殘余彎曲力對連續油管注入器的影響

編譯:黃永章 (西安石油大學)

審校:上官豐收 (中國石油天然氣集團公司管材研究所)

殘余彎曲力對連續油管注入器的影響

編譯:黃永章 (西安石油大學)

審校:上官豐收 (中國石油天然氣集團公司管材研究所)

主要討論連續油管的殘余彎曲力和對注入器的影響,對比了殘余彎曲力的計算數值與實驗測試結果的差異。這些結果可以用來調整夾持器梁的有效壓力。

連續油管 殘余彎曲力 注入器

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.3.010

1 介紹

注入器是CT(連續油管)系統的一個主要組成部分,它的功能是將CT注入到井中或把CT從井中取出,在作業過程中它都控制著連續油管。注入器承受油管的重力和流體載荷。如果注入器不能控制CT,CT將滑入井眼,當CT下滑時,將嚴重損傷夾持塊;如果注入器給連續油管施加過大的夾持力,則容易擠扁管柱。這些都會增加井下作業的成本。

為滿足深井和井內壓力增加的要求,需增大油管尺寸和改變其他的油管性能。尺寸大、強度高的油管要比尺寸小、強度低的油管更難夾持。因為尺寸大的油管要比小油管產生更大的殘余力,殘余力會影響注入器的工作狀態。在個別的作業中,殘余力甚至會影響作業的成功與否。

2 殘余力

連續油管的殘余力和它的性能、尺寸和自然彎曲相關。油管被彎曲后,它有一個自然彎曲或穩定狀態,這時的曲率就是計算殘余力的基礎。圖1顯示了不同尺寸和曲率的殘余力。油管的尺寸是決定殘余彎曲力的一個重要因素。注入器的夾持力的大小是由這個彎曲殘余力決定的。夾持力由液壓缸大小、數量和液壓決定。夾持力與殘余彎曲力是相互對立的,則可以用滑脫壓力來計算夾持塊上增加的壓力值。

圖1顯示了發生殘余彎曲后CT截面變直的力。這個力可由簡支梁公式 (1)、公式 (2)和公式 (3)計算得到,圖2是簡支梁的示意圖。使連續油管變直的變形量是通過滾筒直徑和夾持梁的長度按圖3所示計算。最大撓度值 ymax按簡支梁式(1)給出,其中:P、L、E和I分別代表力、梁的長度、楊氏模量和慣性矩。鋼材的楊氏模量 E=30×103psi(1 psi=6.895 kPa),用于所有計算中。將式 (1)變形為式 (2),可以計算力或載荷 P的大小。夾持塊的長度決定了簡支梁L的大小。一個圓環的慣性矩可根據式 (3)計算,D和 H分別是外徑和壁厚值。

圖1 使殘余彎曲的CT斷面變直的力

圖2 簡支梁示意圖

圖3 殘余彎曲示意圖

3 初始方法

消除殘余彎曲需要增加額外的夾持力。額外增加的力由所有液壓活塞分開承擔,液壓系統施加夾持力來控制連續油管。產生額外夾持力所對應的液壓稱為最小正壓。作用在CT上的軸向載荷也會影響克服殘余彎曲所需的夾持壓力。殘余彎曲力由簡支梁方程計算得到,作為阻止滑脫的最小液壓。

4 實驗結果

可以用實驗來修正夾持液壓。用外徑1.75 in、0.156 in(1 in=25.4 mm)壁厚的CT做拉伸實驗,找出連續油管在96 in半徑油管軌跡上的滑脫點。圖4給出僅基于提升載荷的原始系統壓力計算值 (舊值)、包括提升載荷和殘余彎曲力的新夾持壓力值和真實的滑脫實驗壓力值。

圖4 夾持壓力和軸向載荷的關系

隨著實驗中載荷的增加,有效的摩擦系數也增加 (表1)。實驗結果表明提供的軸向載荷對殘余彎曲力和抵消殘余彎曲額外增加的力都有影響。

表1 滑脫實驗結果

5 有限元分析 (FEA)

用SolidWorks軟件建立三維實體模型,取四分之一進行分析。該模型包括兩部分:有殘余彎曲的斷面和位移塊。位移塊是用于簡單模擬夾持梁裝置,并在FEA模型中用于替代油管的殘余彎曲。本文使用商業軟件ANSYS進行分析。

表2對比了用簡支梁手算和有限元得到的殘余彎曲力值。有限元的結果與實驗測試值較相似。有限元結果通過簡支梁方程計算值得到確認。可以得出如下幾個結論:

◇增加軸向拉伸載荷會減少殘余彎曲力;

◇軸向壓縮載荷會大大地增加殘余彎曲力;

◇增加殘余彎曲半徑會減少所需的撓度值和相應地減少殘余力。

表2 連續油管的殘余力

表3是彌補殘余彎曲的液缸壓力、夾持滑動壓力、總的液缸壓力和有效摩擦系數的計算結果。有效摩擦系數隨軸向載荷增加而變大,相比同樣的拉伸載荷,在壓縮載荷條件下需要更大的正壓力來克服殘余彎曲。

表3 夾持液缸壓力和有效摩擦系數的計算

壓縮載荷的影響意味著可能需要使用比當前更高的夾持壓力。這意味著應獨立研究壓縮載荷的影響,也許在高強度材料和高壓作業里壓縮載荷是一個關鍵因素。相比同樣大小的拉伸載荷,壓縮載荷需要更大的夾持壓力。

6 結論

◇殘余彎曲力對注入器有影響;

◇FEA和室內實驗確定了有效摩擦系數隨軸向載荷增加而增大;

◇用FEA可以模擬全尺寸試驗;

◇在壓縮載荷的影響上,需要更多的分析來完善在受壓縮載荷下的夾持液壓圖表;

◇更高強度管材有待更進一步的研究。

資料來源于美國《SPE 113646》

2008-12-30)