连续油管疲劳寿命计算毕业论文

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1、. . . . 摘要连续油管(CT)是相对于常规螺纹联接油管而言的，它又称为挠性油管、蛇形管或盘管。连续油管(CT)技术广泛应用于油气田修井、钻井、完井、测井、增产等作业，在油气田勘探与开发中发挥越来越重要的作用。研究、开发与推广应用连续油管作业技术，将会进一步提高勘探开发效益。连续油管工作条件比较恶劣,受力状态比较复杂。失效形式可分为变形失效,断裂失效,表面损伤失效,其疲劳断裂失效占的比例较大。疲劳寿命是衡量其可靠性的关键指标。连续油管的疲劳是应力状态较复杂的多轴低周疲劳,目前该疲劳寿命预测理论还不成熟, 为此,在前人疲劳研究方法的基础上,建立了连续油管的疲劳寿命预测模型。在该模型中,将连续

2、油管的复杂应力转化为等效的单向拉伸应力,将连续油管的低周疲劳应变-寿命关系转化为应力-寿命关系,得到了一个半经验寿命公式。用国外连续油管的部分疲劳实验数据验证，结果表明,建立的寿命预测模型计算寿命值与实验值基本接近,模型基本正确。分析了影响连续油管寿命的因素以与提高连续油管使用寿命的方法。研究表明，压、油管外径、油管壁厚、卷筒直径、导向拱半径、氏模量、抗拉强度等严重影响了连续油管的寿命。因此，可采用增大卷筒直径和导向拱半径、尽量增加大直径连续油管的壁厚以与优先选用小直径的连续油管等办法来提高连续油管的使用寿命。关键词: 连续油管； 受力分析 ； 工作特性 ； 疲劳寿命ABSTRACTThe c

3、oiled tubing(CT) shall be defined relative to conventional thread connection tubingcoiled tubing(CT) is used extensively in well wokrover，well drilling，well completion，well logging and well stimulation in oil-gas field. It plays a more and moreimportant part in exploration and produetion.It will imp

4、rove the efficiency of exploration and exploitation，studying，developing and using CT technology.Working conditions of coiled tubing is bad, the stress state is more complex. Failure forms can be divided into distortion, fracture failure and surface damage, the failure of the proportion of the fatigu

5、e fracture failure. Fatigue life is the key indicators to measure its reliability. The fatigue of coiled tubings are more complex stress state of multiaxial fatigue, the low cycle fatigue life prediction theory still not mature, therefore, on the fatigue study method is established, on the basis of

6、coiled tubing fatigue life prediction model. In this model, the transformation of coiled tubing complex stress the uniaxial tensile stress for the equivalent of coiled tubings, low cycle fatigue strain-life relationship into stress, and the relationship between life and life experience. With foreign

7、 coiled tubing parts fatigue test data validation, the results show that the prediction model is established with the experimental value life value calculation, the basic model is correct.The factors having effect on the CT fatigue life are analyzed and the methods of improving the CT life are given

8、.Internal pressure，CT OD，CT wall thickness，reel diameter，gooseneck radius，youngs modulus and tensile strength affect the fatigue life of CT severely. Increasing the diameters of the reel and gooseneck as much as possible，increasing the wall thickness of large-diameter CT. and selecting small-diamete

9、r CT firstly can improve the fatigue life.Key words：coiled tubing； force analysis；mechanics characteristic ；fatigue life38 / 42目录第一章 前言11.1 连续油管发展概况11.2 国外应用概况31.2.1国外应用现状31.2.2国应用现状41.3 国外连续管疲劳寿命研究状况61.4 研究连续油管疲劳寿命的意义8第二章 连续油管受力分析与工作特性92.1 连续油管与其用途92.1.1连续油管作业机简介92.1.2连续油管分类102.1.3连续油管用途102.2 连续油管应

10、力分析122.3 连续油管工作特性分析142.3.1连续油管弯曲分析142.3.2连续油管抗压强度分析17第三 连续油管疲劳寿命计算193.1 连续油管失效分析193.1.1连续油管失效形式193.1.2连续油管失效原因203.1.3避免连续油管失效建议213.2 连续油管疲劳寿命计算223.2.1连续油管疲劳寿命计算概述223.2.2连续油管危险点应力分析243.2.3连续油管疲劳寿命预测模型253.2.4 分析与讨论263.3 影响连续管疲劳寿命因素分析293.4 提高连续油管使用寿命方法30第四章 结论34致35参考文献36第一章 前言1.1 连续油管发展概况连续油管(Coi1ed Tu

