韓志勇
(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島266580)
李子豐教授在文獻(xiàn)[1]中通過論證和推導(dǎo),得出的結(jié)論可分為2部分:第一部分針對(duì)傳統(tǒng)理論,認(rèn)為Woods模型“與井下管柱情況不符”,“傳統(tǒng)的油井管柱穩(wěn)定拉力或虛構(gòu)拉力的計(jì)算公式是錯(cuò)誤的”;第二部分是關(guān)于內(nèi)外壓力對(duì)油井管柱的穩(wěn)定性是否有影響,論文得出“內(nèi)外壓力對(duì)懸掛油井管柱的穩(wěn)定性沒有影響;內(nèi)外壓力本身對(duì)兩端固定油井管柱的穩(wěn)定性沒有影響;兩端固定后內(nèi)外壓力的變化對(duì)油井管柱的穩(wěn)定性有影響”。2013年,文獻(xiàn)[1]的主要內(nèi)容和觀點(diǎn)又發(fā)表在國(guó)外的一家網(wǎng)絡(luò)雜志上[3]。文獻(xiàn)[1]的研究結(jié)論受到某些學(xué)者的高度評(píng)價(jià)并經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)媒體的大力宣傳[4],在社會(huì)上產(chǎn)生較大的影響,但其結(jié)論是否正確學(xué)術(shù)界還有不同的看法,所以有必要對(duì)文獻(xiàn)[1]的結(jié)論進(jìn)行深入地分析和討論。
文獻(xiàn)[1]第一部分結(jié)論,對(duì)傳統(tǒng)理論的否定,文獻(xiàn)[2]已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論,得出結(jié)論認(rèn)為,文獻(xiàn)[1]對(duì)虛力、Woods模型、傳統(tǒng)油井管柱穩(wěn)定性的判別方法和判別公式的否定,都是不正確的,都是站不住腳的。
本文將對(duì)文獻(xiàn)[1]的第二部分結(jié)論進(jìn)行認(rèn)真地分析和討論。
文獻(xiàn)[1]的結(jié)論說“內(nèi)外壓力對(duì)懸掛油井管柱的穩(wěn)定性沒有影響”。而且還強(qiáng)調(diào)說:“自由懸掛的管柱上,無(wú)論加多大的內(nèi)壓,只要材料不屈服,管柱就只會(huì)伸長(zhǎng)和變粗,而不會(huì)屈曲?!?;“同樣,無(wú)論外壓力如何變化,管柱也不會(huì)屈曲”。
這些結(jié)論是正確的嗎?否!這是一個(gè)似是而非的結(jié)論。事實(shí)上,對(duì)于自由懸掛管柱來(lái)說,內(nèi)外壓力對(duì)其穩(wěn)定性是有影響的。在不同的液壓環(huán)境下,這種影響是有區(qū)別的。下面舉例說明。
所謂非梯度壓力,是指各處的壓力均相等。當(dāng)管內(nèi)充滿氣體時(shí),氣體的密度可以忽略,即可看作是非梯度壓力。管外為液柱壓力,管內(nèi)為非梯度壓力的情況在鉆井中是可能遇到的。如在下套管的過程中,管內(nèi)沒有及時(shí)灌漿,管內(nèi)即為非梯度壓力。關(guān)于非梯度壓力,文獻(xiàn)[5]中有詳細(xì)的論述。
圖1(a)所示是管外為液體壓力,管內(nèi)為非梯度壓力的懸掛管柱;選定x坐標(biāo)的原點(diǎn)和方向如圖1(b)所示。
管柱所受外力有管柱的重力、管柱下端面上的液壓力和管內(nèi)外壁上的液壓力。這些外力在管柱的任意斷面引起的軸向內(nèi)力的計(jì)算公式分別為:
有效軸向力等于所有真實(shí)軸向力與虛力之和,即Fe=Fa+Fd+Fx,則:
圖1 管外液柱壓力管內(nèi)非梯度壓力Fig.1 Liquid column pressure outside the string and non-gradient pressure inside the string
式中:Fa為管柱重力引起的真實(shí)軸向力,kN;Fd為管柱下端面液壓力引起的真實(shí)軸向力,kN;Fx為管內(nèi)外壁上液壓力引起的虛力,kN;Fe為有效軸向力,kN;Ai,Ao和A分別為管柱截面的內(nèi)圓面積、外圓面積和截面積,m2;D為管柱長(zhǎng)度,m;ρs和ρo分別為管柱鋼材密度和管外液體密度,kg/L;pi為管內(nèi)充滿氣體時(shí)的壓力,kPa;g為重力加速度,m/s2。
