垂直海洋立管中連續(xù)油管載荷傳遞影響因素分析

熊明皓，王文明，張仕民，陳迎春，楊德福

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249）

垂直海洋立管中連續(xù)油管載荷傳遞影響因素分析

熊明皓，王文明，張仕民，陳迎春，楊德福

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249）

由于連續(xù)油管剛度較小，在海洋復(fù)雜環(huán)境條件下，導(dǎo)致在下入立管過程中易引起各種事故。因此，需要對(duì)這種特殊邊界條件下的連續(xù)油管力學(xué)傳遞特性進(jìn)行研究。通過建立連續(xù)油管下入海洋立管時(shí)的有限元模型，模擬分析了浮動(dòng)邊界下連續(xù)油管注入過程中影響載荷傳遞的因素。分析結(jié)果表明：相同工況下，立管剛度越大，內(nèi)管的軸向力傳遞效率越高；內(nèi)外管管徑比越小，內(nèi)管的軸向力傳遞效率越高。

連續(xù)油管；海洋立管；載荷傳遞；有限元分析

在海洋油氣工程中，國(guó)際上廣泛應(yīng)用連續(xù)油管（簡(jiǎn)稱CT）進(jìn)行海上油氣田的洗井、鉆井、修井、完井、機(jī)械采油、測(cè)井射孔、油氣輸送等方面作業(yè)［1-9］，如圖1。其優(yōu)點(diǎn)在于：連續(xù)油管是1根連續(xù)管狀的高強(qiáng)度、低碳合金鋼連續(xù)管柱，最長(zhǎng)可達(dá)7 620 m，可繞在卷筒上實(shí)現(xiàn)連續(xù)下入和起出，與常規(guī)技術(shù)相比經(jīng)濟(jì)實(shí)用且作業(yè)效率高［10］。連續(xù)油管的缺點(diǎn)在于其剛度小，在下入或作業(yè)時(shí)難以承受軸向載荷而發(fā)生形變，易導(dǎo)致正弦屈曲或螺旋屈曲現(xiàn)象（陸上垂直井與水平井的屈曲現(xiàn)象如圖2），使得井眼與CT之間產(chǎn)生相互作用力，影響CT的通過能力和作業(yè)能力。

圖1 BJ公司的連續(xù)油管系統(tǒng)

圖2 陸上連續(xù)油管屈曲示意

與陸上油氣井的情況不同，海洋平臺(tái)與井口之間存在海洋立管，連續(xù)油管完成很多作業(yè)首先需要下入海洋立管，如圖3。

圖3 海洋立管載荷

連續(xù)油管通過重力和注入頭提供的注入力作用穿過立管，下入到預(yù)定位置進(jìn)行作業(yè)。在理想狀態(tài)下，連續(xù)油管與立管同心，從而保持垂直狀態(tài)。實(shí)際情況下，立管由于所處的外部海流載荷復(fù)雜，導(dǎo)致連續(xù)油管在下入過程中會(huì)受到管壁提供的摩擦阻力，連續(xù)油管在下入時(shí)會(huì)遇阻，由于剛度較低，在這些復(fù)雜力作用下連續(xù)油管將發(fā)生不可預(yù)測(cè)變形：連續(xù)油管開始產(chǎn)生正弦屈曲；隨著軸向力的不斷增大，連續(xù)油管將會(huì)發(fā)生螺旋屈曲；當(dāng)連續(xù)油管螺旋屈曲加劇到一定程度，軸向力傳遞效率降低，嚴(yán)重時(shí)可能由于軸向力降為零而發(fā)生螺旋鎖死，導(dǎo)致作業(yè)失敗。因此，連續(xù)油管在立管中的載荷屈曲傳遞機(jī)理是進(jìn)行連續(xù)油管作業(yè)的技術(shù)難點(diǎn)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在Iubinski［11］發(fā)表了第1篇管柱屈曲的文章以來，幾十年里已有大量的學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究：1988年，Van Den Boom［12］等人利用三維（3D）計(jì)算機(jī)程序描繪了深水海洋鉆井隔水管的運(yùn)動(dòng)、彎矩和受到的張力情況，并將試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析；近年來，Kuroiwa［13］通過室內(nèi)縮比實(shí)驗(yàn)研究與有限元數(shù)值軟件計(jì)算相結(jié)合的方法，分析了管中管系統(tǒng)的接觸力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)立管的張緊力會(huì)在內(nèi)管的作用下減小。Simon Falser［14］在Kuroiwa的基礎(chǔ)上通過試驗(yàn)，就立管傾斜角度對(duì)軸向力傳遞效率、連續(xù)油管與外管之間的徑向間隙對(duì)立管所受軸向壓力的影響進(jìn)行了分析，他認(rèn)為套管傾斜角度對(duì)軸力傳遞影響不大，套管軸力與徑向間隙是相互獨(dú)立的。