11、bing，简称CT)又称挠性油管、盘管或柔管。是相对于常规单根螺纹连接油管而言的,是一种缠绕在卷筒上,可以连续下入或起出的一根无螺纹连接的长油管(可达 7 925 m)。从连续管的制造上来说，连续管(Coild Tubing，CT)是由若干段长度在百米以上的柔性管通过对焊或斜焊工艺焊接而成的无接头连续管,长度一般达几百米至几千米,又被称为挠性油管、蛇形管或盘管。连续管是一种高强度和高韧性的管材，卷在滚筒上，被广泛应用于修井、测井和钻井等领域。连续油管作业最初的概念是在油气井的生产油管下入小直径的连续油管完成特定的修井作业，如洗井、打捞等。从井中起出的连续油管卷绕在大直径的卷筒上,以便运移。连续

12、油管作业无论从作业操作和采油生产看都比常规螺纹连接油管有很多优点，节省起下油管时间，消除了上卸单根的繁重劳动,可以连续向井下循环修井液、定量定点实施井下修井液的置换和充填 ,减少油层伤害和作业安全等。连续油管是一项正在引起油气工业界高度重视的新技术。典型的连续油管长达7620m，是一根连续管状的高强度、低碳合金钢(氏模量203.SGPa、屈服强度492.0-632.2MPa)连续管柱。传统的油气井钻井作业中，操作者要使用平均长度为9.144m的钻杆一节一节地连接起来并通过井架支撑。使用连续油管则可将绕在3180mm卷筒上的连续管柱连续地从井中下入和起出。与常规技术相比，连续油管技术经济实用且作

13、业效率高，在油气工业中已获得广泛认可。 现代连续油管技术源于第二次世界大战期间盟军的“PLUTO”计划，该计划完成后，盟军在英国和法国之间铺设了一条穿越英吉利海峡、总长近49000m的海底输油管道。这条输油管道共由23条管线组成，其中17条为缠绕在若干个直径为12m滚筒上的铅质管线；另外6条是径为76.2mm、由数根6m长的管节对缝焊接而成的钢管。40年代后期，连续油管的发明专利已开始相继发布。 现代连续油管作业技术迄今己有30多年的历史，其发展过程大致可分为三个阶段，即：60年代初至70年代初的初期快速发展阶段、70年代初至80年代的发展“停滞”阶段和80年代以后的扩大发展阶段。 (1)初期

14、快速发展阶段1962年，美国加里福尼亚石油(California Oil)公司和波纹石油工具(Bowen Oil Tools)公司联合研制了第一台连续油管轻便修井装置，所用连续油管外径为33.4mm，主要用于墨西哥海湾油、气井的冲砂洗井作业。由于连续油管作业技术从一开始投入使用便显示了其诸如不需上卸扣、接单根，从而可节省起下油管的时间，并可连续向井下循环液体，减少对地层的伤害等优点，连续油管作业技术在60年代初至70年代初得到迅速发展，在油、气田生产中的应用不断扩大。1964年，美国布朗石油工具公司(Brown Tools Co.)建立了连续油管生产线，生产外径为19.05mm的连续油管，此后

15、不久又开始生产外径为25.4mm的连续油管。波纹公司于1967年建立了连续油管生产线，主要生产外径为12.7mm和19.05mm的连续油管。到了70年代初，又开始生产外径为25.4mm的连续油管。西南管材公司(Southwesten Pipe Inc.)于1969年开始生产连续油管，采用屈服强度为345-379MPa的钢板，并改进制造工艺，从各个方面提高了连续油管的性能。 在连续油管的发展过程中，其应用装备也随着不断发展和完善。继第一台连续油管轻便修井装置之后，1964年，布朗石油工具公司和埃索(ESSO)石油公司共同研制出一种修井用注入头，使用的连续油管外径为19.05mm，用于陆上和海上油

16、井清砂作业。1967年，波纹石油工具公司研制出12台“5M”型连续油管作业机，使用外径为12.7mm的连续油管，其提升能力为22.3kN。1968年，波纹石油工具公司又开发出“8M”型连续油管作业机，使用外径为19.05mm的连续油管，其提升能力为35.6kN。至70年代初，已有200多台连续油管作业机广泛用于油、气井的清砂和注氮作业。1964-1967年，油、气工业用连续油管外径为19.05-25.4mm，1967年至70年代初则主要使用外径为12.7-25.4mm的连续油管。这一期间，连续油管主要用于浅井作业。 (2)发展“停滞”阶段 20世纪70年代初，人们将外径为25.4mm的连续油管