各軸向內(nèi)力沿管柱軸向的變化,如圖1(b)所示。整個(gè)管柱最下端的有效軸向力等于零(最大值),井口處軸向壓力最大(最小值)。整個(gè)管柱都處在不穩(wěn)定狀態(tài)。而且,不管內(nèi)壓pi多大,這個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)都不會(huì)變化。這種情況下,管柱的屈曲將從上端開始發(fā)生。魯賓斯基在文獻(xiàn)[7]中曾論述過這種情況,并給出了具體算例。
該算例充分證明,文獻(xiàn)[1]關(guān)于“內(nèi)外壓力對(duì)懸掛油井管柱的穩(wěn)定性沒有影響”和“無(wú)論加多大內(nèi)壓”,“無(wú)論外壓如何變化”,“都不會(huì)屈曲”的結(jié)論是不正確的。
管內(nèi)外液體密度特別高,甚至比管柱鋼材的密度還要高的情況在實(shí)際鉆井過程中是不存在的,但在實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)。例如,在實(shí)驗(yàn)室把水銀(其密度可達(dá)到13.595kg/L)注入管內(nèi)外,就可以模擬這種液壓環(huán)境。圖2(a)所示為下端開口的懸掛管柱,管內(nèi)外充滿密度大于鋼材密度的液體。該情況下,任意斷面上有效軸向力的計(jì)算公式為:
式中,ρy為液體密度,kg/L。
圖2 液體密度特別大的情況Fig.2 Case with extremely high density of liquid
該特例對(duì)于正常油井工程來(lái)說,雖沒有實(shí)際意義,但具有重要的理論意義。對(duì)于懸掛管柱來(lái)說,內(nèi)外液壓力對(duì)其穩(wěn)定性的影響是始終存在的。從管柱的穩(wěn)定狀態(tài)到不穩(wěn)定狀態(tài),其間有個(gè)變化過程。隨著液體密度的增大,有效軸向力隨之減小,但只要還大于零,管柱就仍然處在穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)液體密度繼續(xù)增大,有效軸向力繼續(xù)減小,直至有效軸向力等于零,這就是臨界點(diǎn)。如果液體密度再繼續(xù)增大,有效軸向力將會(huì)小于零,整個(gè)管柱將處于不穩(wěn)定狀態(tài)??梢姡苤姆€(wěn)定性隨液體密度(也就是液體壓力)的變化,是一個(gè)從量變到質(zhì)變的過程。
所以,文獻(xiàn)[1]所說的“內(nèi)外壓力對(duì)懸掛油井管柱的穩(wěn)定性沒有影響”,在理論上是不正確的。
在正常鉆井條件下,管內(nèi)外充滿液體,管外密度稍大于管內(nèi)密度,而且都小于鋼材密度。這是最常見的自由懸掛管柱,如圖3(a)所示。
圖3 正常鉆井條件下的液柱壓力Fig.3 Liquid column pressure in normal drilling conditions
管柱所受外力有管柱的重力、管柱下端面上的液壓力和管內(nèi)外壁上的液壓力。這些外力在管柱任意斷面引起的軸向內(nèi)力的計(jì)算公式為:
式中,ρi為管內(nèi)液體密度,kg/L。
在正常鉆井條件下,ρo和ρi總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ρs。所以這個(gè)浮力系數(shù)總是大于零的。也就是說,管柱上任意斷面的有效軸向力不會(huì)小于零。所以,正常鉆井條件下,內(nèi)外壓力是不會(huì)導(dǎo)致自由懸掛管柱失穩(wěn)的。但是,這并不等于“內(nèi)外壓力對(duì)自由懸掛管柱的穩(wěn)定性沒有影響”。參看圖3(b),當(dāng)存在內(nèi)外液壓力時(shí),管柱的有效軸向力等于Fe;而當(dāng)不存在內(nèi)外液壓力時(shí),管柱的有效軸向力則與Fa相等;顯然,F(xiàn)e<Fa。在內(nèi)外液壓力作用下,有效軸向力變小了,就等于管柱的穩(wěn)定性下降了。穩(wěn)定性下降了,就是受到影響了,只不過還沒有降至使管柱失穩(wěn)的程度?!笆欠袷Х€(wěn)”與“是否有影響”不是同一個(gè)概念。所以,即使在正常鉆井條件下,文獻(xiàn)[1]的結(jié)論也是不正確的。
管內(nèi)外都不存在液體壓力,都是充滿氣體壓力。這種情況在實(shí)際鉆井中是很難遇到的,即使在氣體鉆井工況下,也很難看作是完全的非梯度壓力。管內(nèi)外都是非梯度壓力情況下的軸向內(nèi)力計(jì)算公式為:
