井口无支撑段连续油管极限拉压载荷分析_杨明.pdf
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1、东北石油大学学报第 卷第期 年月 收稿日期:;编辑:任志平基金项目:国家自然科学基金项目();国家自然科学基金项目();黑龙江省自然科学基金项目()作者简介:杨明(),博士,讲师,主要从事井下管柱力学方面的研究。井口无支撑段连续油管极限拉压载荷分析杨明,刘巨保,王田玉,丁宇奇,岳欠杯,杨宝(东北石油大学 机械科学与工程学院,黑龙江 大庆 ;大庆油田有限责任公司 第二采油厂,黑龙江 大庆 )摘要:井口无支撑段连续油管内外压差最大且无井筒约束,易发生弯曲甚至折断。根据 公式,推导无支撑段连续油管在轴向载荷和内压作用下极限拉压载荷的理论计算公式;根据 规范,建立极限拉压载荷的数值模拟方法,与理论计算
2、公式、试验数据进行验证,采用理论公式计算不同钢级和壁厚的无缺陷连续油管在内压作用时的极限拉压载荷曲线,采用数值方法模拟含椭圆度和壁厚减薄缺陷的连续油管在内压作用时的极限拉压载荷曲线。结果表明:随钢级和壁厚的增加,连续油管的极限拉压载荷逐渐增大;随内压增加,连续油管的极限拉伸载荷先增大后减小,具有极值点,极限下压载荷与内压呈抛物线形式降低;在内压较高时,椭圆度和壁厚减薄缺陷大幅降低连续油管的极限拉压载荷。该结果为现场射孔和压裂作业时井口无支撑段连续油管的压力和载荷评价提供依据。关键词:连续油管;极限载荷;钢级;壁厚;椭圆度;壁厚减薄;无支撑段;井口中图分类号:文献标识码:文章编号:()引言连续油
3、管作业技术在射孔压裂、带压工具打捞、带压修井、带压冲砂和钻井等作业中得到广泛应用。在带压下放过程中,连续油管具有直径小、弯曲刚度低、质量轻等特点,井筒内受压段的连续油管可能诱发管柱屈曲,为抵消井内钻井液产生的浮托力、井内压力,以及连续油管与井壁之间的摩阻力,需要用注入头将钻井液注入井内;此外,注入头与防喷盒之间的无支撑连续油管内外压差最大,并且无井筒约束,在过大的注入力和内压作用下易发生塑性垮塌破坏。为保证连续油管正常工作,需要确定无支撑段连续油管在不同内压作用下发生失效破坏的极限拉压载荷。基于 方程,和 计算注入头下部无支撑段油管的失效载荷,但未考虑内压的影响。基于 方程,任经纬 认为失效载
4、荷随无支撑段油管长度的增加而减小,随壁厚的增加而增加,但未考虑内压对失效载荷的影响。等 考虑内压因素,对轴向压力和内压作用下的无支撑段连续油管的失效载荷进行试验分析,得到失效载荷与内压关系的经验公式,但未分析含缺陷的连续油管极限载荷。基于曲梁理论,王飞文等 推导有初始曲率的无支撑段连续油管的失效载荷理论计算公式,随长度增加而减小,随壁厚增加而增加。基于曲梁理论,朱兆亮等 认为失效载荷与长度呈二次方反比例关系,与径厚比呈正比例关系。张真真 利用 软件分析不同壁厚、外径和长度的油管,认为无支撑段连续油管的失效模式为屈曲。李伟权等 采用有限元方法分析连续油管在轴向拉伸、弯曲、内压作用下轴向和环向初始
5、缺陷的局部应力状态,评估在不同组合载荷下两种缺陷对连续油管的危害性。赵乐等 采用 软件模拟含体积型缺陷连续油管周期弯曲过程,模拟体积型缺陷几何参数与应变集中系数的关系,得到含体积型缺陷连续油管疲劳寿命预测公式。结合有限元方法,吕加华等 将缺陷形状分为方形、球形和椭球形三种,开展拉伸和内压工况下连续油管承载能力的研究。目前,有关含缺陷的连续油管极限拉压载荷分析鲜有报道,在轴向载荷和内压作用下,无支撑段油管的破坏形式和失效载荷确定方法不成熟,有必要开展连续油管钢级、壁厚、含椭圆度和壁厚减薄缺陷对极限拉压载荷的影响研究。根据 公式,推导无支撑段连续油管失效载荷的理论计算公式;根据 规范,建立数值模拟
6、方法,与理论计算方法、试验数据进行验证,给出不同钢级和壁厚的无缺陷连续油管,以及不同循环次数下不同钢级连续油管在内压作用时的极限拉压载荷曲线,对现场射孔和压裂作业进行应用,为井口无支撑段连续油管的压力和载荷评价提供依据。极限拉压载荷理论计算为便于理论推导,假设:连续油管为理想直管,并且壁厚均匀;复合载荷的加载顺序对极限载荷不产生影响,即轴向载荷不影响由内压作用引起的环向应力和径向应力分布。连续油管首先受内压作用,然后在轴向载荷作用下达到全部屈服。仅受内压作用时,可能使连续油管处于全弹性状态或弹塑性状态,计算连续油管处于临界状态下的临界压力,连续油管受力状态见图,其中为连续油管内压,为连续油管轴