17、从常规浅井的冲砂和喷射作业扩大应用到深井作业，但由于当时连续油管的材料强度(屈服强度为345379MPa)与其直焊缝强度不能满足重复循环与深井作业时所需要的高轴向载荷要求，连续油管在深井中无法得到成功应用。进入70年代后，由于连续油管焊缝失效、设备故障与井下连续油管作业事故增多等多种综合因素，人们开始对连续油管作业技术的可靠性与安全性持怀疑态度，连续油管作业技术的发展受到严重阻碍。 70年代是连续油管技术发展史上的“灰色岁月”，但到了70年代末至80年代初，美国连续油管作业机的制造厂商开始针对其设备在现场的应用情况，着重在连续油管作业设计和制造上进行技术改进，进而提高了设备的性能，扩大了连续油

18、管作业机的适用管径围，并大大降低了设备的失效率。与此同时，美国连续油管制造厂商也开始投入力量改进连续油管制造技术，并于1978年开发出外径31.75mm的连续油管。 (3)扩大发展阶段进入20世纪80年代后，连续油管作业技术出现了新的转机。随着钢材材质和管材制造技术的改进，以与连续油管作业设备性能的不断更新，各连续油管制造厂商抓紧时机，不断开发新的连续油管投入市场应用。1980年，开始采用屈服强度为482.3MPa的钢板轧制连续油管，明显地改善了连续油管的性能。1983年，在阿拉斯加，连续油管开始被用于挤注水泥作业。到了80年代中期，连续油管己被应用于各类泵送作业、输送井下工具与替换生产管柱，

19、各连续油管制造厂商致力于较大直径连续油管的开发。80年代后期，外径为38.1 mm和44.5mm的连续油管相继问世。 进入20世纪90年代后，连续油管作业技术发展迅速，连续油管作业已涉与所有常规修井作业领域，并向更广、更复杂的应用领域扩展。至1993年底，全世界在用的连续油管作业机数量已达561台，连续油管的年消耗量达426万米，连续油管的最大作业深度达7125m，并且更大直径的连续油管不断问世。1990年，外径为50.8mm的连续油管投入完井作业；1992年1月，外径为60.3mm的连续油管问世；1993年，外径为88.9mm的连续油管已用于深井试油；1994年，连续油管的最大直径已达114

20、.3mm。至今，连续油管作业已涉与钻井、完井、试油、采油、修井和集输等多个作业领域。1992年初，美国石油学会开始编制“连续油管作业和应用”作为API的推荐作法，以宣传和规有关连续油管的工程、设计、制造、配套、安装、试验与操作。目前，世界上几大主要连续油管与连续油管作业机的制造厂商均集中在美国，它们是精密油管技术公司(Precision Tube Technology)、优质油管公司(QualityTubing Inc)和西南管材公司(Southwesten Pipe Inc)三续油管制造公司与Bowen， Hydra Rig(1991年与Drexel公司合并)和Otis等连续油管作业机制造公

21、司。1.2 国外应用概况1.2.1 国外应用现状进入90年代后，连续油管作业技术向更多的领域推广应用。连续油管常规的作业项目稳步发展，新开发的作业项目迅速增加。在美国普拉德霍湾油田西部作业区，每年使用连续油管作业超过1000井次，其中包括油井打捞、清洗、安装可膨胀式封隔器和桥塞、挤注水泥、测井、注氮举升和喷射泵操作等作业。在Magnus油田，1990年连续油管仅用于注氮举升作业，到了1993年，该油田的连续油管作业项目己扩展到诸如负压射孔和过油管射孔、磨铣积垢、打水泥塞封堵层段与封堵报废井、洗井等七种项目，作业项目比1990年增加了7倍，作业次数仅1991年就是1990年的4倍。(1)常规的作

22、业项目稳步发展作为主要常规作业项目的连续油管注氮、洗井和注酸共占连续油管作业量的75%，其中仅洗井一项就占总作业量的58%。在加拿大和美国，仅在1992年安装的连续油管就达700条。自1991年起，连续油管用作速度管柱的设计与安装长度就己超过6096m。 (2)新开发的作业项目迅速增加1991年l月，法国Efl公司在巴黎盆地用连续油管对现有一口直井进行第二次钻井加深试验成功。同年，美国Oryx公司在得克萨斯用连续油管侧钻水平井试验成功。至1993年，全世界共用连续油管打出37口试验井，其中41%是侧钻水平井，27%为垂直加深井，32%是新钻井。1995年，Ensco公司在荷兰东部Dalne气田