由式(13)可見,有效軸向力不受內(nèi)外壓力的影響。所以,對(duì)于懸掛管柱來(lái)說,只有在管內(nèi)外沒有液體壓力即非梯度壓力的情況下(見圖4),才可以說“內(nèi)外壓力對(duì)懸掛油井管柱的穩(wěn)定性沒有影響”。
圖4 管內(nèi)外都是非梯度壓力Fig.4 Non-gradient pressure both inside and outside the string
在液體中的管柱也可能受到非梯度壓力,但不是自由懸掛管柱,而是處于水平狀態(tài)的管柱。如圖5所示,兩端開口的自由管柱以水平狀態(tài)處在液體中。這種情況下,沿管柱軸向的液體壓力是沒有梯度的。管柱重力與軸向垂直,所以在軸向引起的真實(shí)軸向力Fa=0。由于沿管柱軸向的壓力梯度為零,兩端面液壓力引起的真實(shí)軸向力Fd=-ADgρy。管柱內(nèi)外壁上液壓力引起的虛力Fx=ADgρy。則管柱任意斷面上的有效軸向力Fe=Fa+Fd+Fx=0。所以,這種情況下,無(wú)論液體壓力多大,管柱都不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)屈曲。
根據(jù)上述4種情況的分析可以得出如下認(rèn)識(shí):
1)管內(nèi)外壓力可分為梯度壓力和非梯度壓力。梯度壓力包括沿管柱軸向的液柱壓力,循環(huán)流動(dòng)壓力等。氣體壓力可看作非梯度壓力,水平狀態(tài)管柱沿軸向的液體壓力也屬于非梯度壓力。
圖5 處于水平狀態(tài)的管柱Fig.5 String in horizontal status
2)對(duì)于自由懸掛管柱來(lái)說,管內(nèi)外液體壓力(液柱壓力)對(duì)其穩(wěn)定性是有影響的。這種影響隨著液體密度的變化而變化。當(dāng)液體密度小于鋼材密度時(shí),管內(nèi)外壓力不可能引起管柱失穩(wěn)。當(dāng)液體密度大于鋼材密度時(shí),管柱將處于失穩(wěn)狀態(tài)。
3)管外為液體壓力、管內(nèi)為非梯度壓力的自由懸掛管柱,在管外液體密度達(dá)到一定程度(雖然遠(yuǎn)小于鋼材密度)時(shí),也會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)屈曲。
4)非梯度壓力對(duì)自由懸掛管柱的穩(wěn)定性沒有影響。
5)文獻(xiàn)[1]關(guān)于自由懸掛管柱的結(jié)論,僅僅對(duì)非梯度壓力是正確的。當(dāng)管外或管內(nèi)外為液體壓力時(shí),文獻(xiàn)[1]的結(jié)論是錯(cuò)誤的。
關(guān)于兩端固定管柱,文獻(xiàn)[1]說:“內(nèi)外壓力本身對(duì)兩端固定油井管柱的穩(wěn)定性沒有影響;兩端固定后內(nèi)外壓力的變化對(duì)油井管柱的穩(wěn)定性有影響”。這是一個(gè)自相矛盾的結(jié)論,他把“內(nèi)外壓力本身”與“內(nèi)外壓力的變化”對(duì)立起來(lái)。
首先,從事物的一般關(guān)系來(lái)講,如果說甲事物對(duì)乙事物有影響,那么甲事物的變量也必然對(duì)乙事物有影響;反過來(lái)說,甲事物的變量對(duì)乙事物有影響,就是承認(rèn)甲事物本身對(duì)乙事物有影響。因?yàn)槭挛锒际菚?huì)變化的,事物的變化是事物本身的屬性。
舉例來(lái)說:核輻射對(duì)人體健康有影響,就是說核輻射的變化對(duì)人體健康有影響?;蛘哒f,核輻射的變化對(duì)人體健康有影響,就是承認(rèn)核輻射本身對(duì)人體健康有影響。我們不可能說“核輻射的變化對(duì)人體健康是有影響的,而核輻射本身對(duì)人體健康沒有影響”。這樣說在邏輯上是不通的。
其次,文獻(xiàn)[1]所說的“壓力本身”概念不清楚。如果“壓力本身”指的是兩端固定管柱內(nèi)外壓力變化前的pi1和po1,那么,內(nèi)外壓力變化之后的pi2和po2是不是也屬于“壓力本身”呢?因?yàn)楫?dāng)內(nèi)外壓力再次由pi2和po2變?yōu)閜i3和po3時(shí),pi2和po2顯然就是變化前的內(nèi)外壓力了!變化前后的“壓力本身”對(duì)管柱的穩(wěn)定性都沒有影響,那么前后“壓力本身”之間的差值(即變化量)對(duì)穩(wěn)定性的影響又是從哪里來(lái)的呢?這不是無(wú)本之木,無(wú)源之水嗎?
