1、有關測試方面的力學分析與應用 1一，概 述 力學作為最基礎的學科被所有的工程技術領域廣泛的應用，作為采油測試工作者，了解和掌握一定的力學知識，清楚試井鋼絲（電纜）以及測試工具、儀器在井筒中的受力情況，對提高測試工作精度，測試深度的校核，減少測試事故，提高測試投撈成功率和測試掉卡落物的打撈成功率具有可靠的理論指導意義。 21、試井鋼絲（電纜）受力分析與應用 試井鋼絲（電纜）在測試起下過程當中，受到力的種類繁多，有井口防噴管堵頭密封盤根對鋼絲產生的摩擦力、井口壓力對鋼絲產生的上頂力、試井鋼絲自身的彈力、井下液體對試井鋼絲的浮力，絞車、儀器對其產生的拉應力等等，下面就試井鋼絲（電纜）在測試過程當中，

2、受到的各種力進行逐個的分析。 31.1絞車和儀器對鋼絲（電纜）產生的拉應力 試井鋼絲（電纜）在井筒的正常起下工程中始終受到儀器和絞車對其的拉應力，應力的大小與儀器的重量、起下速度的快慢和井的深度、斜度有關。注水層注水層注水層4注水層注水層注水層1.1絞車和儀器對鋼絲（電纜）產生的拉應力 鋼絲在儀器的拉應力下，鋼絲在井筒內始終能夠保持相對直線狀態（只要儀器的重量大于鋼絲自身的彈力），鋼絲所受的拉應力是自下而上逐漸增加的，增加數量即是井下鋼絲的自身重量（摩擦力不計）。5 試井鋼絲基本上屬于低碳鋼，從低碳鋼的拉伸試驗圖上可以看出低碳鋼具有4種性質階段：彈性階段、屈服強化階段、局部變形（斷裂）階段。1

3、.1絞車和儀器對鋼絲（電纜）產生的拉應力注水層注水層注水層61.1.1彈性階段鋼絲的應力與應變成正比彈性階段服從虎克定律：其彈性伸長量計算公式：L=NL/EA式中L鋼絲變形量 N應力 L鋼絲長度E彈性模量 A鋼絲截面積71.1.1彈性階段鋼絲的應力與應變成正比 正常情況下，測試遇卡后，鋼絲都能從繩帽處拉脫，因為鋼絲繩帽圓環是受的剪應力，其應力一般低于鋼絲被拉斷時拉應力的一半左右。之所以出現鋼絲從地面拉斷的問題，一是因為定向井斜度大，拐點多，對鋼絲產生的摩擦力大（下文專門介紹），二是因為操作問題造成測試儀器、工具頂鉆套住鋼絲造成鋼絲的拉應力傳不到繩帽圓環處，形不成剪應力。這是測試工作者必須要隨時

4、注意到的。 81.1.2 屈服強化階段： 發生塑性變形，鋼絲伸長、直徑變細階段，在測試工作當中，當鋼絲承受大的拉應力以后，鋼絲明顯伸長，通過計算比較困難，但通過實際觀察數據得到，伸長量可達2以上，這也正是我們正常測試當中經常遇到的鋼絲使用幾個月以后直徑明顯變細了，而且變得越來越脆了的直接原因。 1.1絞車和儀器對鋼絲（電纜）產生的拉應力91.1絞車和儀器對鋼絲（電纜）產生的拉應力低碳鋼材料的拉伸試驗圖10 當鋼絲拉應力達到極限后，鋼絲的薄弱位置或受拉應力最大的位置某一點，形成縮徑，并瞬間從縮徑處斷裂，這是測試工作中常遇到的。 其縮徑斷裂點一般絞車至測試車窗口滑輪之間，因為此處受到的拉應力最大（

5、原因分析）。 1.1絞車和儀器對鋼絲（電纜）產生的拉應力1.1.3 局部變形（斷裂）階段：11 電纜則不同，由于其自身結構原因，其鋼絲受拉應力同時還承受剪應力，計算方法非常復雜，在此不做介紹。 1.1絞車和儀器對鋼絲（電纜）產生的拉應力121.2井口密封盤根對試井鋼絲的摩擦力 試井鋼絲在測試起下過程當中，受到井口防噴管堵頭密封盤根的摩擦力與密封盤根的材質、井口壓力、試井鋼絲表面的粗慥度有關，單純的計算其摩擦力難度較大，只有通過能順利下行時測試儀器的重量來計算。MGP（AX）F式中： M盤根摩擦力 G儀器重量 P井口壓力 A鋼絲的截面積 F儀器在流體中的浮力 X壓力比值(備注：一般取5N/MPa