23、采用连续油管欠平衡钻井工艺钻水平井获得成功，极推动了连续油管钻井技术的发展。1992年后期，在普拉德霍湾油田西部作业区，用装有可缠绕式气举阀、外径为60.3mm的连续油管对一口油井进行气举完井作业成功，开创了连续油管可缠绕式气举完井作业的先例。1992年，一根长为1524m、外径为88.9mm的连续油管被安装在路易斯安那州的水深为23m的近海油田用作输送管线。此后，又在墨西哥湾与其它地区安装了几条类似的管线。到目前为止，用于生产油管的连续油管已有44.45mm、50.8mm、603mm、73mm、和88.9mm等5种，并且随着水平井和大斜度井技术的发展，连续油管己成为油田作业中运送井下工具和水

24、平井测井不可多得的理想工具。为了加强连续油管技术应用的基础理论和工艺研究，美国石油学会每隔两年都要举行一次连续油管技术应用成果发布会。1.2.2 国应用现状我国引进和利用连续油管作业技术始于70年代，1977年，我国引进了第一台波纹公司生产的连续油管作业机，在油田开始利用连续油管进行气井小型酸化、注氮排残酸、气举降液、冲砂、清蜡等一些简单作业，累计进行数百口井的应用试验，取得了明显效果，积累了初步的经验，随后在全国各油田推广应用。目前，据不完全统计，国共有引进的连续油管作业机21台，主要分布在、长庆、胜利、华北、中原、辽河、吐哈、大港、和克拉玛依等油田，详细分布见表1一1。、辽河、华北自引进连

25、续油管以来累计作业井次均己超过1000井次。油田自1985年引进连续油管作业装置以来，共在百余口井中进行了修井等多种井下作业，主要用于气举、清蜡、洗井、冲砂、挤水泥封堵和钻水泥塞等。吐哈油田自1993年引进连续油管作业机以来，作业井次达40一60井次，用连续油管进行测井的最大井深已达到4300m。总的来讲，国连续油管作业机主要应用于以下几个方面:冲砂洗井、钻桥塞、气举、注液氮、清蜡、排液、挤酸和配合测试。用得比较多的是冲砂堵、气举排液和清蜡，占95%以上。连续油管作业在我国油田受到普遍欢迎。但是，总的来讲，各油田仅有1一3台作业设备，连续油管作业技术没有得到充分认识，作业工艺围仍然很有限。从实

26、际应用角度来看，虽然我国引用连续油管作业技术的时间较早，但多年来，由于缺乏必要的技术交流，国目前对这项技术与其工艺掌握得并不十分透彻，又加上连续油管作业配套工具不齐全，以与没有一批经过专门培训的熟练操作者，致使这项技术在我国的实际应用情况不理想，影响了连续油管作业技术在实际生产中普与和推广应用。表1一1 国陆上油田连续油管作业分布表油田单位数量（台）作业工艺引进时间作业井次（累计）长庆井下技术作业处1冲砂、打捞、气举助排（排液）199332土哈井下技术作业公司2洗井、气举助排、压裂井冲沙解堵解卡1993，200240-60井下技术作业公司3洗井、气举排液、钻磨、酸化解堵 1977，199810

27、00多井下技术作业公司1通井、冲砂洗井、带压洗井、气举、压裂解卡、振动解堵199592试油试采公司2替喷、气举、氮气排液、洗井、冲砂解卡、解除蜡堵蜡卡1985，2002309辽河工程技术处3解堵和清蜡1985、1987、19911000多准东石油技术1气举诱喷、求产、冲砂解卡 199381华北井下作业技术公司3气举排液、求产 1985，1998，20001000左右克拉玛依试油处12004大港油田井下作业公司1酸化解堵、热洗解堵、解卡、液氮排液诱喷、冲砂1994131胜利油田1油田1中原油田11998合 计213000多现场使用中遇到的主要问题有：连续油管被腐蚀或锈蚀现象严重。连续油管表面有砂

28、眼、凹坑、划痕或连续油管泄漏。连续油管被卡断或拉断。连续油管被皱折或瘪胀。作业车底盘离合器断裂。注入头驱动主轴被折断或链条紧轴被折断。注入头的链条被损坏。排管器离合器的摩擦片失效。液压系统故障。深度指示位置不准确。1.3 国外连续管疲劳寿命研究状况为了推广应用好连续油管，有效地解决连油管在使用中出现的故障。三十多年，国外专家学者对连续油管进行了大量的试验和研究，取得了许多有益的进展。在现场实践和实验观察的基础上，总结归纳出部分力学分析计算模型，同时也研制出适应连续油管作用的井下工具。自连续油管问世以来，国外就对连续油管进行了研究。六十年代到七十年代末，主要研究连续油管的物理机械性能，并研制了不

