[发明专利]一种超静定结构的受力特性分析方法

说明书

一种超静定结构的受力特性分析方法，将封隔器坐封后的四封隔器管柱简化，管柱被四个固定端固定，每个固定端能提供三个反力，但是通常井中的管柱只承受轴向力，因此每个固定端只提供水平反力，从而此结构简化为3次超静定结构，如果去掉超静定结构中的三个多余约束，成为力法的基本结构；若去掉多余约束后在其相应位置代之以多余未知力X1、X2和X3，可以得到含有多余未知力的静定结构，求解后各封隔器管柱段轴向力和轴向变形的目的，本发明克服了传统分析方法中分段逐段求解各封隔器之间约束的局限性，可同时计算封隔器之间的每段管柱轴向力，所建立模型更符合多封隔器管柱坐封后的实际受力情况，计算结果也更精确。

技术领域

本发明涉及油气井开采技术领域，特别涉及一种超静定结构的受力特性分析方法。

背景技术

油气井开采过程中，为提高油气采收率，增大储层接触面积，常采用直井分层和水平井分段技术。为实现这两项技术，需要采用多封隔器(即多于三个封隔器)。封隔器的作用为定位和密封，从力学角度来说，多封隔器的存在引入了多余约束的问题，即原来的油井管结构变成了超静定结构。

从上世纪60年代开始至今，有很多国内外专家学者对油气井管柱力学进行了研究。1980年，Hammerlindl以双封隔器单一管柱为例，分析了管柱在四种基本效应下的轴向力及变形；1993年，冯建华等人建立了双封隔器复合管柱的轴向力计算模型，并介绍了封隔器受力及其承受压差的计算方法；2014年，吕占国分析了压裂过程中水平井多封隔器管柱的残余轴向力及强度安全性；2015年，练章华等人建立了多封隔器坐封等三种工况下的水平井压裂管柱力学计算模型，并对多级压裂管柱进行了安全性评价；2016年，张智等人建立了四种基本效应下的多封隔器复合管柱受力及变形计算模型；2017年，胡志强等人建立了双封隔器密闭环空压力预测模型，对不同工况下的封隔器管柱进行了安全校核。

现有的技术缺陷在于双封隔器结构中没有考虑超静定的约束条件，仅建立静力平衡方程进行求解，而多封隔器结构从变形协调条件建立超静定结构的变形方程，分段逐段计算管柱的受力和变形。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超静定结构的受力特性分析方法，具有精确计算各封隔器管柱段轴向力和轴向变形的目的，特点在于充分考虑了前一个封隔器的坐封状态对后一个封隔器的影响，可同时计算封隔器间每段管柱的轴向力，而不是像传统的计算公式分段逐段进行计算管柱的受力和变形。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超静定结构的受力特性分析方法，包括以下步骤；

步骤一：模型简化；

封隔器坐封后的四封隔器管柱简化，管柱被四个固定端固定，其中从左往右第一个固定端为封隔器1对管柱的固定约束，第二个固定端为封隔器2对管柱的固定约束，第三个固定端为封隔器3对管柱的固定约束，第四个固定端为封隔器4对管柱的固定约束；

步骤二：超静定次数的判定；

每个固定端能提供水平X方向、竖直Y方向和弯矩M三个反力，由以上简化模型可知此结构为9次超静定结构，但是通常井中的管柱只承受轴向力，因此每个固定端只提供X方向的水平反力，从而此结构简化为3次超静定结构，其中三个多余约束分别为封隔器2对管柱的轴向约束、封隔器3对管柱的轴向约束以及封隔器4对管柱的轴向约束；

如果去掉超静定结构中的三个多余约束，则原结构变为静定结构，成为力法的基本结构；若去掉多余约束后在其相应位置代之以多余未知力X1、X2和X3，可以得到含有多余未知力的静定结构，此静定结构称为力法的基本体系；

步骤三：基本方程；