連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算

1、連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算周志宏長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2014年11月1日12022-1-22連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算內(nèi)容連續(xù)管概述連續(xù)管流體阻力分析連續(xù)管井中力學(xué)分析連續(xù)管強(qiáng)度計(jì)算注入頭起下能力分析連續(xù)管卷繞行為分析連續(xù)管疲勞分析2022-1-222連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算1. 連續(xù)管概述2022-1-223起下時(shí)間短、減少停產(chǎn)時(shí)間，常規(guī)油管的11倍。起下鉆時(shí)可以循環(huán)，封閉油管可帶壓作業(yè)，對(duì)地層傷害小。作用：洗井；酸化、壓裂；氣舉；磨銑；礫石充填

2、；封層 (注水泥, 架橋塞)；排液/完井管柱；射孔,測(cè)井；井下作業(yè)；定向鉆井；打撈。優(yōu)點(diǎn)：作業(yè)簡(jiǎn)單，作業(yè)人員少，費(fèi)用低。搬遷快，占地小，環(huán)保，占地面積是常規(guī)鉆井的1/3。可選擇不同尺寸的油管作水力通道。施工安全，維護(hù)方便?？梢酝ㄟ^(guò)大斜度井連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算1. 連續(xù)管概述2022-1-224注入器結(jié)構(gòu)：注入器、卷筒、鵝頸導(dǎo)向特點(diǎn)：塑性變形，存在殘 余變形，橢圓度鵝頸導(dǎo)向卷筒連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算2. 連續(xù)管流體阻力分析-井中 流體流動(dòng)狀態(tài) 層流2022-1-225 過(guò)渡流 紊流連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)

3、算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算 牛頓流體 流動(dòng)阻力可由下式確定2022-1-2262222iiL VL VPfdd 雷諾數(shù)為giVdRe53. 1Relg8 . 11f 紊流fanning系數(shù)連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算2022-1-227 冪率流體 本構(gòu)方程nK剪切應(yīng)力稠度系數(shù)剪切速率流變指數(shù) 廣義雷諾數(shù)為nnnnGnKdv132Re32 fanning摩阻系數(shù)bGSTafRe5093. 3logna7log75. 1nb連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算2. 連續(xù)管流體阻力分析-滾筒 非牛頓流體 Dean數(shù)2022-1-

4、2285 . 0GReRrNDeg 紊流fanning系數(shù)用下式求DegNbaf連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算2. 連續(xù)管流體阻力分析-滾筒2022-1-229連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算2. 連續(xù)管流體阻力分析-結(jié)論 牛頓流體與非牛頓流體 非牛頓流體的阻力可能小于清水（牛頓流體）阻力。2022-1-2210 直管與彎管 流體在彎管流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生二次流，導(dǎo)致流體流過(guò)彎管的阻力要大于流過(guò)直管的阻力。連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算05010015020025002004006008001000-

5、4000-3500-3000-2500-2000-1500-1000-50003. 連續(xù)管井中力學(xué)分析 油井井眼軌跡 垂直井 定向井，增斜、降斜 水平井2022-1-2211增斜降斜穩(wěn)斜連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算3. 連續(xù)管井中力學(xué)分析 垂直井中連續(xù)管的力學(xué)分析 重力 井壁摩擦力 液體的浮力2022-1-2212 連續(xù)油管 套管 O z 井口 井液 z dz gdz l glArs P 連續(xù)油管 套管 O z 井口 井液 z dz l glAall P 浮力作用在連續(xù)管的最下端連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算 定向井水平井的

