連續(xù)管疲勞分析軟件開發(fā)與應(yīng)用

湯清源 徐云喜 任四武 朱碩 李偉 馬翎凱 蒲曉莉

針對連續(xù)管在拉伸力及內(nèi)壓作用下發(fā)生塑性變形產(chǎn)生疲勞后容易斷裂，從而嚴重影響油氣生產(chǎn)安全的問題，基于連續(xù)管疲勞試驗數(shù)據(jù)，采用多維曲線擬合方法建立連續(xù)管疲勞壽命分析模型，應(yīng)用VS平臺及C＋＋語言開發(fā)了連續(xù)管疲勞分析軟件。該軟件可計算彎曲半徑、內(nèi)壓等施工參數(shù)對連續(xù)管疲勞壽命的影響，支持連續(xù)管全生命周期內(nèi)疲勞分析事件的統(tǒng)一管理。從連續(xù)管出廠開始，應(yīng)用軟件跟蹤每次操作以確保連續(xù)管疲勞評估結(jié)果準確?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：該軟件能準確分析連續(xù)管疲勞壽命損耗，當循環(huán)壓力較高，并在某一井深長時間反復(fù)起下作業(yè)時，連續(xù)管最大疲勞急劇增加，應(yīng)盡量避免此類施工作業(yè)。研究結(jié)果對連續(xù)管在工程中的應(yīng)用推廣和安全評估具有重要指導(dǎo)意義。

連續(xù)管；疲勞壽命；疲勞試驗；疲勞管理；軟件開發(fā)

Development and Application of Coiled Tubing Fatigue Analysis Software

Coiled tubing is easy to break once it becomes fatigue after plastic deformation under the action of tensile force and internal pressure，which seriously affects the safety of oil and gas production.Based on the data of coiled tubing fatigue test，a fatigue life prediction model for coiled tubing was established through multidimensional curve fitting，and a coiled tubing fatigue analysis software was developed by using C++ and Visual Studio.This software can be used to determine how the parameters such as bending radius and internal pressure affect the fatigue life of coiled tubing，and it supports the uniform management over fatigue analysis events in the lifecycle of coiled tubing.The field test and application results indicate that the software can accurately analyze the fatigue life of coiled tubing and track each tube operation from the factory to ensure accurate fatigue assessment of the coiled tubing.When the circulating pressure is high and the operation is repeated at a certain depth，the maximum fatigue of the coiled tubing increases sharply.Such operation should be avoided.The study results provide important guidance for site application and safety assessment of coiled tubing.

coiled tubing;fatigue life;fatigue test;fatigue management;software development

0 引 言

連續(xù)管是用低碳合金鋼制作的油管，具有很好的纏繞性，單卷可長達數(shù)千米，價格昂貴［1］。憑借可不動管柱帶壓作業(yè)、連續(xù)快速起下、作業(yè)效率高等優(yōu)點，連續(xù)管在油氣田勘探開發(fā)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用［2］。施工過程中，連續(xù)管從油管滾筒放出，經(jīng)導(dǎo)向器、注入頭進入油氣井，一次起下作業(yè)經(jīng)受6次拉伸彎曲交替變形，并在內(nèi)壓等復(fù)雜應(yīng)力作用下，管體可能產(chǎn)生塑性變形致其發(fā)生永久性變形和損傷［3］。隨著疲勞損傷累積，連續(xù)管最終失效，導(dǎo)致管體斷裂等事故發(fā)生，嚴重影響油氣安全生產(chǎn)［4］。

因此，迫切需要開發(fā)連續(xù)管疲勞分析軟件，并形成連續(xù)管疲勞評估方法，指導(dǎo)施工人員優(yōu)選作業(yè)用連續(xù)管，同時有效提升施工安全性。MEDCO、NOV等國外油服公司已開發(fā)了疲勞分析軟件，但由于其軟件界面不友好、與國產(chǎn)作業(yè)裝備配套數(shù)采系統(tǒng)兼容差、操作煩瑣等問題，給現(xiàn)場施工人員使用帶來一定困難，而國產(chǎn)疲勞分析軟件產(chǎn)品選擇少、操作煩瑣。

鑒于上述現(xiàn)狀，筆者結(jié)合國內(nèi)油田現(xiàn)場工程習(xí)慣開發(fā)了連續(xù)管疲勞分析軟件。該軟件集成了現(xiàn)場常用連續(xù)管的疲勞壽命分析模型［5-7］，施工人員選定連續(xù)管規(guī)格并輸入其壁厚、外徑、井場施工參數(shù)后，即可自動完成連續(xù)管疲勞壽命分析。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用驗證，該軟件疲勞壽命計算結(jié)果準確，對現(xiàn)場作業(yè)有一定指導(dǎo)意義。

