺是在盘圆状态下淬火的，所以其自身的螺旋弹力是无法消除的。第18页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.4试井钢丝的弹力（收缩）

当测试工具、仪器拉动钢丝下到井底或支撑在井下工具上后，钢丝在自身作用下克服堵头盘根摩擦力、上顶力下行，其轨迹形态应当是由井口呈垂直对中向下存在一条直线段。

拉应力为零以上钢丝形状第19页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.4试井钢丝的弹力（收缩）

此段钢丝产生的重力大致和堵头盘根对钢丝产生的摩擦力、井口压力对钢丝产生的上顶力相等，此段钢丝受拉应力，拉应力由上而下逐渐减少，至刚接触油管内壁处的钢丝所受拉应力为零。

拉应力为零处钢丝形状第20页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.4试井钢丝的弹力（收缩）

以下的钢丝呈螺旋状紧贴油管内壁，其自身重量在钢丝自身弹力的作用下全部支撑在管柱内壁上。

拉应力为零以下钢丝形状第21页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.4试井钢丝的弹力（收缩）

因此得出钢丝在井下的收缩长度与弹力、丝径、堵头盘根的摩擦力、井口的压力有关，要精确计算出其收缩量很难实现，实际工作中我们可以通过井口压力和盘根的摩擦力以及钢丝的直径与新旧程度来凭经验估算。第22页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.4试井钢丝的弹力（收缩）

电缆则不同，由于其自身弹力不足以将自身的重量支撑在管柱内壁上，所以电缆螺旋状的螺距由上而下依次缩短，此段钢丝受压应力，压应力由下而上逐渐减少，至直线段时的电缆所受拉压应力均为零。

拉应力为零以下电缆形状第23页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.4试井钢丝的弹力（收缩）

上面的直线段电缆受拉应力，拉应力由下而上逐渐增大，其长度产生的重力大致和密封器对其产生的阻力以及井口压力对其产生的上顶力相等。其在井下的收缩量的估算与钢丝相同。

拉应力为零处电缆形状第24页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.5试井钢丝井下液体中的浮力和重力

钢丝在井筒中的浮力计算，其计算方式：

F＝πD2Lρ液/4钢丝的自重计算，其计算方式：

G＝πD2Lρ/4（ρ－ρ液）

第25页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.6试井钢丝的受力变化情况

由此可见，钢丝的受力情况非常复杂，有仪器、铰车的拉应力、盘根的摩擦力、液体的上顶力、管壁的摩擦力、压应力、滑轮的压应力，以及剪应力等。第26页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.6试井钢丝的受力变化情况

在测试当中不同的情况下，钢丝所受的主应力不同：钢丝正常下井中仪器对钢丝的拉应力最大；

仪器上起中铰车对钢丝的拉应力最大；

井下遇卡后铰车对绳帽的剪应力最大；

第27页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.6试井钢丝的受力变化情况

井筒轨迹复杂井壁大于绳帽的剪应力后，铰车对钢丝的拉应力为最大值，大于钢丝的断裂应力，往往造成钢丝被从地面拉断。第28页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.7试井钢丝深度校核

通过以上对钢丝的受力分析后，钢丝的深度校核，就比较容易，在正常测试工作中，如分层调配水嘴、分注井分层流量测试、压力、温度、井下高压物性等等，铰车工往往都是通过探井底深度或座在各级偏心配水器上以及指深仪表的深度数据来直接作为测试数据，这种方法误差很大。第29页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.7.1指深仪表的误差数据必须清楚

此计量方式的误差原因主要有两个方面：一是量轮摩擦后周长减小，造成计量长度大于钢丝实际长度。二是钢丝受大负荷拉应力作用后，丝径变小，造成计量长度大于钢丝实际长度。

目前国内试井绞车钢丝（电缆）的计量方法，基本都是钢丝缠绕量轮，通过带动量轮旋转的方法来计量钢丝（电缆）的长度。第30页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.7.1指深仪表的误差数据必须清楚

