残余弯曲力对连续油管注入器的影响

编译:黄永章 (西安石油大学)

审校:上官丰收 (中国石油天然气集团公司管材研究所)

残余弯曲力对连续油管注入器的影响

编译:黄永章 (西安石油大学)

审校:上官丰收 (中国石油天然气集团公司管材研究所)

主要讨论连续油管的残余弯曲力和对注入器的影响,对比了残余弯曲力的计算数值与实验测试结果的差异。这些结果可以用来调整夹持器梁的有效压力。

连续油管 残余弯曲力 注入器

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

1 介绍

注入器是CT(连续油管)系统的一个主要组成部分,它的功能是将CT注入到井中或把CT从井中取出,在作业过程中它都控制着连续油管。注入器承受油管的重力和流体载荷。如果注入器不能控制CT,CT将滑入井眼,当CT下滑时,将严重损伤夹持块;如果注入器给连续油管施加过大的夹持力,则容易挤扁管柱。这些都会增加井下作业的成本。

为满足深井和井内压力增加的要求,需增大油管尺寸和改变其他的油管性能。尺寸大、强度高的油管要比尺寸小、强度低的油管更难夹持。因为尺寸大的油管要比小油管产生更大的残余力,残余力会影响注入器的工作状态。在个别的作业中,残余力甚至会影响作业的成功与否。

2 残余力

连续油管的残余力和它的性能、尺寸和自然弯曲相关。油管被弯曲后,它有一个自然弯曲或稳定状态,这时的曲率就是计算残余力的基础。图1显示了不同尺寸和曲率的残余力。油管的尺寸是决定残余弯曲力的一个重要因素。注入器的夹持力的大小是由这个弯曲残余力决定的。夹持力由液压缸大小、数量和液压决定。夹持力与残余弯曲力是相互对立的,则可以用滑脱压力来计算夹持块上增加的压力值。

图1显示了发生残余弯曲后CT截面变直的力。这个力可由简支梁公式 (1)、公式 (2)和公式 (3)计算得到,图2是简支梁的示意图。使连续油管变直的变形量是通过滚筒直径和夹持梁的长度按图3所示计算。最大挠度值 ymax按简支梁式(1)给出,其中:P、L、E和I分别代表力、梁的长度、杨氏模量和惯性矩。钢材的杨氏模量 E=30×103psi(1 psi=6.895 kPa),用于所有计算中。将式 (1)变形为式 (2),可以计算力或载荷 P的大小。夹持块的长度决定了简支梁L的大小。一个圆环的惯性矩可根据式 (3)计算,D和 H分别是外径和壁厚值。

图1 使残余弯曲的CT断面变直的力

图2 简支梁示意图

图3 残余弯曲示意图

3 初始方法

消除残余弯曲需要增加额外的夹持力。额外增加的力由所有液压活塞分开承担,液压系统施加夹持力来控制连续油管。产生额外夹持力所对应的液压称为最小正压。作用在CT上的轴向载荷也会影响克服残余弯曲所需的夹持压力。残余弯曲力由简支梁方程计算得到,作为阻止滑脱的最小液压。

4 实验结果

可以用实验来修正夹持液压。用外径1.75 in、0.156 in(1 in=25.4 mm)壁厚的CT做拉伸实验,找出连续油管在96 in半径油管轨迹上的滑脱点。图4给出仅基于提升载荷的原始系统压力计算值 (旧值)、包括提升载荷和残余弯曲力的新夹持压力值和真实的滑脱实验压力值。

图4 夹持压力和轴向载荷的关系

随着实验中载荷的增加,有效的摩擦系数也增加 (表1)。实验结果表明提供的轴向载荷对残余弯曲力和抵消残余弯曲额外增加的力都有影响。

表1 滑脱实验结果

5 有限元分析 (FEA)

用SolidWorks软件建立三维实体模型,取四分之一进行分析。该模型包括两部分:有残余弯曲的断面和位移块。位移块是用于简单模拟夹持梁装置,并在FEA模型中用于替代油管的残余弯曲。本文使用商业软件ANSYS进行分析。

表2对比了用简支梁手算和有限元得到的残余弯曲力值。有限元的结果与实验测试值较相似。有限元结果通过简支梁方程计算值得到确认。可以得出如下几个结论:

◇增加轴向拉伸载荷会减少残余弯曲力;

◇轴向压缩载荷会大大地增加残余弯曲力;

◇增加残余弯曲半径会减少所需的挠度值和相应地减少残余力。

表2 连续油管的残余力

表3是弥补残余弯曲的液缸压力、夹持滑动压力、总的液缸压力和有效摩擦系数的计算结果。有效摩擦系数随轴向载荷增加而变大,相比同样的拉伸载荷,在压缩载荷条件下需要更大的正压力来克服残余弯曲。

表3 夹持液缸压力和有效摩擦系数的计算

压缩载荷的影响意味着可能需要使用比当前更高的夹持压力。这意味着应独立研究压缩载荷的影响,也许在高强度材料和高压作业里压缩载荷是一个关键因素。相比同样大小的拉伸载荷,压缩载荷需要更大的夹持压力。

6 结论

◇残余弯曲力对注入器有影响;

◇FEA和室内实验确定了有效摩擦系数随轴向载荷增加而增大;

◇用FEA可以模拟全尺寸试验;

◇在压缩载荷的影响上,需要更多的分析来完善在受压缩载荷下的夹持液压图表;

◇更高强度管材有待更进一步的研究。

资料来源于美国《SPE 113646》

2008-12-30)