1 連續(xù)管疲勞壽命分析模型

1.1 分析模型

連續(xù)管疲勞壽命分析模型是連續(xù)管疲勞分析軟件研發(fā)工作的關(guān)鍵。連續(xù)管疲勞壽命分析模型建立流程如圖1所示。根據(jù)不同內(nèi)壓條件下連續(xù)管重復(fù)拉伸彎曲的受力分析［8-11］，運用等效應(yīng)變法建立連續(xù)管多軸疲勞損傷物理模型；針對不同鋼級連續(xù)管，按照應(yīng)力應(yīng)變矩陣開展疲勞試驗［12-14］，根據(jù)疲勞試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用多維曲線擬合方法建立連續(xù)管疲勞壽命分析模型。

模型使用2個無量綱參數(shù)ε、σ，代替與連續(xù)管疲勞有關(guān)的5個量綱參數(shù)（連續(xù)管直徑、連續(xù)管壁厚、彎曲半徑、壓力和連續(xù)管屈服強度），建立其與連續(xù)管失效循環(huán)次數(shù)N的數(shù)學(xué)模型：

N=f（ε，σ，a，b，c）（1）

式中： N為連續(xù)管拉直彎曲循環(huán)至管體疲勞失效循環(huán)次數(shù);ε為標準化應(yīng)變，無量綱;σ為標準化周向應(yīng)力，無量綱;a、b、c為模型擬合常數(shù)，無量綱。

利用連續(xù)管疲勞試驗機對特定規(guī)格連續(xù)管進行疲勞試驗，并運用多維曲線擬合方法，確定該規(guī)格連續(xù)管數(shù)學(xué)模型中常數(shù)a、b、c，則連續(xù)管疲勞壽命分析模型為：

N=f（ε，σ）（2）

考慮腐蝕、焊接對連續(xù)管疲勞的影響［15-16］，修正連續(xù)管疲勞壽命分析模型：

N=KsKc f（ε，σ）（3）

式中：Ks、Kc分別為焊接系數(shù)、腐蝕系數(shù)。

利用式（3）可計算出連續(xù)管單次彎折后疲勞壽命損耗D：

D=1/N=1/KsKc f（ε，σ）（4）

1.2 模型求解

基于連續(xù)管疲勞壽命分析模型，考慮自由端截斷、中間局部截斷及更換滾筒等場地操作對連續(xù)管影響，耦合連續(xù)管、滾筒及施工參數(shù)等數(shù)據(jù)，采用微元法計算連續(xù)管各段疲勞壽命，求解流程如圖2所示。基于上述思路，筆者開發(fā)了連續(xù)管疲勞分析軟件，支持管體疲勞的圖形化直觀展示，形成了連續(xù)管疲勞分析及管理方法，旨在指導(dǎo)現(xiàn)場施工人員優(yōu)選作業(yè)用連續(xù)管，有效提升施工安全性。

2 軟件開發(fā)

2.1 開發(fā)環(huán)境及關(guān)鍵技術(shù)

連續(xù)管疲勞分析軟件基于Microsoft Visual Studio平臺、應(yīng)用C++語言開發(fā)，后臺使用SQLCE數(shù)據(jù)庫存儲輸入?yún)?shù)及疲勞計算結(jié)果，內(nèi)置現(xiàn)場常用連續(xù)管疲勞壽命分析模型。軟件開發(fā)過程中，筆者應(yīng)用了疲勞時間線、ProEssential控件、SQLCE數(shù)據(jù)庫、BCGControlBar組件等關(guān)鍵技術(shù)。

疲勞時間線以連續(xù)管作為管理目標，支持連續(xù)管疲勞計算工程以事件形式注冊至?xí)r間線存儲；以連續(xù)管及疲勞計算工程ID作為索引實現(xiàn)數(shù)據(jù)唯一性標識，確保連續(xù)管疲勞評估結(jié)果準確。應(yīng)用數(shù)據(jù)分表法，將疲勞計算結(jié)果分表分別存至后臺數(shù)據(jù)庫（連續(xù)管基本信息數(shù)據(jù)表、作業(yè)記錄數(shù)據(jù)表以及疲勞計算結(jié)果數(shù)據(jù)表）。Pro Essential控件是專業(yè)圖表制作工具，SQLCE數(shù)據(jù)庫及BCGControl Bar組件均為微軟公司現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫。

2.2 軟件功能

連續(xù)管疲勞分析軟件可耦合連續(xù)管、滾筒、施工數(shù)據(jù)等參數(shù)快速完成連續(xù)管疲勞計算，支持疲勞計算結(jié)果的圖形化展示。軟件基于疲勞歷史時間線功能，實現(xiàn)了單盤連續(xù)管歷史疲勞計算事件的統(tǒng)一管理，支持事件的查看、撤銷等操作。