6、增斜段、降斜段力學(xué)分析 連續(xù)管彎曲，但彎曲半徑大，與軟繩類(lèi)似 連續(xù)管井中的變形狀態(tài) 細(xì)長(zhǎng)桿，歐拉公式，容易失穩(wěn)-屈曲 受井眼壁的約束 正弦屈曲 螺旋屈曲2022-1-2213什么條件？有何影響？22crlEIP連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算 屈曲的數(shù)學(xué)描述 假設(shè)：井眼均勻，截面為圓形，半徑相同。連續(xù)管是均勻的，截面為圓形，半徑相同。續(xù)管外壁與井眼內(nèi)壁連續(xù)接觸。2022-1-2214RbOrRtyz 未屈曲狀態(tài)：連續(xù)管將位于井眼的底部 正弦屈曲：位置是軸線(xiàn)x坐標(biāo)的正弦函數(shù) 螺旋屈曲：位置是軸線(xiàn)x坐標(biāo)的持續(xù)增長(zhǎng)函數(shù)連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下

7、能力及疲勞計(jì)算 屈曲的臨界軸向力 受壓時(shí)可能產(chǎn)生屈曲 垂直井眼的臨界軸向力2022-1-2215 正弦屈曲理論 = 2.55；螺旋屈曲 = 5.55斜直井眼和水平井眼的臨界軸向力32crEIwFrEIwFsincr 正弦屈曲理論 = 2；螺旋屈曲 = 5.55EI為連續(xù)管抗彎剛度w為連續(xù)管單位長(zhǎng)度重量r為連續(xù)管與井眼的間隙 為井眼的井斜角連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算 實(shí)際井眼中螺旋屈曲的臨界軸向力2022-1-2216 正弦屈曲時(shí)，b 4；螺旋屈曲時(shí)b 8。22224sinsin)(baFaFmgrEIFicriicricr井斜角井眼的井斜率變化率 井眼的方

8、位角變化率 螺旋屈曲的接觸力EIrFF42ac1Fa為連續(xù)管的軸向力連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算 連續(xù)管井中的軸向力 軟繩模型2022-1-2217c1acosddFmgsF 接觸力icraaicraiFFEIrFFFaFaFmgF4)sin()sin(22a2ac1-25-20-15-10-50400035003000250020001500井深/m管柱軸向載荷/104N = 0.2 = 0.15 = 0.1 = 0.05 = 0.01-20-15-10-5040003000200010000管柱軸向載荷/104N井深/m = 0.05 = 0.1 = 0

9、.2連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算 水平井 最大下深，鉆頭無(wú)法加載2022-1-2218050010001500200025003000350040004500-50000-40000-30000-20000-1000001000020000300004000050000 下深4000米 臨界軸向力 下深4075米 下深4080米 下深4081米 下深4082米軸向力/N下深/m鎖死點(diǎn)連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算4. 連續(xù)管強(qiáng)度計(jì)算 連續(xù)管失效機(jī)理 爆裂，擠毀，褶皺和縮頸拉斷2022-1-2219爆裂擠毀連續(xù)管受力分析起下能

10、力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算 多軸應(yīng)力狀態(tài)的強(qiáng)度 軸向、周向，徑向應(yīng)力，彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力2022-1-22202habahbarhr2ba2h2re3)(-)(-)()/()4/()()(2wall2222walloi2o2wallirdDrDdppDpdp)/()4/()()(2wall2222walloi2o2wallihdDrDdppDpdppaa/ AFEcrIrM/bbpha/JTrye最小屈服應(yīng)力軸向力壓力連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)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 外壓擠毀 Tamano公式2022-1-2221HPPPPPPPGOEOGOEOGOEOest4/21222111208. 1tDtDEPEO147. 11122tDtDtDPYGOYReH1412. 0(%)00114. 0(%)0808. 0塑性鉸連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算5.注入頭起下能力分析 起升與注入 夾持塊夾持連續(xù)管 液壓馬達(dá)提供動(dòng)力 液壓油缸提供夾持壓力2022-1-2222連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算2

12、022-1-2223 注入頭結(jié)構(gòu)與原理 摩擦力正壓力 夾持塊，兩塊，四塊。 鏈條的張緊連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算2022-1-2224 起升與注入力 取決于摩擦力的大小 摩擦力為摩擦系數(shù)與正壓力的乘積 接觸面積大，接觸應(yīng)力小。連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算6.連續(xù)管卷繞行為分析 卷繞有塑性變形 殘余應(yīng)力和不可恢復(fù)的變形2022-1-2225連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算2022-1-2226 卷繞有殘余變形 壁變薄， 橢圓率增加 平均直徑增加連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起