6、)其計算公式： 從式中可以得到為了正常測試中起下順利，我們只能通過儀器佩重、優選密封盤根材質來達到目的。 131.3井筒對試井鋼絲的摩擦力 鋼絲與井筒內壁產生的摩擦力大小與井筒的軌跡有關，垂直井的井筒內壁不應該對鋼絲產生摩擦力，但實際中幾乎所有的井筒在空間方位上均存在一定的位移，是一條空間狀態下的曲線形軌跡（見井筒軌跡圖），有些甚至是空間螺旋曲線狀態的，所以井下的鋼絲總有大段長度的緊貼管柱內壁。141.3井筒對試井鋼絲的摩擦力 從宏觀上來分析，鋼絲和管柱內壁是線性接觸，由于鋼與鋼的摩擦系數很低，其摩擦力雖然很難計算，但其摩擦力應當很小，但實際當中，井筒都附著有結垢物（氧化物），我們知道氧化物的

7、硬度要遠遠低于鋼絲，因此鋼絲與管柱內壁由線接觸改為面接觸，另外其摩擦系數也成幾何級數增加。151.3井筒對試井鋼絲的摩擦力 摩擦力的大小與鋼絲的直徑、表面粗糙度、氧化物的物理性質、管柱軌跡的彎曲度大小有關，若想通過準確的計算很難實現，只能通過現場實驗得出。鋼絲直鋼絲直徑mm繩帽拉脫應繩帽拉脫應力KN鋼絲拉斷應鋼絲拉斷應力KN 2.448 2.23.56.5地面試驗的數據表161.3井筒對試井鋼絲的摩擦力 通過拉伸實驗得出。許多井遠大于4KN，現場當中2.4mm鋼絲（其極限拉力達8KN以上）卻常常出現從地面被拉斷的情況，而低于拉應力一半的受剪應力的繩帽圓環無法被拉斷，足以說明井筒對鋼絲的摩擦力大

8、于4KN。所以針對此類井，測試當中應采取相應的對策來減小磨檫力個個個個個個個避免測試掉卡，提高測試成功率。 171.4試井鋼絲的彈力（收縮） 由于鋼絲生產工藝是在盤圓狀態下淬火的，所以其自身的螺旋彈力是無法消除的。181.4試井鋼絲的彈力（收縮） 當測試工具、儀器拉動鋼絲下到井底或支撐在井下工具上后，鋼絲在自身作用下克服堵頭盤根摩擦力、上頂力下行，其軌跡形態應當是由井口呈垂直對中向下存在一條直線段。 拉應力為零以上鋼絲形狀191.4試井鋼絲的彈力（收縮） 此段鋼絲產生的重力大致和堵頭盤根對鋼絲產生的摩擦力、井口壓力對鋼絲產生的上頂力相等，此段鋼絲受拉應力，拉應力由上而下逐漸減少，至剛接觸油管內

9、壁處的鋼絲所受拉應力為零。 拉應力為零處鋼絲形狀201.4試井鋼絲的彈力（收縮） 以下的鋼絲呈螺旋狀緊貼油管內壁，其自身重量在鋼絲自身彈力的作用下全部支撐在管柱內壁上。 拉應力為零以下鋼絲形狀211.4試井鋼絲的彈力（收縮） 因此得出鋼絲在井下的收縮長度與彈力、絲徑、堵頭盤根的摩擦力、井口的壓力有關，要精確計算出其收縮量很難實現，實際工作中我們可以通過井口壓力和盤根的摩擦力以及鋼絲的直徑與新舊程度來憑經驗估算。221.4試井鋼絲的彈力（收縮） 電纜則不同，由于其自身彈力不足以將自身的重量支撐在管柱內壁上，所以電纜螺旋狀的螺距由上而下依次縮短，此段鋼絲受壓應力，壓應力由下而上逐漸減少，至直線段時

10、的電纜所受拉壓應力均為零。 拉應力為零以下電纜形狀231.4試井鋼絲的彈力（收縮） 上面的直線段電纜受拉應力，拉應力由下而上逐漸增大，其長度產生的重力大致和密封器對其產生的阻力以及井口壓力對其產生的上頂力相等。其在井下的收縮量的估算與鋼絲相同。 拉應力為零處電纜形狀241.5試井鋼絲井下液體中的浮力和重力 鋼絲在井筒中的浮力計算，其計算方式： FD2L液/4鋼絲的自重計算，其計算方式： GD2L/4（液） 251.6試井鋼絲的受力變化情況 由此可見，鋼絲的受力情況非常復雜，有儀器、鉸車的拉應力、盤根的摩擦力、液體的上頂力、管壁的摩擦力、壓應力、滑輪的壓應力，以及剪應力等。261.6試井鋼絲的受