同時，連續(xù)管疲勞分析軟件支持自由端切割、中間局部截斷及導(dǎo)滾筒等場地操作，有效滿足現(xiàn)場不同工況下應(yīng)用需求。軟件功能如圖3所示。

2.3 功能模塊設(shè)計分析

連續(xù)管疲勞分析軟件由現(xiàn)場作業(yè)信息、作業(yè)記錄、疲勞壽命、報告預(yù)覽、場地操作等功能模塊組成，如圖4所示?，F(xiàn)場作業(yè)信息模塊可實現(xiàn)連續(xù)管、滾筒、井場等參數(shù)錄入，支持組件化管理功能，實現(xiàn)連續(xù)管、滾筒等基礎(chǔ)組件的一次新建、反復(fù)使用，從而有效提升軟件操作效率。作業(yè)記錄模塊可實現(xiàn)施工過程中載荷、循環(huán)壓力、井口壓力等施工參數(shù)軟件錄入，支持MDB、CSV等格式數(shù)據(jù)文件的快速導(dǎo)入（20萬條作業(yè)記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)入時間約10 s），有效提升疲勞評估效率。疲勞壽命模塊可完成連續(xù)管疲勞計算及其結(jié)果的圖形化展示，并支持本次作業(yè)新增疲勞與歷史疲勞區(qū)分顯示，其應(yīng)用文字信息顯示輸出管體的最大疲勞度及其所在位置。報告預(yù)覽功能模塊基于輸入及疲勞評估數(shù)據(jù)生成連續(xù)管疲勞分析報告，內(nèi)容包含連續(xù)管及其疲勞信息、滾筒、井場及作業(yè)記錄數(shù)據(jù)，支持輸出形成電子報告或紙質(zhì)報告。場地操作功能模塊支持自由端切割、中間局部截斷及更換滾筒操作，輸入相關(guān)數(shù)據(jù)點擊確定后即可完成指定操作。

連續(xù)管疲勞分析軟件基于油田現(xiàn)場技術(shù)人員使用習(xí)慣，采用向?qū)皆O(shè)計思想指導(dǎo)開發(fā)，實現(xiàn)復(fù)雜操作的簡單化，技術(shù)人員按圖文提示即可快速完成疲勞分析操作，有效提升了軟件操作便捷性，便于后期現(xiàn)場應(yīng)用推廣。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

為驗證連續(xù)管疲勞分析軟件現(xiàn)場實用性，結(jié)合A井連續(xù)管作業(yè)開展實例分析。

3.1 現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)

A井為油井，井深4 800 m。作業(yè)井場數(shù)據(jù)：滾筒至導(dǎo)向器距離25 m，導(dǎo)向器半徑2.54 m，導(dǎo)向器長度5.2 m，注入頭至井口距離12 m。作業(yè)用連續(xù)管、滾筒等施工參數(shù)如表1所示。

3.2 疲勞計算

為確保疲勞壽命評估準確性，技術(shù)人員必須分析連續(xù)管出廠纏繞至運輸滾筒時發(fā)生的疲勞壽命損耗。結(jié)合收集的工況參數(shù)，技術(shù)人員完成連續(xù)管、運輸滾筒、作業(yè)滾筒等作業(yè)單元軟件建模后，輸入數(shù)據(jù)井場，即可在軟件中建立疲勞分析模型。

3.2.1 纏繞至運輸滾筒疲勞計算

完成分析工程建立后，軟件可自動完成連續(xù)管出廠纏繞至運輸滾筒上的疲勞壽命損耗。經(jīng)計算，連續(xù)管最大疲勞度為0.322%（位于5 445.86 m處），結(jié)果如圖5所示（圖中橫坐標表示連續(xù)管長度，m；縱坐標表示連續(xù)管疲勞，%）。

3.2.2 纏繞至作業(yè)滾筒疲勞計算

施工前，技術(shù)人員需將連續(xù)管由運輸滾筒纏繞至作業(yè)滾筒。軟件操作中，技術(shù)人員選擇更換滾筒操作，在彈出窗口中選定作業(yè)滾筒后，軟件即可自動將連續(xù)管纏繞至作業(yè)滾筒。經(jīng)計算，連續(xù)管最大疲勞度為0.838%（位于623.94 m處），結(jié)果如圖6所示（圖中橫坐標表示連續(xù)管長度，m；縱坐標表示連續(xù)管疲勞，%）。