再次,還可以這樣來(lái)分析:如果說“內(nèi)外壓力本身對(duì)兩端固定油井管柱的穩(wěn)定性沒有影響”,那就相當(dāng)于說:“兩端固定的油井管柱內(nèi),有液壓力和沒有液壓力,管柱的穩(wěn)定性都不會(huì)變化,因?yàn)橐簤毫?duì)管柱的穩(wěn)定性沒有影響”。這就恰恰否定了第二句話——“內(nèi)外壓力變化對(duì)兩端固定管柱的穩(wěn)定性有影響”。因?yàn)椤皼]有液壓力”與“有液壓力”之間,就是“壓力的變化”。先說這種“變化”沒有影響,接著又說這種“變化”有影響,這不是自相矛盾嗎?
所以,文獻(xiàn)[1]的結(jié)論是自相矛盾的,是不正確的。
文獻(xiàn)[1]為什么會(huì)得出這個(gè)錯(cuò)誤結(jié)論呢?問題出在文獻(xiàn)[1]中公式的推導(dǎo)過程。
對(duì)比文獻(xiàn)[1]關(guān)于自由懸掛管柱(圖6(a))和兩端固定管柱(圖6(b))穩(wěn)定性的論述可見,自由懸掛管柱的管端有壓力,而兩端固定管柱的管端沒有壓力,但在計(jì)算“等效軸向力”時(shí),都按沒有壓力來(lái)處理,都等于下端的“真實(shí)軸向拉力”。關(guān)于兩端固定管柱的穩(wěn)定性,是從自由懸掛管柱的穩(wěn)定性“類比”過來(lái)的。所以得出了與自由懸掛管柱相同的結(jié)論。
圖6 文獻(xiàn)[1]推導(dǎo)公式用圖Fig.6 Figure used in Reference[1]to derive the formula
前述部分已經(jīng)證明了文獻(xiàn)[1]關(guān)于自由懸掛管柱穩(wěn)定性的結(jié)論是錯(cuò)誤的,所以,從該結(jié)論類比過來(lái)的結(jié)論也當(dāng)然是錯(cuò)誤的??墒牵谟?jì)算兩端固定管柱內(nèi)外壓力變化時(shí)的“等效軸向力”時(shí),文獻(xiàn)[1]又按照下端面上有液壓力來(lái)計(jì)算,于是得出了自相矛盾的結(jié)論。
文獻(xiàn)[1]在否定傳統(tǒng)理論之后,根據(jù)自己的所謂“真實(shí)模型”,經(jīng)過理論推導(dǎo)給出了一個(gè)判別管柱穩(wěn)定性的公式(詳見文獻(xiàn)[1]中的式(6)):
根據(jù)該式,文獻(xiàn)[1]得出管內(nèi)外壓力的變化對(duì)兩端固定油井管柱穩(wěn)定性的影響規(guī)律:“內(nèi)壓增加降低管柱的穩(wěn)定性,外壓增加提高管柱的穩(wěn)定性。”應(yīng)該說,這個(gè)規(guī)律是正確的,但這并非文獻(xiàn)[1]的新發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)理論早就得出了相關(guān)規(guī)律[7,9-10]。得出正確的規(guī)律,并不能證明文獻(xiàn)[1]中公式的推導(dǎo)過程正確,也不能證明該公式就具有理論意義和實(shí)用價(jià)值。
文獻(xiàn)[1]推導(dǎo)公式所用的模型見圖6。文獻(xiàn)[2]曾指出,文獻(xiàn)[1]的推導(dǎo)過程中有重大漏洞,在計(jì)算圖6(a)和圖6(b)2個(gè)模型的等效軸向力時(shí)都沒有考慮下端面上的液壓力??墒?,很奇怪,在推導(dǎo)兩端固定管柱內(nèi)外壓力變化時(shí)的“等效軸向力”計(jì)算公式時(shí),明明下端面上沒有液壓力,文獻(xiàn)[1]卻在下端面上無(wú)中生有地加上了液壓力。
對(duì)于圖6(b)和圖6(c)的兩端固定管柱,文獻(xiàn)[1]使用與自由懸掛管柱軸向應(yīng)力相同的計(jì)算公式,這顯然是不正確的。因?yàn)閮啥斯潭ü苤南露艘呀?jīng)被水泥石固死,管內(nèi)外的液壓力不可能作用上去。文獻(xiàn)[1]的做法表明,他認(rèn)為管柱下端封固之后,仍然有管內(nèi)外液壓力的作用。這是無(wú)中生有的嚴(yán)重錯(cuò)誤。
文獻(xiàn)[1]理論推導(dǎo)中的嚴(yán)重錯(cuò)誤表明,該文推導(dǎo)出的公式在理論上是站不住腳的。由于推導(dǎo)原理是不正確的,所以其推導(dǎo)的公式不具有理論意義。