11、力變化情況 在測試當中不同的情況下，鋼絲所受的主應力不同：鋼絲正常下井中 儀器對鋼絲的拉應力最大； 儀器上起中 鉸車對鋼絲的拉應力最大； 井下遇卡后 鉸車對繩帽的剪應力最大； 271.6試井鋼絲的受力變化情況 井筒軌跡復雜 井壁大于繩帽的剪應力后，鉸車對鋼絲的拉應力為最大值，大于鋼絲的斷裂應力，往往造成鋼絲被從地面拉斷。 281.7試井鋼絲深度校核 通過以上對鋼絲的受力分析后，鋼絲的深度校核，就比較容易，在正常測試工作中，如分層調配水嘴、分注井分層流量測試、壓力、溫度、井下高壓物性等等，鉸車工往往都是通過探井底深度或座在各級偏心配水器上以及指深儀表的深度數據來直接作為測試數據，這種方法誤差很大

12、。 291.7.1 指深儀表的誤差數據必須清楚 此計量方式的誤差原因主要有兩個方面：一是量輪摩擦后周長減小，造成計量長度大于鋼絲實際長度。二是鋼絲受大負荷拉應力作用后，絲徑變小，造成計量長度大于鋼絲實際長度。 目前國內試井絞車鋼絲（電纜）的計量方法，基本都是鋼絲纏繞量輪，通過帶動量輪旋轉的方法來計量鋼絲（電纜）的長度。301.7.1 指深儀表的誤差數據必須清楚 作為測試工作者要想清楚鉸車的計量誤差，除了要清楚鋼絲的計量原理，還要勤于細心觀察和了解鋼絲的實際收縮量，尤其是專業鉸車工，對自己操作的鉸車的計量誤差率必須清楚（每千米鋼絲計量輪的計量誤差），做到心中有數，減少測試誤差，避免操作失誤。另外

13、我們必須清楚不同的鉸車誤差率不同。 311.7.2 根據鋼絲張力計算鋼絲測試實際深度： 通過以上的鋼絲受力分析，我們完全可以通過計算來了解鋼絲的實際深度數據。 鋼絲的計量深度+儀器自重+堵頭盤根的摩擦力+井口壓力上頂力- 鋼絲浮力- 儀器浮力- 量輪誤差值（深度誤差率）=地面鋼絲的張力321.7.2 根據鋼絲張力計算鋼絲測試實際深度： 由于鋼絲發生彈性變形的拉應力較大，實際工作中我們只要取正常起下時地面鋼絲的張力-量輪的誤差值即可。如某井油層中深2350米，絞車誤差3，那么測壓絞車指深儀表的數據就應是：2350+23503=2357米。 331.7.3利用井下參照物校對深度數據： 在測試中，井

14、下可用來參照的參照物有井底、分層注水（采油）井的配水（產）器，由于井底易沉淀砂垢等雜質，實際深度不能作為參照深度，分層測試調配投撈中的配水（產）器作為參照物是可靠的。341.7.3利用井下參照物校對深度數據： 因為作業管柱深度數據是通過實際丈量出來的，但不排除有管柱下錯的問題，所以我們在測試當中首先要對作業管柱數據進行校核。其校核方法主要是通過測試投撈時地面鋼絲的張力和絞車的誤差率來校對。351.7.3利用井下參照物校對深度數據： 投撈工具下過配水器后，上提打開投撈器，過配水器510米后，停車下放，下放前記清楚地面鋼絲的張力，投撈器坐入配水器后，支撐在配水器中，鋼絲收縮產生一定的收縮量，地面鋼

15、絲張力為零。 投撈器支撐在配水器上鋼絲的形狀361.7.3利用井下參照物校對深度數據： 上提鋼絲，張力逐漸增加，當張力增至下放前鋼絲張力時，記住此時鋼絲計量深度X，那么XX誤差率即為配水器的實際深度數據，通過同樣方法對各級配水器的實際深度進行校核，得出真實的井下作業管柱數據。 張力相等時鋼絲形狀 上提鋼絲時形狀371.7.3利用井下參照物校對深度數據： 總之通過以上受力分析，把各種受力因素考慮全面，測試深度校核誤差應當可以控制在2米以內，對提高測試資料精度，避免分層測試調配工作中的投撈和分層流量停測層位錯誤，具有可靠的理論指導意義。達到提高分層測試調配工效的目的。382.測試工具、儀器受力分析