然而，已經(jīng)存在的管中管系統(tǒng)研究成果都是考慮邊界條件固定時(shí)，注入連續(xù)油管，很少考慮到非固定邊界條件，從而導(dǎo)致所得到的結(jié)果有一定局限性。筆者通過有限元模擬連續(xù)油管在浮動(dòng)邊界下注入過程遇阻情況，分析該工況下管柱的軸向載荷傳遞特性的幾種影響因素，優(yōu)化管柱串的下入，為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，對(duì)海洋管道進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)估和維護(hù)打下一定理論基礎(chǔ)。

2 模型構(gòu)建

為研究連續(xù)管柱在深海立管中的軸向載荷傳遞特性，結(jié)合連續(xù)油管在立管中的遇阻工況，建立長(zhǎng)度為60 m的有限元模型，如圖4所示。

圖4 連續(xù)油管下入海洋立管示意及模型

其中，海洋立管與連續(xù)油管的參數(shù)如表1。

海洋管中管模型中，海洋立管采用殼單元［15］進(jìn)行有限元離散，立管1長(zhǎng)度取為60 m微元模擬，外徑取為25.4 mm，壁厚取為2 mm，總單元節(jié)點(diǎn)數(shù)為3.4萬，立管的彈性模量取為2.06×1011Pa，泊松比取為0.3，密度7 800 kg／m3；為了便于對(duì)比，立管2采用有機(jī)玻璃材料，尺寸與鋼管一致，密度為1 200 kg／m3，彈性模量2.33×109Pa，泊松比為0.37；連續(xù)油管采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行有限元離散，連續(xù)管的長(zhǎng)度取60.2 m，外徑取為6、8、10 mm，壁厚1 mm，總單元節(jié)點(diǎn)數(shù)為3.4萬，立管的彈性模量取為2.06× 1011Pa，泊松比取為0.3，密度7 800 kg／m3。需要說明的是，在計(jì)算中，立管長(zhǎng)徑比為2 360，因此如果實(shí)際立管的外徑為0.508 m（約為20 in），那么在該長(zhǎng)徑比條件下，實(shí)際立管的長(zhǎng)度約為1 200 m。

表1 管道模型參數(shù)

3 載荷傳遞過程仿真

3.1 內(nèi)管軸向力

隨著注入力的增大，內(nèi)管會(huì)受壓發(fā)生正弦屈曲，其臨界值為［16］Fcrs，其中略去了桿的浮重，所以在模型中也忽略連續(xù)油管的重力。以立管材料Q345，內(nèi)管外徑10 mm為例，進(jìn)行計(jì)算。

式中：rb為連續(xù)油管和套管環(huán)空的半徑間隙；E為連續(xù)油管彈性模量；I為連續(xù)油管截面慣性矩，mm4；W為單位長(zhǎng)度桿的浮重，是1個(gè)系數(shù)。

連續(xù)油管發(fā)生正弦屈曲后，載荷繼續(xù)增加到另一極限載荷Fcrh時(shí)，屈曲形式將變成螺旋屈曲。螺旋屈曲極限載荷為［16］：

管柱初始時(shí)，它受到注入端施加的軸向力（大小等于內(nèi)管對(duì)其的反作用力T0），內(nèi)管末端的軸向力（大小等于其反作用力Tn），模擬中忽略了重力，內(nèi)管屈曲后，內(nèi)外管之間會(huì)產(chǎn)生由于變形引起的接觸正壓力N，它將引起附加的摩擦力Ff。