首先,文獻(xiàn)[1]判別式僅僅適用于判別管柱最下端的穩(wěn)定性。
該公式計(jì)算的僅僅是管柱最下端的“等效軸向力”,不能用于計(jì)算管柱其他斷面處的“等效軸向力”,所以只能判別管柱最下端處的穩(wěn)定性,不能用于判別管柱其他斷面處的穩(wěn)定性。
人們常見的管柱失穩(wěn)屈曲,多是從管柱下端開始。只要下端穩(wěn)定,全段就一定穩(wěn)定。但是在一定條件下,管柱的失穩(wěn)屈曲也會(huì)從上端首先出現(xiàn),上述的1.1和1.2就講述了自由懸掛管柱從上端開始出現(xiàn)失穩(wěn)的例子。魯賓斯基先生早在20世紀(jì)50年代就論述過兩端固定管柱從上端開始出現(xiàn)失穩(wěn)屈曲的情況[7],不僅給出了出現(xiàn)這種情況的條件,而且給出了詳細(xì)的計(jì)算公式。
所以判別管柱的穩(wěn)定性,不能僅僅判別管柱下端的穩(wěn)定性,還應(yīng)能判別管柱任意斷面處的穩(wěn)定性。要做到這一點(diǎn),就需要計(jì)算管柱任意斷面上的有效軸向力,但文獻(xiàn)[1]中的公式計(jì)算不了。
其次,該判別式僅僅適用于管內(nèi)外都是非梯度壓力的情況。
如圖6所示,文獻(xiàn)[1]給出的油井管柱模型,管內(nèi)外壓力都是非梯度壓力,即壓力處處相等。但絕大多數(shù)油井管柱內(nèi)外都是液柱壓力,而液柱壓力是梯度壓力。梯度壓力與非梯度壓力對(duì)管柱穩(wěn)定性的影響是有很大區(qū)別的。
傳統(tǒng)理論可以方便地計(jì)算管柱任意斷面上的有效軸向力,可以判別任意斷面處的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)理論既可用于梯度壓力,也可用于非梯度壓力,以及梯度壓力與非梯度壓力的組合。
文獻(xiàn)[1]中公式的局限性表明,其實(shí)用價(jià)值有限,更不可能取代傳統(tǒng)理論。
文獻(xiàn)[1]在公式推導(dǎo)中出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤的根本原因在于文獻(xiàn)[1]不承認(rèn)虛力的存在。是否承認(rèn)虛力,這是傳統(tǒng)理論與文獻(xiàn)[1]之間的根本分歧。為了說明這點(diǎn),對(duì)文獻(xiàn)[1]中的式(6)(即本文中的式(14))進(jìn)行分析和討論。
式(15)等號(hào)右邊的第1項(xiàng)是文獻(xiàn)[1]施加在管柱下端的“真實(shí)軸向拉力”。文獻(xiàn)[2]已經(jīng)指出了該“真實(shí)軸向拉力”存在的問題。本文不再討論。
等號(hào)右邊第3項(xiàng)-2μ(ΔpoAo-ΔpiAi)可以這樣來(lái)理解:管內(nèi)外壓力的增量Δpi和Δpo在管柱斷面上引起徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力的增量Δσr和Δσt;Δσr和Δσt具有引起管柱軸向應(yīng)變(該應(yīng)變與材料的泊松比有關(guān))的趨勢(shì);但由于管柱兩端固定不可能出現(xiàn)軸向應(yīng)變,于是該軸向應(yīng)變趨勢(shì)轉(zhuǎn)換為軸向力。這個(gè)軸向力姑且稱為“應(yīng)變轉(zhuǎn)換的軸向力”。從“應(yīng)變轉(zhuǎn)換軸向力”的表達(dá)式可以得出:“內(nèi)壓增大將增大管柱穩(wěn)定性,外壓增大將降低管柱的穩(wěn)定性”。
第2項(xiàng)ΔpoAo-ΔpiAi乃是傳統(tǒng)理論所說的虛力增量,即管內(nèi)外壓力增量在管柱斷面上引起的虛力增量。從該虛力增量表達(dá)式可以得出:“內(nèi)壓增大將降低管柱的穩(wěn)定性,外壓增大將增大管柱的穩(wěn)定性”。
由于第2項(xiàng)總是大于第3項(xiàng),所以最后的規(guī)律仍然是:“內(nèi)壓增大將降低管柱的穩(wěn)定性,外壓增大將增大管柱的穩(wěn)定性”。