29、同尺寸、屈服强度的连续油管。从七十年代末到八十年代初，连续油管制造商对连续油管的牵引起下和卷绕设备的设计与操作规做了许多改进，改善了地面设备的性能和可靠性，显著地降低了设备的损坏率。八十年代制造商对连续油管加工工艺与热处理进行研究，提高了连续油管的疲劳强度和使用寿命。八十年代后期至九十年代,国外一些连续管制造商进行大量理论和试验研究工作,建立了连续管寿命预测计算机模型,可以较好预测连续管的疲劳寿命。国外实际设计制造疲劳试验装置对连续管的疲劳寿命加以预测和检测的有美国Tulsa大学、Southwestern Pipe与Stewart和Stevenson三家公司。1991年美国西南管材公司对油田常

30、用的1. 25in(31.75mm)的连续管不同的材质,热处理方法,压和壁厚做了实验。实验结果表明:同种加工与热处理工艺在不同压下管径的增加是弯曲拉伸失效循环周次的线性函数;同一种的材料、管径、加工与热处理工艺下,当环向应力相等两种管径的失效次数几乎是一样的;在一样的管径、壁厚和压条件下,随着管材s的提高,循环失效次数增加,油管使用寿命增长。此外,国外还开展了对连续管低周疲劳预测模型的研究。Tipton,Newman和New burnt根据实验结果分析了用于研究多轴低周疲劳的大量失效理论,根据疲劳损伤的Miner线性累积理论建立了寿命估计模型,结果发现连续管在压较小的情况下估计的结果较为理想,

31、但随着部压力的进一步增高,由周向应力引起的损伤机理用线性累积损伤理论则很难解释。Collins提出了等效应力和等效总应变幅的概念。等效总应变幅是多轴弹塑性应力状态函数,根据等效应变幅和单轴应力状态下得到的低周疲劳S-N曲线就可以估算寿命的;利用修正的Goodman方程或基于特定材料数据的经验公式,可将等效单轴平均应力失效循环周次转换成等效完全滞后失效循环周次。1993年,Otis工程公司的Avakov等人对压为0-51.75MPa不同压力水平下的三种材料(QT-70, SYMAX-80和SYMAX-100)的连续管进行了疲劳试验。研究认为,由压力引起的静剪切应力分量对疲劳寿命的影响是非线性的,

32、因此传统的失效理论己不适于描述或估计连续管的寿命,于是提出了基于以等效应变作为主应变的失效准则,建立了连续管的寿命预测模型。1995年,Wu通过综合分析各影响因素,采用经验系数的方法对连续管的工作命进行了预测。认为对连续管的实际工作寿命,必须在理论估计寿命的基础上乘上一些经验系数,如工作腐蚀系数、连续管的屈服强度补偿系数、寿命估计可靠性系数和应力集中系数。该方法虽然比较适合于实际工程应用,但经验系数过多,预测寿命值与实际寿命仍存在较大的误差。国开展连续管技术和装备的研究与开发始于20世纪90年代初,主要由中国石油集团科学技术研究院江汉机械研究所承担。江汉机械研究所开展了连续管椭圆度恒磁检测技术

33、与装置研究和连续管缺陷综合检测传感器的磁路设计单元技术的研究。石油大学朱小平探讨连续管在反复卷绕弯曲条件下的疲劳寿命问题,给出连续管卷绕弯曲疲劳寿命计算方法,并讨论卷绕卷筒半径和油管尺寸对连续管寿命的影响。中国石油大学王优强和嗣伟等,利用模糊贝叶斯(Bayes)理论方法确定连续管疲劳寿命概率分布模型,得出疲劳寿命预测模型和影响寿命的主要因素。江汉石油学院钟守炎等根据试验数据和运用TableCurve3D软件建立了连续管直径增长预测模型。华中科技大学吴义峰等研究了连续管直径恒磁测量原理与方法,给出了测量装置的构成和实验数据,分析了其测量精度。西南石油大学林元华等对连续管载荷、工作力学特性与水力学

34、特性与残余应变的连续管井下屈曲行为理论进行了研究。建筑工程学院的王优强和石油大学的嗣伟将连续管的低周疲劳应变寿命关系转化应力寿命关系,得到一个半经验寿命公式。宋印生等在对连续管的弯曲拉应力、径向应力、周向应力以与等效应力分析的基础上,建立了连续管疲劳寿命预测模型等。与国外相比，还有不少差距，主要存在以下几个方面的问题:(l)系统研究不够。对连续油管的机械物理性能、应力、井下压力等研究较少，现场人员还没有认识到这项研究的重要性。(2)缺乏必要的连续油管疲劳寿命、应力、摩阻分析的试验装置，现场应用连续油管缺乏理论依据。(3)连续油管主要应用在修井作业，还未应用到钻井上，且相应配套的连续油管工具、钻

