連續(xù)管受力分析起下能力及疲勞計(jì)算課件

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12023/1/12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2023/1/1221.連續(xù)管概述2023/1/123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；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。可以通過大斜度井1.連續(xù)管概述2023/1/124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2.連續(xù)管流體阻力分析-井中流體流動(dòng)狀態(tài)層流2023/1/125過渡流紊流牛頓流體流動(dòng)阻力可由下式確定2023/1/126雷諾數(shù)為紊流fanning系數(shù)2023/1/127冪率流體本構(gòu)方程剪切應(yīng)力稠度系數(shù)剪切速率流變指數(shù)廣義雷諾數(shù)為fanning摩阻系數(shù)2.連續(xù)管流體阻力分析-滾筒非牛頓流體Dean數(shù)2023/1/128紊流fanning系數(shù)用下式求2.連續(xù)管流體阻力分析-滾筒2023/1/1292.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。2023/1/1210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)致流體流過彎管的阻力要大于流過直管的阻力。3.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2023/1/1211增斜降斜穩(wěn)斜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2023/1/1212浮力作用在連續(xù)管的最下端定向井水平井的增斜段、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2023/1/1213什么條件？有何影響？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。2023/1/1214未屈曲狀態(tài)：連續(xù)管將位于井眼的底部正弦屈曲：位置q是軸線x坐標(biāo)的正弦函數(shù)螺旋屈曲：位置q是軸線x坐標(biāo)的持續(xù)增長(zhǎng)函數(shù)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2023/1/1215

正弦屈曲理論g

=2.55；螺旋屈曲g=5.55斜直井眼和水平井眼的臨界軸向力

正弦屈曲理論g

=2；螺旋屈曲g=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q

為井眼的井斜角實(shí)際井眼中螺旋屈曲的臨界軸向力2023/1/1216

正弦屈曲時(shí)，b

＝4；螺旋屈曲時(shí)b

＝8。井斜角井眼的井斜率變化率井眼的方位角變化率螺旋屈曲的接觸力Fa為連續(xù)管的軸向力連續(xù)管井中的軸向力軟繩模型2023/1/1217

接觸力水平井最大下深，鉆頭無法加載2023/1/1218鎖死點(diǎn)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2023/1/1219爆裂擠毀多軸應(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2023/1/1220最小屈服應(yīng)力軸向力壓力外壓擠毀Tamano公式2023/1/1221塑性鉸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2023/1/12222023/1/1223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2023/1/1224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。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2023/1/12252023/1/1226卷繞有殘余變形壁變薄，橢圓率增加平均直徑增加2023/1/1227橢圓率增加，抗外擠能力降低2023/1/1228卷繞半徑減小，橢圓率增加2023/1/1229剪力增大，橢圓率增加2023/1/1230拉力增大，橢圓率增加2023/1/1231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7.連續(xù)管疲勞分析高載荷水平應(yīng)力超過屈服應(yīng)力2023/1/1232低周疲勞循環(huán)小于1000次應(yīng)變起主要作用2023/1/1233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PDl0llld真應(yīng)力Truestress真應(yīng)變Truestrain0應(yīng)力應(yīng)變s-esyss-e均勻變形頸縮斷裂2023/1/1234

=P/A=Pl/A0l0=(P/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2023/1/1235單調(diào)加載下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

-曲線上任一點(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)nRemberg-Osgood彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：：seepe0eA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)硬化和軟化現(xiàn)象。2023/1/1236循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)滯后環(huán)

hysteresisloops

在a=const的對(duì)稱循環(huán)下，應(yīng)力、應(yīng)變的連續(xù)變化。：eaa穩(wěn)態(tài)環(huán)s0N=2100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。2023/1/1237應(yīng)變疲勞性能應(yīng)變-壽命曲線Manson-Coffin公式

2023/1/1238-N曲線的近似估計(jì)由拉伸性能估計(jì)材料的-N曲線式中，Su為極限強(qiáng)度；f是斷裂真應(yīng)變?？紤]平均應(yīng)力的影響注意b、c＜0；拉伸平均應(yīng)力有害，壓縮平均應(yīng)力有利。2023/1/1239例CT80連續(xù)油管用鋼性能指標(biāo)De=0.027；f=0.245。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)管與井壁的摩擦力大幅增加，可能造成鎖死。受拉且受內(nèi)壓比受壓且受內(nèi)壓的難失效。連續(xù)管外擠失穩(wěn)后形成4