连续管受力分析起下能力及疲劳计算

1、连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算周志宏长江大学机械工程学院2014年11月1日12022-1-22连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算内容连续管概述连续管流体阻力分析连续管井中力学分析连续管强度计算注入头起下能力分析连续管卷绕行为分析连续管疲劳分析2022-1-222连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算1. 连续管概述2022-1-223起下时间短、减少停产时间，常规油管的11倍。起下钻时可以循环，封闭油管可带压作业，对地层伤害小。作用：洗井；酸化、压裂；气举；磨铣；砾石充填

2、；封层 (注水泥, 架桥塞)；排液/完井管柱；射孔,测井；井下作业；定向钻井；打捞。优点：作业简单，作业人员少，费用低。搬迁快，占地小，环保，占地面积是常规钻井的1/3。可选择不同尺寸的油管作水力通道。施工安全，维护方便。可以通过大斜度井连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算1. 连续管概述2022-1-224注入器结构：注入器、卷筒、鹅颈导向特点：塑性变形，存在残 余变形，椭圆度鹅颈导向卷筒连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算2. 连续管流体阻力分析-井中 流体流动状态 层流2022-1-225 过渡流 紊流连续管受力分析起下能力及疲劳计

3、算连续管受力分析起下能力及疲劳计算 牛顿流体 流动阻力可由下式确定2022-1-2262222iiL VL VPfdd 雷诺数为giVdRe53. 1Relg8 . 11f 紊流fanning系数连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算2022-1-227 幂率流体 本构方程nK剪切应力稠度系数剪切速率流变指数 广义雷诺数为nnnnGnKdv132Re32 fanning摩阻系数bGSTafRe5093. 3logna7log75. 1nb连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算2. 连续管流体阻力分析-滚筒 非牛顿流体 Dean数2022-1-

4、2285 . 0GReRrNDeg 紊流fanning系数用下式求DegNbaf连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算2. 连续管流体阻力分析-滚筒2022-1-229连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算2. 连续管流体阻力分析-结论 牛顿流体与非牛顿流体 非牛顿流体的阻力可能小于清水（牛顿流体）阻力。2022-1-2210 直管与弯管 流体在弯管流动时，会产生二次流，导致流体流过弯管的阻力要大于流过直管的阻力。连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算05010015020025002004006008001000-

5、4000-3500-3000-2500-2000-1500-1000-50003. 连续管井中力学分析 油井井眼轨迹 垂直井 定向井，增斜、降斜 水平井2022-1-2211增斜降斜稳斜连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算3. 连续管井中力学分析 垂直井中连续管的力学分析 重力 井壁摩擦力 液体的浮力2022-1-2212 连续油管 套管 O z 井口 井液 z dz gdz l glArs P 连续油管 套管 O z 井口 井液 z dz l glAall P 浮力作用在连续管的最下端连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算 定向井水平井的

6、增斜段、降斜段力学分析 连续管弯曲，但弯曲半径大，与软绳类似 连续管井中的变形状态 细长杆，欧拉公式，容易失稳-屈曲 受井眼壁的约束 正弦屈曲 螺旋屈曲2022-1-2213什么条件？有何影响？22crlEIP连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算 屈曲的数学描述 假设：井眼均匀，截面为圆形，半径相同。连续管是均匀的，截面为圆形，半径相同。续管外壁与井眼内壁连续接触。2022-1-2214RbOrRtyz 未屈曲状态：连续管将位于井眼的底部 正弦屈曲：位置是轴线x坐标的正弦函数 螺旋屈曲：位置是轴线x坐标的持续增长函数连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下

7、能力及疲劳计算 屈曲的临界轴向力 受压时可能产生屈曲 垂直井眼的临界轴向力2022-1-2215 正弦屈曲理论 = 2.55；螺旋屈曲 = 5.55斜直井眼和水平井眼的临界轴向力32crEIwFrEIwFsincr 正弦屈曲理论 = 2；螺旋屈曲 = 5.55EI为连续管抗弯刚度w为连续管单位长度重量r为连续管与井眼的间隙 为井眼的井斜角连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算 实际井眼中螺旋屈曲的临界轴向力2022-1-2216 正弦屈曲时，b 4；螺旋屈曲时b 8。22224sinsin)(baFaFmgrEIFicriicricr井斜角井眼的井斜率变化率 井眼的方

8、位角变化率 螺旋屈曲的接触力EIrFF42ac1Fa为连续管的轴向力连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算 连续管井中的轴向力 软绳模型2022-1-2217c1acosddFmgsF 接触力icraaicraiFFEIrFFFaFaFmgF4)sin()sin(22a2ac1-25-20-15-10-50400035003000250020001500井深/m管柱轴向载荷/104N = 0.2 = 0.15 = 0.1 = 0.05 = 0.01-20-15-10-5040003000200010000管柱轴向载荷/104N井深/m = 0.05 = 0.1 = 0