3.2.3 施工過程中管體疲勞計算

施工中，連續(xù)管經(jīng)導(dǎo)向器、注入頭進入生產(chǎn)井，在反復(fù)起下過程中受內(nèi)壓等復(fù)雜應(yīng)力作用下，管體疲勞損耗較高。此階段連續(xù)管疲勞分析前需導(dǎo)入施工作業(yè)數(shù)據(jù)（連續(xù)管疲勞分析軟件支持中石油江漢機械研究所有限公司數(shù)采系統(tǒng)MDB格式作業(yè)數(shù)據(jù)文件一鍵快捷導(dǎo)入），實現(xiàn)作業(yè)過程中井口壓力、循環(huán)壓力、載荷等施工參數(shù)批量錄入。導(dǎo)入作業(yè)數(shù)據(jù)記錄（206 420條）至軟件后，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示如圖7所示。

完成上述數(shù)據(jù)錄入后，技術(shù)人員單擊“計算疲勞”按鈕即可完成連續(xù)管疲勞分析。計算結(jié)果顯示，此次作業(yè)后連續(xù)管最大疲勞壽命為114.58%（位于4 832 m處，說明此段管疲勞，須做相應(yīng)的工程處理），4 778～4 850 m區(qū)間內(nèi)管體疲勞度較大（65%～114.58%），如圖8所示（圖8中橫坐標表示連續(xù)管長度，m；縱坐標表示連續(xù)管疲勞度，%），計算結(jié)果與技術(shù)人員經(jīng)驗評估結(jié)果符合度高。為確保后期施工安全，現(xiàn)場經(jīng)驗建議管體疲勞度超過80%時，連續(xù)管需降級使用，避免因超限使用發(fā)生斷管事故?；趯Π踩目紤]，技術(shù)人員需將高疲勞損耗段管體切除。

3.2.4 中間局部截斷

軟件支持連續(xù)管中間局部階段操作。操作時，技術(shù)人員選擇備用滾筒用來纏繞自由端連續(xù)管，輸入截斷起始位置（4 778 m）及長度（72 m）后完成中間高疲勞度區(qū)段連續(xù)管切割。連續(xù)管最新長度為5 997.8 m，最大疲勞度為27.8%（位于3 978 m），結(jié)果如圖9所示（圖9中橫坐標表示連續(xù)管長度，m；縱坐標表示連續(xù)管疲勞度，%），符合現(xiàn)場生產(chǎn)安全要求。

3.2.5 連續(xù)管疲勞時間線

針對上述連續(xù)管操作，技術(shù)人員點擊確定后，連續(xù)管疲勞分析軟件將相關(guān)操作按時間順序以事件形式自動注冊至疲勞時間線記錄存儲，支持操作事件的查看、撤銷等操作。

結(jié)合前述連續(xù)管疲勞分析案例，連續(xù)管疲勞時間線注冊事件包括連續(xù)管出廠（纏繞至運輸滾筒）、更換滾筒（纏繞至運輸滾筒）、疲勞分析及中間截斷4個事件，如圖10所示（圖中橫坐標表示連續(xù)管長度，m；縱坐標表示連續(xù)管疲勞度，%）。疲勞時間線技術(shù)可實現(xiàn)連續(xù)管全生命周期中長度、壁厚、疲勞等屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，確保分析結(jié)果準確可靠。

連續(xù)管疲勞分析軟件可實現(xiàn)連續(xù)管全生命周期內(nèi)管體疲勞分析及管理，指導(dǎo)技術(shù)人員科學(xué)高效使用連續(xù)管，助力施工單位降本增效。

4 結(jié) 論

（1）連續(xù)管疲勞分析軟件可實現(xiàn)連續(xù)管全生命周期內(nèi)疲勞評估及管理，計算結(jié)果與現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)符合度高，結(jié)果證明軟件對現(xiàn)場連續(xù)管疲勞評估科學(xué)開展具有指導(dǎo)作用。同時，軟件人機界面友好、操作簡單，易于現(xiàn)場應(yīng)用推廣。

（2）當循環(huán)壓力較高，并在某一深度范圍內(nèi)長時間反復(fù)起下連續(xù)管，會使相應(yīng)段長管體疲勞損耗急劇增加，超過安全使用系數(shù)后易發(fā)生斷管等施工事故。為提高連續(xù)管使用效率，提升施工安全可靠性，技術(shù)人員應(yīng)避免此類操作。

（3）為確保連續(xù)管疲勞評估結(jié)果準確，技術(shù)人員需從出廠開始，跟蹤連續(xù)管更換滾筒、施工作業(yè)、切割（中間局部、自由端）等所有操作。

（4）軟件將連續(xù)管全生命周期內(nèi)所有操作以事件形式注冊至疲勞時間線（支持誤操作的撤銷），形成連續(xù)管歷史操作統(tǒng)一管理平臺，以幫助技術(shù)人員科學(xué)管理連續(xù)管、有效提升連續(xù)管使用效率。

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