连续管受力分析起下能力及疲劳计算.ppt

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 1 * 连续管受力分析起下能力及疲劳计算 内容 1. 连续管概述 2. 连续管流体阻力分析 3. 连续管井中力学分析 4. 连续管强度计算 5. 注入头起下能力分析 6. 连续管卷绕行为分析 7. 连续管疲劳分析 *2 连续管受力分析起下能力及疲劳计算 1. 连续管概述 *3 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；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 1. 连续管概述 *4 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 2. 连续管流体阻力分析-井中 流体流动状态 层流 *5 过渡流 紊流 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 *6 雷诺数为 紊流fanning系数 连续管受力分析起下能力及疲劳计算 *7 幂率流体 本构方程 剪切应力 稠度系数 剪切速率流变指数 广义雷诺数为 fanning摩阻系数 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 *8 紊流fanning系数用下式求 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 *9 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。 *10 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 3. 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 *11 增斜 降斜 稳斜 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 *12 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 定向井水平井的增斜段、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 *13 什么条件 ？ 有何影响 ？ 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。 *14 未屈曲状态：连续管将位于井眼的底部 正弦屈曲：位置q是轴线x坐标的正弦函数 螺旋屈曲：位置q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 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 *15 正弦屈曲理论g = 2.55；螺旋屈曲g = 5.55 斜直井眼和水平井眼的临界轴向力 正弦屈曲理论g = 2；螺旋屈曲g = 5.55 EI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 q 为井眼的井斜角 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 *16 正弦屈曲时，b 4；螺旋屈曲时b 8。 井斜角 井眼的井斜率变化率 井眼的方位角变化率 螺旋屈曲的接触力 Fa为连续管的轴向力 连续管受力分析起下能力及疲劳计算 连续管井中的轴向力 软绳模型 *17 接触力 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 *18 锁死点 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 *19 爆裂挤毁 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 *20 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 外压挤毁 Tamano公式 *21 塑性铰 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 *22 连续管受力分析起下能力及疲劳计算 *23 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 *24 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 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 *25 连续管受力分析起下能力及疲劳计算 *26 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 *27 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 *28 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 *29 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 *30 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 *31 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 7. 连续管疲劳分析 高载荷水平 应力超过屈服应力 *32 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 *33 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 P l 0 l l ld 真应力 True stress 真应变 True strain 0 应应应应力力 应变应变应变应变 s-e ys - 均匀变形 颈缩 断裂 连续管受力分析起下能力及疲劳计算 *34 =P/A=Pl/A0l0=(P/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 *35 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： pe 0 A 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)有循环硬化和软化现象。 *36 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。 ： a a 稳态环 0 N=2 100 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 *37 应变疲劳性能 应变-寿命曲线 Manson-Coffin公式 连续管受力分析起下能力及疲劳计算 *38 -N曲线的近似估计 由拉伸性能估计材料的-N曲线 式中，Su为极限强度；f 是断裂真应变。 考虑平均应力的影响 注意 b、c0；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 *39 例 CT80连续油管用钢性能指标 =0.027；f =0.245。 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 摩擦力大幅增加，可能造成锁死。 受拉且受内压比受压且受内压的难失效。 连续管外挤失稳后形成4个塑性铰