35、井技术差。(4)使用连续油管在修井、完井等作业中的费用偏高，存在让用户不能接受的成本问题。1.4 研究连续油管疲劳寿命的意义根据国外发展方向，采用连续油管技术进行水平井欠平衡钻井将成为油田增产、难动用储量开采和提高最终采收率的主导技术。特别在构造小、井距小的油田中增产和稠油开发与难动储量的开采中将发挥积极作用。不论是在直井还是水平井，连续油管技术都是一种更加经济的作业手段，能够大大降低作业成本和对作业环境的损害。法国、美国、加拿大和德国等先导试验表明，连续油管技术在己钻井眼钻直井或水平井，以与在浅油层钻新井都是经济可行的。连续油管也可以用来在现有井中开窗侧钻、取心或电测、下尾管并固井、冲洗作业

36、等。在完井过程中，可使用钻并用连续油管作业机直接进行射孔、增产措施、地层诱喷以与下入连续油管作为生产管柱进行生产等。利用连续油管进行老井重入，为油公司提供了利用现有井筒开采其他储层与深部储层的机会，并可以达到提高井的产量、减少边底水的锥进、重新构造二次与三次采油过程中的泄流形式等目的，同时节省了打新井的钻井、完井投入。利用连续油管钻小井眼井，可以大幅度降低勘探开发的费用，预计将降低勘探钻井成本1/3，降低开发钻井成本1/2。国辽河、等油田稠油资源丰富，采用连续油管钻井技术钻短半径多层多侧向水平井开采具有独特的优势，不仅有利于防止边水水窜和底水推进，更有利于提高单井产量和采收率。我国在连续管这一

37、领域的研究尚属刚刚起步。对连续管的疲劳寿命预测、可靠性进行了一些研究,但主要集中在预测疲劳寿命的理论研究阶段。这些研究均是以小试样实验为手段建立的半经验性的寿命预测模型,且以疲劳寿命预测为主,而对连续管失效的微观机理的认识还很不够。加上缺乏必要的试验装置,使国在这方面的数据几乎没有。因此，如何引进、吸收和开发连续油管疲劳寿命试验装置技术，对连续管的疲劳寿命进行预测，是摆在我国科研人员面前的又一新的课题。总之，研究、开发与推广应用连续油管疲劳寿命试验装置技术，更好地为油田生产服务，具有积极的现实意义。研究连续油管疲劳寿命问题直接影响修井、钻井等作业的效益。为了我国引进、开发应用好连续油管，研究连

38、续油管疲劳寿命是石油工业界当务之急的问题。第二章 连续油管受力分析与工作特性2.1 连续油管与其用途2.1.1 连续油管作业机简介连续油管作业机是一种轻便的液压驱动设备，用来运送和回收在大径油管、套管或井眼中作业的连续油管柱，如图2一1所示。其基本功能是在进行连续油管作业时，起下连续油管柱，作业完成后将起出的连续油管卷绕在卷筒上以便运输。目前现有的连续油管外径围介于3/4in到41/2in之间。连续油管作业机的基本部件如下:(1)连续油管下管机头;(2)连续油管卷轴;(3)井口防喷器;(4)液压驱动装置;(5)控制台;(6)附加设备:如液泵、氮气泵、储液罐和管线等。图2一1 液动连续油管设备的

39、机械组成连续油管下管机头的三个基本功能为:(1)为连续油管下井提供推力，以克服井压力和井筒摩擦力;(2)在各种条件下控制连续油管下入速度;(3)承受整个连续油管的重量。连续油管卷轴用于存放和下放油管;井口防喷器，即BOP系统，用于防喷;液压驱动装置用来控制连续油管的各部件;控制台上安装有用于控制和监控连续油管设备部件的控制器和仪表。2.1.2 连续油管分类目前为止，关于连续油管的分类，还没有具体标准。根据国外有关连续油管的报道资料，目前从钢材大体可分三类。(l)碳钢连续油管 此种连续油管的屈服强度为482MPa，抗拉强度为552MPa，延伸率为30%，管体表面硬度为HRC22。(2)铬铝合金钢

40、连续油管此种连续油管的屈服强度为690一760MPa，一般要比碳钢连续油管高出40%。铬铝合金钢连续油管在现场长期使用后，经维修焊接油管本身部分屈服强度也可达到550MPa，仍能在现场继续使用。(3)钦合金钢连续油管钦合金连续油管具有重量轻、强度高的优点。据国外使用情况分析，在深井中多采用抗拉强度高的Beta一C级连续油管，其机械性能见表2一1。表2一1 钦合金钢连续油管机械性能级别屈服强度(Mpa)抗拉强度(Mpa)延伸率(%)2级2763452012级48055018Beta一C级级967103612除上述的三种连续油管外，近年来，国外还研制出了玻璃纤维和碳素纤维等复合材料的连续油管，其重