13、下能力及疲勞計(jì)算2022-1-2227 橢圓率增加，抗外擠能力降低連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算2022-1-2228 卷繞半徑減小，橢圓率增加連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算2022-1-2229 剪力增大，橢圓率增加連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算2022-1-2230 拉力增大，橢圓率增加連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算2022-1-2231 降低每次橢圓率等變形量的措施 減小連續(xù)管軸向拉力波動(dòng)（卷繞與注入同步） 減小剪力連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管

14、受力分析起下能力及疲勞計(jì)算7. 連續(xù)管疲勞分析 高載荷水平 應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力2022-1-2232 低周疲勞 循環(huán)小于1000次 應(yīng)變起主要作用連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算2022-1-2233 實(shí)驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變與真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變 實(shí)驗(yàn)：應(yīng)力=載荷/原面積；應(yīng)變=伸長(zhǎng)/原長(zhǎng) 真實(shí)：面積有變化；伸長(zhǎng)有變化Pl0llldAP真應(yīng)力真應(yīng)力True stress)1ln(d0ellll真應(yīng)變真應(yīng)變True strain0s-e ys 均勻變形均勻變形頸縮斷裂連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)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） 工程應(yīng)力、應(yīng)變與真應(yīng)力、真應(yīng)變間關(guān)系連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算2022-1-2235 單調(diào)加載下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 -曲線(xiàn)上任一點(diǎn)應(yīng)變 表示為： =e+p 彈性 -e關(guān)系： =Ee -p關(guān)系用Holomon關(guān)系表達(dá)為： =K(p)n Remberg-Osgood 彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系： p pe e0 0 AepnEK()1連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算可知：1) - 響應(yīng)隨循環(huán)次數(shù)改變。2)一定周次后有穩(wěn)態(tài)滯后環(huán)。3)有循環(huán)硬化

16、和軟化現(xiàn)象。2022-1-2236 循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng) 滯后環(huán) hysteresis loops 在a=const的對(duì)稱(chēng)循環(huán)下， 應(yīng)力、應(yīng)變的連續(xù)變化。：aa穩(wěn)態(tài)環(huán)穩(wěn)態(tài)環(huán) 0N=2100低碳鋼的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)低碳鋼的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)N，a，循環(huán)硬化；反之，為循環(huán)軟化。連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算2022-1-2237 應(yīng)變疲勞性能 應(yīng)變-壽命曲線(xiàn)eafbEN()2pafcN ()2aeapafbfcENN ()()22Manson-Coffin公式公式 連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算2022-1-2238 -N曲線(xiàn)的近似估

17、計(jì)由拉伸性能估計(jì)材料的由拉伸性能估計(jì)材料的 -N-N曲線(xiàn)曲線(xiàn)350120606.()().SENNuf式中，Su為極限強(qiáng)度；f 是斷裂真應(yīng)變。 考慮平均應(yīng)力的影響afmbfcENN ()()22注意注意 b b、c c0 0；拉伸平均應(yīng)力有害，壓縮平均應(yīng)力有利。；拉伸平均應(yīng)力有害，壓縮平均應(yīng)力有利。連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算2022-1-2239 例CT80CT80連續(xù)油管用鋼性能指標(biāo)連續(xù)油管用鋼性能指標(biāo)350120606.()().SENNuf=0.027；f =0.245。0010.0270.2451/0.60.60N501/5 . 30.0270.2451/0.612. 000.61ENSNu連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算思考題 減阻劑能降低液體流動(dòng)阻力？ 同等長(zhǎng)度的連續(xù)管繞滾筒的阻力比直管大 垂直井眼中管柱浮力均勻分布在管柱上嗎 受壓連續(xù)管螺旋屈曲后，連續(xù)管與井壁的摩