16、與應用 測試工具、儀器受力在井筒中的受力的種類主要有井筒內壁對測試工具、儀器產生的摩擦力、油管接箍對測試工具、儀器產生的震動力、井筒內的液體對測試工具、儀器產生的浮力、井筒內的液體對測試工具、儀器產生的粘滯阻力，下面就測試工具、儀器測試在井下受到的各種力進行逐個的分析。 392.1井筒內壁對測試工具、儀器產生的摩擦力 測試工具、儀器與井筒內壁產生的摩擦力大小與井筒的軌跡有關，從理論上講，垂直井的井筒內壁不應該對測試工具、儀器產生摩擦力，但實際中幾乎所有的井筒在空間方位上均存在一定的位移，是一條空間狀態下的曲線形軌跡（見井筒軌跡圖）。 40412.2油管接箍對測試工具、儀器產生的震動力 測試工具

17、、儀器在井筒下行過程中，受自身重力作用，測試工具、儀器在井筒井筒中都是貼著管壁下行的，因此測試工具、儀器每過一個油管接箍，都將發生一次震動，因此測試工具、儀器在井筒下行過程當中始終受到震動力的影響，其大小與井筒的軌跡度數大小和測試工具、儀器的重量有關，由于比較復雜，在此不做介紹。注水層注水層注水層422.2油管接箍對測試工具、儀器產生的震動力 震動力是造成測試工具、儀器性能不穩定、退扣、銷釘松動的主要因素。因此，下井測試工具、儀器必須認真檢查，其耐震性能、各部位絲扣必須完好。 注水層注水層注水層432.3井筒內的流體對測試工具、儀器產生的浮力和重力 測試工具、儀器在井筒起下過程中，始終受到井筒

18、內的流體對其產生的浮力的作用，其大小與井筒內流體的密度大小和測試工具、儀器的體積大小有關。計算方式： 浮力計算方式：F體積液 重力計算方式：G體積（液液） 442.4井筒內的流體對測試工具、儀器產生的粘滯阻力 測試工具、儀器在井筒起下過程中，始終受到井筒內的流體對其產生的粘滯阻力的作用，其大小與井筒內流體的粘度大小和測試工具、儀器的截面積的大小有關。井筒內壁面附著的原油、稠化的聚合物以及井筒中的死油蓋、稠化的聚合物段塞段等等都會引起測試遇阻。 452.5測試工具、儀器上下的壓差對測試工具、儀器產生的阻力 測試工具、儀器在井筒起下過程中，其上下均產生一定的壓差，只不過是井別不同，方向和大小不同，

19、注入井阻力始終向下；產出井阻力始終向上，其大小與井筒內流體流速的高低、粘度的大小和測試工具、儀器的截面積的大小有關，其計算方式難度很大，可用根據張力儀表的指重減去鋼絲和儀器重量的近似方法來計算。 462.5 測試工具、儀器上下的壓差對 測試工具、儀器產生的阻力 測試工具、儀器在井筒起下過程中，其上下均產生壓差，壓差的計算，對測試工作極為重要，關系的儀器的配重、測試操作的方式、工藝方式的正確選擇，所以在測試工作當中要慎之又慎。47 如自噴井測試前，必須先清蠟，盡量選用小直徑的儀器，配重盡可能大，在測試內容允許的情況下，要適當控制產出液量來降低井筒中液體對測試儀器的上頂力，測試操作當中隨時觀察鋼絲

20、的張力變化，張力一旦急劇下降，必須立即通知中間崗迅速往上拉鋼絲，防止發生頂鉆事故； 2.5 測試工具、儀器上下的壓差對 測試工具、儀器產生的阻力 482.5測試工具、儀器上下的壓差對測試工具、儀器產生的阻力 目前，各油田偏心分注井驗封，多采用密封段上下各接一支壓力計的方式來進行驗封工作，在驗封開關壓力時，中間崗必須拉住鋼絲，防止層間壓差過大的分注井頂鉆套住鋼絲，造成測試掉卡的事故；492.5測試工具、儀器上下的壓差對測試工具、儀器產生的阻力 高壓注氣井測試，儀器盡量選用小直徑的儀器，在測試內容允許的情況下，要適當控制注入量來降低井筒中氣體對測試儀器的沖擊力，測試操作當中隨時觀察鋼絲的張力變化，上起儀器一定要平穩，防止鋼絲繩帽拉脫發生測試掉卡事故。 502.6 測試工具、儀器重心對測試工具、儀器在井筒中的運動規律產生的影響 測試工具、儀器的重心一般都不與測試工具、儀器的中心軸心重合，受儀器重力的影響，儀器在井筒起下過程中，其重心偏移的一側與井筒內壁接觸摩擦的幾率要遠遠大于另一側。（觀察投撈器）512.6測試工具、儀器重心對測試工具、儀器在