9、.2连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算 水平井 最大下深，钻头无法加载2022-1-2218050010001500200025003000350040004500-50000-40000-30000-20000-1000001000020000300004000050000 下深4000米 临界轴向力 下深4075米 下深4080米 下深4081米 下深4082米轴向力/N下深/m锁死点连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算4. 连续管强度计算 连续管失效机理 爆裂，挤毁，褶皱和缩颈拉断2022-1-2219爆裂挤毁连续管受力分析起下能

10、力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算 多轴应力状态的强度 轴向、周向，径向应力，弯曲应力和扭转应力2022-1-22202habahbarhr2ba2h2re3)(-)(-)()/()4/()()(2wall2222walloi2o2wallirdDrDdppDpdp)/()4/()()(2wall2222walloi2o2wallihdDrDdppDpdppaa/ AFEcrIrM/bbpha/JTrye最小屈服应力轴向力压力连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81-1-0.8-0.6-0

11、.4-0.20(SIGMAa-SIGMAr)/SIGMAy(SIGMAq-SIGMAr)/SIGMAy 外压挤毁 Tamano公式2022-1-2221HPPPPPPPGOEOGOEOGOEOest4/21222111208. 1tDtDEPEO147. 11122tDtDtDPYGOYReH1412. 0(%)00114. 0(%)0808. 0塑性铰连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算5.注入头起下能力分析 起升与注入 夹持块夹持连续管 液压马达提供动力 液压油缸提供夹持压力2022-1-2222连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算2

12、022-1-2223 注入头结构与原理 摩擦力正压力 夹持块，两块，四块。 链条的张紧连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算2022-1-2224 起升与注入力 取决于摩擦力的大小 摩擦力为摩擦系数与正压力的乘积 接触面积大，接触应力小。连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算6.连续管卷绕行为分析 卷绕有塑性变形 残余应力和不可恢复的变形2022-1-2225连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算2022-1-2226 卷绕有残余变形 壁变薄， 椭圆率增加 平均直径增加连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起

13、下能力及疲劳计算2022-1-2227 椭圆率增加，抗外挤能力降低连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算2022-1-2228 卷绕半径减小，椭圆率增加连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算2022-1-2229 剪力增大，椭圆率增加连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算2022-1-2230 拉力增大，椭圆率增加连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算2022-1-2231 降低每次椭圆率等变形量的措施 减小连续管轴向拉力波动（卷绕与注入同步） 减小剪力连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管

14、受力分析起下能力及疲劳计算7. 连续管疲劳分析 高载荷水平 应力超过屈服应力2022-1-2232 低周疲劳 循环小于1000次 应变起主要作用连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算2022-1-2233 实验应力应变与真实应力应变 实验：应力=载荷/原面积；应变=伸长/原长 真实：面积有变化；伸长有变化Pl0llldAP真应力真应力True stress)1ln(d0ellll真应变真应变True strain0s-e ys 均匀变形均匀变形颈缩断裂连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算2022-1-2234 =P/A=Pl/A0l0=(P

15、/A0)(l0+l)/l0=S(1+e) =ln(1+e)=ln(l /l0)=ln(A0/A） 工程应力、应变与真应力、真应变间关系连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算2022-1-2235 单调加载下的应力应变关系 -曲线上任一点应变 表示为： =e+p 弹性 -e关系： =Ee -p关系用Holomon关系表达为： =K(p)n Remberg-Osgood 弹塑性应力-应变关系： p pe e0 0 AepnEK()1连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算可知：1) - 响应随循环次数改变。2)一定周次后有稳态滞后环。3)有循环硬化

16、和软化现象。2022-1-2236 循环应力-应变响应 滞后环 hysteresis loops 在a=const的对称循环下， 应力、应变的连续变化。：aa稳态环稳态环 0N=2100低碳钢的循环应力应变响应低碳钢的循环应力应变响应N，a，循环硬化；反之，为循环软化。连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算2022-1-2237 应变疲劳性能 应变-寿命曲线eafbEN()2pafcN ()2aeapafbfcENN ()()22Manson-Coffin公式公式 连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算2022-1-2238 -N曲线的近似估

17、计由拉伸性能估计材料的由拉伸性能估计材料的 -N-N曲线曲线350120606.()().SENNuf式中，Su为极限强度；f 是断裂真应变。 考虑平均应力的影响afmbfcENN ()()22注意注意 b b、c c0 0；拉伸平均应力有害，压缩平均应力有利。；拉伸平均应力有害，压缩平均应力有利。连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算2022-1-2239 例CT80CT80连续油管用钢性能指标连续油管用钢性能指标350120606.()().SENNuf=0.027；f =0.245。0010.0270.2451/0.60.60N501/5 . 30.0270.2451/0.612. 000.61ENSNu连续管受力分析起下能力及疲劳计算连续管受力分析起下能力及疲劳计算思考题 减阻剂能降低液体流动阻力？ 同等长度的连续管绕滚筒的阻力比直管大 垂直井眼中管柱浮力均匀分布在管柱上吗 受压连续管螺旋屈曲后，连续管与井壁的摩