定向钻回拖过程管线有限元应力分析.pdf
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1、收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 3作者简介:刘沛(1 9 8 8-),男,陕西乾县人,硕士,石油与天然气工程专业,工程师,陕西首创天成工程技术有限公司科技研发办公室主任。定向钻回拖过程管线有限元应力分析刘 沛(陕西首创天成工程技术有限公司 第二设计院,陕西 西安 7 1 0 0 1 6)摘要:在定向钻回拖过程中,管线受力情况复杂多变,其入土点,弯曲点及出土点受力各不相同。采用A b a q u s有限元软件分析管线各位置处与土壤受力之间的关系,为工程实际运用提供理论支持。关键词:应力分析;有限元法;边界条件;等效应力。中图分类号:T E 9 7 3.4 文献标识码:A 文章编号:1 0
2、0 6-7 9 8 1(2 0 2 3)0 8-0 0 6 2-0 41 前言将穿越管线沿孔洞从入土点回拖至出土点的过程中,钻机对于管线施加的用来克服管线在孔洞内与孔壁之间的摩擦力的总力称之为回拖力,泥浆的浮力、管线的自重、管线与扩孔之间的摩擦系数、泥浆的粘滞系数都对回脱力的大小起一定的影响作用。在回拖过程中,管线各位置处均受力不均,其结果对于回拖力的大小,钻机的选择至关重要,本文拟采用A b a q u s有限元软件对管线各部位进行建模分析,为工程实际提供理论依据。2 建立物理模型定向钻穿越过程中,管体和土壤之间存在孔隙,当管线回拖时,空隙中充满泥浆,给管线回拖过程增加了阻力1,可以忽略泥浆
3、对管线应力的影响,可不考虑泥浆的影响;管线在扩孔中回拖较慢,管线和土壤处于平衡状态2,为此做简化如下:(1)不考虑泥浆的影响,不考虑孔隙压力、地应力、地层土自身重力、管重力。(2)半径为r、壁厚为。建立物理剖面示意图如图1所示。采用轴对称的三维有限元模型来进行管线回拖过程的应力分析,由于管线的对称性,所以将管线从中间切断截取结构的一半进行实例模拟,三维有限元模型见图2。图2中绿色长方体表示土壤模块,长、宽、高分别为1 0 0 0 m、3 0 0 m、4 5 m。其塑性变形采用摩尔-库伦模型3,A为入土点,B为出土点。简化模型如图3所示。图1 管土相互作用物理模型示意图图2 轴对称三维有限元模型
4、模型的边界条件为:1、约束侧面及底面在x、y、z方向的位移和绕x、y、z轴的转动;26 内蒙古石油化工2 0 2 3年第8期 2、对于轴对称的切面,约束该面在z方向的位移。图3 三维有限元简化模型 经过试算,对于三维模型进行网格划分如图4所示。图4 三维模型网格划分图图5 A点局部区域网格划分放大图3 实例计算结果分析以某穿越工程为例,该穿越工程基本参数为:管线 为D 8 1 31 6.8 mm,材 质 为 钢 管,密 度 为7 8 0 0 k g/m3,弹性模量为2.11 05MP a,1为0.3;穿越段为 粘 土 层,密 度 为1 0 0 0 k g/m3,弹 性 模 量 为4 0 MP
5、a,2为0.2 4,穿 越 段 回 拖 力 实 际 为7 1 8.5 6 k N。在不考虑自定义场变量的情况下,软件在应力云图中输出以下应力变量:M i s e s、第一主应力、第二主应力、第三主应力、T r e s c a、P r e s s u r e、T h i r dI n v a r i a n t。M i s e s的等效应力表达式为:=12(x-y)2+(y-z)2+(z-x)2+6(2x y+2y z+2z x(1)当=s时,(s2=3 K2,K为材料的剪切屈服强度),材料进入屈服状态。T r a s c a为最大主应力与最小主应力之差,等效应力表达式为:=1-3(2)当=2
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