作为测试工作者要想清楚铰车的计量误差，除了要清楚钢丝的计量原理，还要勤于细心观察和了解钢丝的实际收缩量，尤其是专业铰车工，对自己操作的铰车的计量误差率必须清楚（每千米钢丝计量轮的计量误差），做到心中有数，减少测试误差，避免操作失误。另外我们必须清楚不同的铰车误差率不同。第31页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.7.2根据钢丝张力计算钢丝测试实际深度：

通过以上的钢丝受力分析，我们完全可以通过计算来了解钢丝的实际深度数据。

钢丝的计量深度+仪器自重+堵头盘根的摩擦力+井口压力上顶力-钢丝浮力-仪器浮力-量轮误差值（深度×误差率）=地面钢丝的张力第32页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.7.2根据钢丝张力计算钢丝测试实际深度：

由于钢丝发生弹性变形的拉应力较大，实际工作中我们只要取正常起下时地面钢丝的张力-量轮的误差值即可。如某井油层中深2350米，绞车误差3‰，那么测压绞车指深仪表的数据就应是：2350+2350×3‰=2357米。第33页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.7.3利用井下参照物校对深度数据：

在测试中，井下可用来参照的参照物有井底、分层注水（采油）井的配水（产）器，由于井底易沉淀砂垢等杂质，实际深度不能作为参照深度，分层测试调配投捞中的配水（产）器作为参照物是可靠的。第34页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.7.3利用井下参照物校对深度数据：

因为作业管柱深度数据是通过实际丈量出来的，但不排除有管柱下错的问题，所以我们在测试当中首先要对作业管柱数据进行校核。其校核方法主要是通过测试投捞时地面钢丝的张力和绞车的误差率来校对。第35页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.7.3利用井下参照物校对

深度数据：

投捞工具下过配水器后，上提打开投捞器，过配水器5—10米后，停车下放，下放前记清楚地面钢丝的张力，投捞器坐入配水器后，支撑在配水器中，钢丝收缩产生一定的收缩量，地面钢丝张力为零。

投捞器支撑在配水器上钢丝的形状第36页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.7.3利用井下参照物

校对深度数据：

上提钢丝，张力逐渐增加，当张力增至下放前钢丝张力时，记住此时钢丝计量深度X，那么X—X×误差率即为配水器的实际深度数据，通过同样方法对各级配水器的实际深度进行校核，得出真实的井下作业管柱数据。

张力相等时钢丝形状

上提钢丝时形状第37页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三1.7.3利用井下参照物校对深度数据：

总之通过以上受力分析，把各种受力因素考虑全面，测试深度校核误差应当可以控制在2米以内，对提高测试资料精度，避免分层测试调配工作中的投捞和分层流量停测层位错误，具有可靠的理论指导意义。达到提高分层测试调配工效的目的。第38页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三2.测试工具、仪器受力分析与应用

测试工具、仪器受力在井筒中的受力的种类主要有井筒内壁对测试工具、仪器产生的摩擦力、油管接箍对测试工具、仪器产生的震动力、井筒内的液体对测试工具、仪器产生的浮力、井筒内的液体对测试工具、仪器产生的粘滞阻力，下面就测试工具、仪器测试在井下受到的各种力进行逐个的分析。第39页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三2.1井筒内壁对测试工具、仪器产生的摩擦力

测试工具、仪器与井筒内壁产生的摩擦力大小与井筒的轨迹有关，从理论上讲，垂直井的井筒内壁不应该对测试工具、仪器产生摩擦力，但实际中几乎所有的井筒在空间方位上均存在一定的位移，是一条空间状态下的曲线形轨迹（见井筒轨迹图）。

第40页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三第41页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三2.2油管接箍对测试工具、仪器产生的震动力