41、量和防耐腐蚀性能均优于钦合金钢连续油管，但由于存在制造成本高与维护保养困难等相关问题，估计在短时间还不能推广应用。2.1.3 连续油管用途连续油管作业技术在30多年的应用实践中证明，采用连续油管可对陆上和海上油、气井进行冲砂洗井、酸化、清蜡、挤注水泥、气举、打捞、钻水泥塞、低速压裂与管线清洗等多种作业，在大斜度井与水平井的钻井、完井、测井与修井作业中，连续油管作业技术正发挥着愈来愈重要的作用。调查表明，随着。60.3mm和中73mm两种标准连续油管的相继投入使用，连续油管在速度管柱和标准生产油管的应用方面开始显示其独具的优越性和发展潜力。(1)冲砂洗井连续油管最常见的用途之一是将残存在生产油管

42、或套管中的砂粒、泥浆和其它岩屑冲洗出来。用水泥车或其它液泵将清水、油或其它液体通过连续油管泵入井进行冲洗。(2)清蜡连续油管作业机同热油熔蜡车配套使用，循环热水、油或循环清蜡剂以溶解蜡垢物质，效果很好。这种清蜡方法可以清除常规清蜡方法无法清除的蜡堵，既简便又经济，还大延长了清蜡周期。（3）酸化一般油井投产时，必须对油井中封隔器以下或射孔井段进行酸化处理。采用连续油管可对地层注酸和调节所需的酸化压力。(4)压井通过连续油管循环注清水、盐水或压井液是一种已被证实了的压井方法。(5)气举求产利用连续油管作业机注液氮、泡沫工艺技术开辟了深井完井、重新完井与修井的新领域，特别是对于4600m以上的深井，

43、可选择一种或几种液氮装置与连续油管装置并用，进行常规修井和井下强化作业。 (6)钻塞当通过连续油管循环液体不能冲洗出致密的砂层、水泥、水锈以与各固体填充物时，可用连续油管带动井下小型动力钻具来钻开堵塞物，这是一种很有效的方法。(7)挤水泥封堵采用连续油管可进行下述类型的挤水泥作业:(l)挤注环形空间;(2)补注水泥(水锥和气锥);(3)封堵漏失层;(4)报废井的封堵作业。(8)斜井和水平井测井连续油管具有较强的刚性，可将侧井仪器进入到任何井段进行侧井作业，并可循环流体以提高测井质量，同时还可消除电缆的冲击问题。用连续油管已可进行中子测井、密度测井，伽马射线测井、声波测井、井径测井等测井作业。(

44、9)起下和坐封膨胀式封隔器在完井、二次完井、修井、增产增注、测试和井下封堵等作业中，用连续油管起下和坐封膨胀式封隔器，既适用，又方便，并且在坐封和解封时不需要旋转运动。(10)完井随着连续油管向较大直径发展，特别是外径为60.3nnIl的连续油管出现以后，国外一些公司开始采用连续油管来替代常规生产油管进行完井作业。连续油管特别适用于水平井的完井与射孔作业。(11)连续油管作清洗管线 油气管线会因积蜡或水垢而堵塞。目前的解决办法是挖开堵塞段修复或更换，耗时费钱。国外有采用连续油管作业机清洗含蜡输油管线的成功应用实例。除了上述应用外，连续油管作业技术还有如下应用:1)井底电视摄像。利用连续油管将摄

45、像机运送到井底进行井底摄像;2)小井眼井钻井。采用较大直径的连续油管可进行小井眼井钻井与取心;3)老井第二次钻井或加深钻井;4)套管“开窗”侧钻。连续油管可用于对现有井筒进行开窗侧钻;5)欠平衡钻井以与钻水平井和大位移井;6)输送管线。连续油管可用作集输管线。2.2 连续油管应力分析连续油管的应力是由其、外部液体压力与轴向拉伸或压缩载荷产生的。外力所产生的应力场可用3个主应力来描述，即轴向应力，径向应力与周向应力，如图2一2所示。图22 连续油管受力状态图(l) 轴向应力 连续油管的轴向应力是由作用在其上的轴向载荷产生的。前面已经分析知连续油管的轴向载荷，于是，当连续油管受拉时，轴向应力为:

