连续管受力分析起下能力及疲劳计算.ppt

1、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,1,2020/9/11,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,2020/9/11,2,1. 连续管概述,2020/9/11,3,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

2、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,1. 连续管概述,2020/9/11,4,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,2. 连续管流体阻力分析-井中,流体流动状态 层流,2020/9/11,5,过渡流,紊流,牛顿流体 流动阻力可由下式确定,2020/9/11,6,雷诺数为,紊流fanning系数,2020/9/11,7,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,2. 连续管流体阻力分析-滚筒,非牛顿流体 Dean数,202

3、0/9/11,8,紊流fanning系数用下式求,2. 连续管流体阻力分析-滚筒,2020/9/11,9,2. 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。,2020/9/11,10,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。,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,2020/9/11,11,增斜,降斜,稳斜,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,2020/9/11,12,浮力作用在连续管的最下端,定向井水平井的增斜段、

4、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,2020/9/11,13,什么条件？ 有何影响？,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。,2020/9/11,14,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,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,2020/9/11,15,正弦屈曲理论g = 2.55；螺旋屈曲g = 5.

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,实际井眼中螺旋屈曲的临界轴向力,2020/9/11,16,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,连续管井中的轴向力 软绳模型,2020/9/11,17,接触力,水平井 最大下深，钻头无法加载,2020/9/11,18,锁死点,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,2020/9/11,19,爆裂,挤毁,多

6、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,2020/9/11,20,最小屈服应力,轴向力,压力,外压挤毁 Tamano公式,2020/9/11,21,塑性铰,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,2020/9/11,22,2020/9/11,23,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,2020/9/11,24,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。,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,2020/9/11,25,2

7、020/9/11,26,卷绕有残余变形 壁变薄， 椭圆率增加 平均直径增加,2020/9/11,27,椭圆率增加，抗外挤能力降低,2020/9/11,28,卷绕半径减小，椭圆率增加,2020/9/11,29,剪力增大，椭圆率增加,2020/9/11,30,拉力增大，椭圆率增加,2020/9/11,31,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,7. 连续管疲劳分析,高载荷水平 应力超过屈服应力,2020/9/11,32,低周疲劳 循环小于1000次 应变起主要作用,2020/9/11,33,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

8、/原长 真实：面积有变化；伸长有变化,真应力 True stress,真应变 True strain,颈缩,断裂,2020/9/11,34, =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,2020/9/11,35,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：,可知： 1) - 响应随循环次数改变。 2)一定周次后有稳态滞后环。

9、 3)有循环硬化和软化现象。,2020/9/11,36,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。 ：,e,a,a,稳态环,s,0,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。,2020/9/11,37,应变疲劳性能 应变-寿命曲线,Manson-Coffin公式,2020/9/11,38,-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。,2020/9/11,39,例 CT80连续油管用钢性能指标,De=0.027；f =0.245。,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。 为何注入头要用很多摩擦块与连续管