[发明专利]一种孔道内管柱柔性居中的单环结构与设计方法

说明书

本发明涉及石油行业的钻完井、采油、储运，以及管道行业等技术领域，公开了一种孔道内管柱柔性居中的单环结构与设计方法，所述单环结构包括：柔性单环；两个穿轴孔，对称设置在所述柔性单环上，两个穿轴孔的中心线通过柔性单环的中心，形成一个关于穿轴孔中心线的轴对称结构；所述柔性单环为具有弹性、大变形能力的柔性结构，所述柔性单环自动适应圆形孔道内直径最大的中心位置，这种孔道内管柱柔性居中的单环结构与设计方法，有效稳定管柱运动状态，抑制管柱振动位移，保障即使在孔道局部不规则条件下的管柱通过性。

技术领域

本发明涉及石油行业的钻完井、采油、储运，以及管道行业等技术领域，特别涉及一种孔道内管柱柔性居中的单环结构与设计方法。

背景技术

管柱在孔道内的居中一直是个难题，尤其是对居中度要求很高的结构体系，例如居中度达到98％以上。还有，管柱居中结构对于孔道的环空通流也是一种阻滞因素。柔性居中对于圆形孔道内管柱的技术要求很多，比如石油套管固井在裸眼井内居中度要求，石油采油的油管内抽油杆居中要求，石油钻杆钻铤在在裸眼井内居中度要求，以及管道内爬行器的居中度要求，类似工况居中度要求等等，都决定了相关的后续工艺实施难度和开发水平，是一种很多行业的工程实施的技术基础。

管柱居中的技术和方法有很多：例如抽油杆的扶正器，套管刚性、弹性扶正器，钻杆刚性扶正器，以及管内居中爬行器等等，方法主要涉及到欠尺寸的刚性扶正或弹性扶正的方法。正是因为孔道内欠尺寸的扶正，所以无法保证管柱的居中度，进而在后续工作中出现不稳定的混沌运动，不到位的作业效果，不理想的轨迹控制，以及不可控的风险因素等。另外，刚性扶正器往往是孔道内卡阻的一个重要风险因素。

本发明方法是一种孔道满眼尺寸的超弹性结构的居中方法，应用柔性形变的扶正载荷来保障管柱在孔道内的居中度，进而提高管柱的结构稳定性，控制管柱的运动稳定性，把握管柱运行的轨迹线，改善管柱作业效果和降低工艺实施风险。

发明内容

本发明提供一种孔道内管柱柔性居中的单环结构与设计方法，可以解决现有技术中的上述问题。

本发明提供了一种孔道内管柱柔性居中的单环结构，包括：柔性单环：有两个穿轴孔对称设置在所述柔性单环上，两个穿轴孔的中心线通过柔性单环的中心，形成一个关于穿轴孔中心线的轴对称结构；

当所述的两个穿轴孔直径大于或等于所述柔性单环宽度，则柔性单环自动会分解成为两个对称的半环组合；

所述柔性单环为具有弹性、大变形能力的柔性结构，所述柔性单环自动适应圆形孔道内直径最大的中心位置。

上述柔性单环为一个单环或者多个单环的并联或串联组合而成。

上述穿轴孔的直径与管柱的直径相匹配。

上述柔性单环压缩变形后具有柔性居中载荷F，所述柔性居中载荷F大于管柱弯曲对孔道侧壁的挤压载荷[F]。

一种孔道内管柱柔性居中的单环结构的设计方法，包括以下步骤：

在孔道内先设定好柔性单环的宽度b；

再根据柔性居中载荷F大于孔道侧壁的挤压载荷[F]确定最小的柔性单环壁厚；

根据柔性单环弯曲变形强度准则控制的塑性形变判据，确定最大的柔性单环壁厚；

在柔性单环壁厚的控制范围内，圆整得到柔性单环壁厚h的设计尺寸。

上述孔道侧壁的挤压载荷[F]的计算公式为：

式(1)中，D为孔道直径，(EI)_P是管柱的抗弯刚度，μ是不同支撑条件的约束系数，L是管柱屈曲失稳的一阶临界载荷下，最小间隔的管柱长度，其计算公式为：