测试工具、仪器在井筒下行过程中，受自身重力作用，测试工具、仪器在井筒井筒中都是贴着管壁下行的，因此测试工具、仪器每过一个油管接箍，都将发生一次震动，因此测试工具、仪器在井筒下行过程当中始终受到震动力的影响，其大小与井筒的轨迹度数大小和测试工具、仪器的重量有关，由于比较复杂，在此不做介绍。注水层注水层注水层第42页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三2.2油管接箍对测试工具、仪器产生的震动力

震动力是造成测试工具、仪器性能不稳定、退扣、销钉松动的主要因素。因此，下井测试工具、仪器必须认真检查，其耐震性能、各部位丝扣必须完好。注水层注水层注水层第43页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三2.3井筒内的流体对测试工具、仪器

产生的浮力和重力

测试工具、仪器在井筒起下过程中，始终受到井筒内的流体对其产生的浮力的作用，其大小与井筒内流体的密度大小和测试工具、仪器的体积大小有关。计算方式：浮力计算方式：F＝体积×ρ液重力计算方式：G＝体积×（ρ液－ρ液）第44页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三2.4井筒内的流体对测试工具、仪器

产生的粘滞阻力

测试工具、仪器在井筒起下过程中，始终受到井筒内的流体对其产生的粘滞阻力的作用，其大小与井筒内流体的粘度大小和测试工具、仪器的截面积的大小有关。井筒内壁面附着的原油、稠化的聚合物以及井筒中的死油盖、稠化的聚合物段塞段等等都会引起测试遇阻。第45页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三2.5测试工具、仪器上下的压差对测试工具、仪器产生的阻力

测试工具、仪器在井筒起下过程中，其上下均产生一定的压差，只不过是井别不同，方向和大小不同，注入井阻力始终向下；产出井阻力始终向上，其大小与井筒内流体流速的高低、粘度的大小和测试工具、仪器的截面积的大小有关，其计算方式难度很大，可用根据张力仪表的指重减去钢丝和仪器重量的近似方法来计算。

第46页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三2.5测试工具、仪器上下的压差对

测试工具、仪器产生的阻力

测试工具、仪器在井筒起下过程中，其上下均产生压差，压差的计算，对测试工作极为重要，关系的仪器的配重、测试操作的方式、工艺方式的正确选择，所以在测试工作当中要慎之又慎。第47页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三

如自喷井测试前，必须先清蜡，尽量选用小直径的仪器，配重尽可能大，在测试内容允许的情况下，要适当控制产出液量来降低井筒中液体对测试仪器的上顶力，测试操作当中随时观察钢丝的张力变化，张力一旦急剧下降，必须立即通知中间岗迅速往上拉钢丝，防止发生顶钻事故；2.5测试工具、仪器上下的压差对

测试工具、仪器产生的阻力

第48页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三2.5测试工具、仪器上下的压差对测试工具、仪器产生的阻力

目前，各油田偏心分注井验封，多采用密封段上下各接一支压力计的方式来进行验封工作，在验封开关压力时，中间岗必须拉住钢丝，防止层间压差过大的分注井顶钻套住钢丝，造成测试掉卡的事故；第49页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三2.5测试工具、仪器上下的压差对测试工具、仪器产生的阻力

高压注气井测试，仪器尽量选用小直径的仪器，在测试内容允许的情况下，要适当控制注入量来降低井筒中气体对测试仪器的冲击力，测试操作当中随时观察钢丝的张力变化，上起仪器一定要平稳，防止钢丝绳帽拉脱发生测试掉卡事故。第50页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三2.6测试工具、仪器重心对测试

工具、仪器在井筒中的运动规律

产生的影响

测试工具、仪器的重心一般都不与测试工具、仪器的中心轴心重合，受仪器重力的影响，仪器在井筒起下过程中，其重心偏移的一侧与井筒内壁接触摩擦的几率要远远大于另一侧。（观察投捞器）第51页，讲稿共59页，2023年5月2日，星期三2.6测试工具、仪器重心对测试工具、仪器在井筒中的运动规律产生的影响

如偏心分层注水测试调配工作用的投捞器，其重