7、向压力,为连续油管外径,为连续油管内径。图连续油管受力状态 定义外径与内径比为。()为便于计算,将表达为无因次形式,定义为()(),()式中:为连续油管屈服极限。轴向压力产生的应力分布()只与连续油管的半径有关,不影响环向和径向应力分布。连续油管受内压作用产生的应力分布由 公式确定,连续油管的三个主应力、分别为(),()(),()()。()仅受内压作用时,连续油管处于全弹性状态的临界状态为连续油管内壁刚好达到屈服极限,即式()的为,将式()代入 屈服条件:()()()。()求解并化简得到连续油管仅受内压作用时处于全弹性状态满足条件:()。()式()与 连 续 油 管 的 破 裂 压 力 公 式
8、 相 同,内 压 使 连 续 油 管 处 于 全 弹 性 状 态 的 极 限 压 力()。当内压加载完后,先保持不变,然后加载轴向力。假设轴向力产生的应力()只与轴向应第期杨明等:井口无支撑段连续油管极限拉压载荷分析力有关,对环向应力和径向应力不产生影响,则连续油管在内压和轴向力作用下的轴向应力为()()。()极限状态下连续油管内各点需要满足 屈服条件,将式()、()和()代入 屈服条件得()()()()(),()化简得()()(),()其中()为()()()。()由连续油管轴向力平衡可得极限下压载荷 为 ()。()将式()代入式(),得到仅受内压作用时无支撑连续油管极限下压载荷为 ()()。
9、()若无支撑段连续油管承受拉力,则对应的轴向应力为()()。同理,可得仅受内压作用时无支撑连续油管极限拉伸载荷 为 。()极限拉压载荷数值模拟有限元模型以(壁厚为)、长度为 的 级连续油管为例,根据 规范 计算方法,给出连续油管极限下压载荷的数值模拟方法,极限拉伸载荷的计算方法类似。在带压作业下,无支撑连续油管上端在注入头夹持块内受径向位移约束,下端与防喷盒内的密封胶芯紧密接触,忽略连续油管与油管导口的间隙,油管导口对连续油管的约束为全约束。无支撑段连续油管力学模型见图,其中为施加的轴向载荷,有限元网格见图。图无支撑段连续油管力学模型 图无支撑段连续油管有限元网格 东北石油大学学报第 卷 年采
10、用极限载荷法 进行求解时,选用双线性等向强化的本构模型,给定材料的弹性模量为 ,泊松比为,屈服强度为 。为使载荷增量在达到极限载荷时继续求解,给定切线模量为 ,利用载荷步文件法,将内压和轴向载荷分两个载荷步依次施加在有限元模型上。表不同离散单元数时无支撑段连续油管极限下压载荷 环向单元数轴向单元数 为分析离散单元数对计算结果的影响,取内压为 工况,选用 单元并划分六面体网格,将壁厚沿径向划分层网格,变化环向和轴向离散单元数,计算不同单元数时极限下压载荷(见表)。由表可以看出,离散单元数对计算结果影响不大,可将连续油管沿环向划分 个单元,沿轴向划分 个单元,既能满足求解精度,又能提高求解速度。在
11、选定的离散单元数模型上,不同约束条件下极限下压载荷结果见表。由表可以看出,不同约束条件对连续油管极限下压载荷没有影响,主要原因是无支撑段连续油管较短,未发生屈曲失效。表不同约束条件下无支撑段连续油管极限下压载荷 约束条件内压 两端固定 下端固定、上端铰支 两端铰支 极限载荷应力采用极限载荷法确定塑性极限载荷点的方法,主要有两倍弹性斜率法、双切线相交法、零曲率点法和不收敛解。前三种方法需要通过载荷位移曲线确定塑性极限载荷;相比其他方法,零曲率点法对应的物理意义比较清晰,对不同部位分别提取载荷位移曲线,结果与对应的极限载荷接近。如果按照 规范 假设分析,在达到极限载荷时,解不收敛,则得不到极限载荷
12、点的曲线段;可以通过给定一个切线模量,使载荷增量达到极限载荷后继续求解,得到极限载荷点的曲线段。图无支撑段连续油管载荷位移局部曲线 取连续油管外壁任一母线上的中间节点,绘制载荷位移曲线(局部曲线见图)。由图可以看出,根据曲线规律,可划分为第一斜率段、膝部和第二斜率段。其中,第一斜率段的连续油管处于线弹性阶段,结构刚度较大。到达膝部起点时,连续油管局部开始出现塑性变形;随膝部不断地上移,局部塑性变形急剧扩展,载荷增加到膝部终点时,连续油管出现大面积塑性变形,根据零曲率点法,将膝部终点对应的轴向载荷定为连续油管的极限下压载荷。膝部终点对应 的轴向压力,即为极限下压载荷。提取连续油管外壁任一母线上的
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