顯然,公式中如果沒有第二項(xiàng)虛力增量,文獻(xiàn)[1]將會(huì)得出完全相反的規(guī)律。既然文獻(xiàn)[1]不承認(rèn)虛力,為什么會(huì)在式(14)中出現(xiàn)虛力增量這一項(xiàng)呢?這里的秘密在于文獻(xiàn)[1]有3點(diǎn)做法:其一,文獻(xiàn)[1]在兩端固定管柱的下端面上無(wú)中生有地加上內(nèi)外壓力,并在公式推導(dǎo)中計(jì)算軸向力時(shí)計(jì)算了這個(gè)內(nèi)外壓力的增量;其二,文獻(xiàn)[1]僅僅計(jì)算下端面處的“等效軸向力”,而下端面處的虛力增量正好與下端面上內(nèi)外壓力的增量大小相等、方向相反;其三,文獻(xiàn)[1]定義的“等效軸向力”是外力,并非斷面上的內(nèi)力,在它給出平衡方程式(見文獻(xiàn)[1]中的式(5))后,最后計(jì)算“等效軸向力”時(shí)需要移項(xiàng),結(jié)果使這個(gè)液壓力增量與虛力增量正好完全相等。正是這3點(diǎn)錯(cuò)誤做法的巧合,才在公式中有了虛力增量這一項(xiàng),才得出了“正確的變化規(guī)律”。
不承認(rèn)虛力,就必然要用錯(cuò)誤的做法推導(dǎo)公式。如果不用錯(cuò)誤的做法,就必然得出錯(cuò)誤的結(jié)論。這就是文獻(xiàn)[1]的處境。
在計(jì)算自由懸掛管柱的“等效軸向力”時(shí),明明管柱下端面上有液壓力,文獻(xiàn)[1]卻故意視而不見,不予計(jì)算。在計(jì)算兩端固定管柱的“等效軸向力”時(shí),明明管柱下端面上沒有液壓力,文獻(xiàn)[1]卻故意無(wú)中生有地加上這個(gè)液壓力。文獻(xiàn)[1]這種不實(shí)事求是的態(tài)度是不可取的。
1)非梯度壓力對(duì)自由懸掛管柱的穩(wěn)定性沒有影響。液柱壓力對(duì)自由懸掛管柱的穩(wěn)定性是有影響的。當(dāng)液體密度小于管材密度時(shí),管柱不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)屈曲。當(dāng)液體密度大于管材密度時(shí),管柱處于失穩(wěn)狀態(tài),屈曲將首先從上端開始。當(dāng)管內(nèi)為非梯度壓力,管外為液體壓力時(shí),自由懸掛管柱也有可能失穩(wěn)屈曲。文獻(xiàn)[1]關(guān)于內(nèi)外壓力對(duì)自由懸掛管柱沒有影響的結(jié)論,僅僅適用于非梯度壓力條件,而對(duì)液體壓力以及液體壓力與非梯度壓力組合的情況,都是不正確的。
2)文獻(xiàn)[1]關(guān)于“內(nèi)外壓力本身對(duì)兩端固定管柱的穩(wěn)定性沒有影響,內(nèi)外壓力的變化對(duì)兩端固定管柱的穩(wěn)定性有影響”的結(jié)論,自相矛盾,不合邏輯。管內(nèi)外壓力及其增量都對(duì)兩端固定管柱的穩(wěn)定性有影響。
3)文獻(xiàn)[1]給出的判別管柱穩(wěn)定性的公式,在推導(dǎo)過程中有嚴(yán)重錯(cuò)誤,而且僅僅適用于非梯度壓力條件,只能判別管柱最下端處的穩(wěn)定性。所以該公式不具有理論意義和實(shí)用價(jià)值,更不能取代傳統(tǒng)理論中管柱穩(wěn)定性的判別公式。
4)文獻(xiàn)[1]對(duì)自由懸掛管柱下端面上的液壓力視而不見,當(dāng)作沒有壓力;而對(duì)兩端固定管柱下端沒有液壓力,卻無(wú)中生有地看作有壓力。出現(xiàn)這些錯(cuò)誤的根源在于它不承認(rèn)虛力的存在。文獻(xiàn)[1]如果不犯這些錯(cuò)誤,就必然要承認(rèn)虛力,否則就會(huì)得出完全相反的錯(cuò)誤結(jié)論。
[1]李子豐.內(nèi)外壓力對(duì)油井管柱等效軸向力及穩(wěn)定性的影響[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,35(1):65-67.Li Zifeng.Influence of internal and external pressures on equivlent axis force and stability of pipe string in oil wells[J].Journal of China University of Petroleum:Edition of Natural Science,2011,35(1):65-67.