當(dāng)注入端軸向力的繼續(xù)增大，內(nèi)管會(huì)發(fā)生螺旋屈曲，根據(jù)受力平衡得：

從上式即可求得連續(xù)油管水平段末端的軸向力Tn和與外管的接觸壓力N。

3.2 傳遞效率的變化

注入端軸向力采用均勻變化的方式，隨著時(shí)間增加，軸向力從0～1 200 N等比例增長(zhǎng)。

模擬注入過程中，內(nèi)管末端軸向力隨著注入端軸向力的變化而發(fā)生變化，圖5～6分別表示了鋼管和塑料管時(shí)，內(nèi)管末端軸向力隨著注入端軸向力發(fā)生變化的曲線，從圖5和圖6可以看出在注入端軸向力均為1 200 N的條件下，外管采用立管1時(shí)，10 mm內(nèi)管末端力913.95 N；在同樣條件下，外管是立管2時(shí)，10 mm內(nèi)管末端軸向力677.85 N，比外管是鋼管時(shí)小了240 N左右。因?yàn)樵诟?dòng)條件下，外管剛度越小，外管發(fā)生變形越大，從能量角度來看，變形損失的能量越多，而這部分能量由注入力提供，所以軸向力傳遞過程中損失越多，末端軸向力越小。

圖5 采用立管1時(shí)內(nèi)管末端軸向力變化曲線

圖6 采用立管2時(shí)內(nèi)管末端軸向力變化曲線

在外管都是立管1的同樣條件下，內(nèi)管直徑10 mm時(shí)，內(nèi)管末端軸向力為913.95 N；內(nèi)管直徑8 mm時(shí)，內(nèi)管末端軸向力只有805.25 N；內(nèi)管直徑6 mm時(shí)，內(nèi)管軸向力更是減小到了474.02 N。這是因?yàn)閮?nèi)管直徑越小，越容易發(fā)生屈曲，使得內(nèi)外管之間的摩擦力增大，所以造成內(nèi)管軸向力減小。

圖7 采用立管1時(shí)內(nèi)管軸向力傳遞效率變化曲線

圖8 采用立管2時(shí)內(nèi)管軸向力傳遞效率變化曲線

4 結(jié)論

1） 立管與連續(xù)管的內(nèi)外管徑比越小，內(nèi)管的軸向載荷傳遞效率越高。

2） 同等條件下，外管剛度越大，內(nèi)管的軸向載荷傳遞效率越高。

3） 通過分析比較，提出在實(shí)際工程作業(yè)中，應(yīng)該盡量選擇剛度較大的立管及直徑較大的連續(xù)油管，從而提高連續(xù)油管的軸向力傳遞效率，避免造成海洋立管事故的發(fā)生。

［1］ 王文明，張仕民，陳迎春，等.連續(xù)油管在海洋油氣作業(yè)中的應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2012，40（11）：53-57.

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Research on the Impacting Factors of Load Transfer for Coiled Tubing within the Marine Vertical Riser

XIONG Ming-hao，WANG Wen-ming，ZHANG Shi-min，CHEN Ying-chun，YANG De-fu
（College of Mechanical Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Because of the stiffness of the coiled tubing is small，and the marine environment is complex，it is likely to cause accidents，so it needs to study the axial load transfer characteristics of coiled tubing in the Marine riser.In this paper，through the establishment of coiled tubing down into the marine riser in finite element method，the influence factors on load transfer characteristics of coiled tubing injection under the floating boundary is analyzed.The analysis results show that under the same conditions，the greater the stiffness of the riser is，the higher the axial force transmission efficiency of the inner pipe is，the smaller the ratio is，the higher the inner tube axial force transmission efficiency is.

coiled tubing；marine riser；load transfer；finite element analysis

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.004

1001-3482（2014）12-0013-05

2014-06-30

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51309237）；中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金研究項(xiàng)目（2012D-5006-0608）；中國(guó)石油大學(xué)（北京）引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金（KYJJ2012-04-18）

熊明皓（1989-），男，四川西昌人，碩士研究生，主要從事連續(xù)油管技術(shù)及管道維修技術(shù)，E-mail：xiongminghaobear＠163.corn。