[2]韓志勇.關(guān)于內(nèi)外壓力對(duì)油井管柱軸向力和穩(wěn)定性影響問題的討論[J].石油鉆探技術(shù),2013,41(6):12-18.Han Zhiyong.Discussion on effects of internal and external pressure on axial force and stability of pipe string in oil wells[J].Petroleum Drilling Techniques,2013,41(6):12-18.
[3]Li Zifeng.Using the fictitious force to judge the stability of pipe string is wrong[J/OL].The Open Petroleum Engineering Journal,2013,6:57-60.[2014-04-15].http:∥www.benthamscience/open/topej/articles/V006/57TOPEJ.pdf.
[4]潘峰.創(chuàng)新油氣井桿管柱力學(xué)理論體系研究[N].中國(guó)科學(xué)報(bào),2014-01-01(21).Pan Feng.Research of innovational theoretical system of tubular string mechanics in oil and gas wells[N].China Science,2014-01-01(21).
[5]韓志勇.液壓環(huán)境下的油井管柱力學(xué)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2011:202-210.Han Zhiyong.Mechanics of tubular string in oil wells subjected hydraulic pressure[M].Beijing:Petroleum Industry Press,2011:202-210.
[6]韓志勇.垂直井眼內(nèi)鉆柱軸向力的計(jì)算及強(qiáng)度校核問題研究[J].石油鉆探技術(shù),1995,23(增刊1):8-13.Han Zhiyong.Study on axial force calculation and strength check of drill string in vertical holes[J].Petroleum Drilling Techniques,1995,23(supplement 1):8-13.
[7]Lubinski A.Influence of tension and compression on straightness and buckling of tubular goods in oil wells[J].Trans ASME,1951,31(4):31-56.
[8]Handleman,M G.Bucking under locally hydrostatic pressure[J].Journal of Applied Mechanics,1946,13(8):A198-A200.
[9]Woods H B.Contribution to discussion of the paper by Klinkenberg A[J]∥Klinkenberg A.The neutral zones in drill pipe and casing and their significance in relation to bucking and collapse.Drilling & Production Practice,1951:76-79.
[10]Chesney A J,Jr,Garcia J.Load and stability analysis of tubular strings[C]∥Paper No.69-PET-15presented at the ASME Petroleum Mechanical Engineering Conference.Tulsa,Okla,1969:21-25.