46、(2一1)式中: 一连续油管的轴向应力，N/;一连续油管的轴向力，N:前面己算出;A一连续油管的横截面积，;由计算，其中为连续油管外半径，m; 为连续油管半径，m。当连续油管所受轴向压力(凡为负)的绝对值大于螺旋屈曲临界载荷时，连续油管在井中发生螺旋屈曲，如图2一3所示。下面考虑螺旋屈曲引起的附加弯曲应力。图2一3 连续油管受轴向压力大于压曲临界载荷时弯曲状态1一套管或油管;2一连续油管由Lubinski提出的两个方程确定了螺旋屈曲的曲率C与轴向力之间的关系: (2一2) (2一3)由式(2一3)解得并代入式(2一2)得: (2一4)则屈曲产生的弯矩为: (2一5)将式(2一4)代入(2一5)

47、得: (2一6)弯曲应力为: (2一7)将式(2一6)代入(2一7)得: (2一8)式(2一8)中同2EI相比非常小，可忽略不计，对连续油管而言，这一近似使增加不到1%，则式(2一8)为: (2一9)当连续油管受压时，总的轴向应力在截面上的分布是不同的。由轴向载荷产生的压应力沿连续油管截面是恒定的。而弯曲应力在截面的一侧为拉应力，在另一侧则为压应力。最大的轴向应力在弯曲应力产生压应力的一侧，则最大轴向应力为: (2一10)(2) 径向应力与周向应力径向应力与周向应力可用拉梅方程(Lames)计算得到，即: (2一11) (2一12)式中:一与之间管壁任意处的半径。最大应力点发生在油管表面或外表

48、面，将式(2一11)与(2一12)改写可得到油管外表面的应力。当时: (2一13) (2一14)当时: (2一15) （2一16)2.3 连续油管工作特性分析2.3.1 连续油管弯曲分析1）连续油管下入时最小弯曲半径计算连续油管从油管滚筒放出，经导向架、注入头，进入油井，历经3次拉伸一一弯曲交替变形。因此，它在一次起、下作业过程就要经受6次拉伸一弯曲交替变形。这些拉伸一弯曲交替变形发生的位置见图24.图2一4 连续油管作业机工作简图在下井操作中，当牵引链条把连续油管拉离卷筒时，卷筒液马达的反向扭矩阻止油管离开，此时油管受拉，把连续油管首次弯曲一拉直，图中示为弯曲动作1。当连续油管进人导引架时，

49、油管由直变弯、导引架弯曲半径从54英寸(1.37米)到98英寸(2.49米)，油管发生塑性弯曲变形，图中示为弯曲动作2。连续油管越过导引架进入链条牵引总成时又被拉直，图中示为弯曲动作3。这三个动作组成一次连续油管的弯曲循环。当把连续油管从并中起出并卷绕在卷筒上的时候按相反的顺序发生同样的弯曲动作，连续油管遭受另一次弯曲循环。众所周知，管子在一定的弯曲半径下弯曲，其变形是处于弹性变形围的。在弹性极限，管子能承受最小弯曲半径R可按下式计算：(2一17)式中:E管材的弹性模量，Pa； D管子外径，mm；管材的屈服强度，Pa。现在我国引进的连续油管管材一般为ASMT，A一606钢，其中=482.58M

50、Pa，E=208.34GPa。运用软件计算结果列于表2-4.表2-2 连续油管弯曲半径连续油管规格(ni)外径(mm)最小弯曲半径(mm)3/419.054112125.4054831 1/431.7568541 1/2 38.1082241 3/444.459595250.80109662 3/859.6912885如果管子弯曲时弯曲半径小于表2-2所列的值，那它将产生塑性变形。如果管同时还存在压，则外径将增大。我国各油田引进的连续油管作业机所选用的连续油管外径一般为lin和11/4in，尤以11/4in为多。选用的注入头导向架曲率半径均为1828.8mm。油管滚筒的径均为1524mm，最大

51、外径(在油管滚筒缠满4000m连续油管时)为2540mm。因此，对照表2-2即可发现，连续油管在起、下作业时均将发生交变的弯曲塑性变形。但是，从图2-4又可看出在起、下油管作业时，管子只是在瞬时处于弯曲塑性变形。由于油管部一般均有高、中压液体或气体，因此油管是在弯曲和压拉伸的三重作用下，将产生瞬时的交变的塑性变形。国外称之为卷曲蠕变。2）连续油管在作业中的屈曲在连续油管下入过程中，由于管柱本身的重力的影响和管柱与井壁摩擦的影响，使得管柱在受压时由初始的近似直线状态(稳定状态)变为曲线状态(另一种稳定状态)，这就是管柱的屈曲。连续油管下井过程中可能产生纵向弯曲变形和损坏。当连续油管入井时，为克服

52、阻力要在地面对油管施加轴向压力。当连续油管的首尾两端承受压力负荷时，其状况是一根无横向支撑的细长杆，压力超过临界负荷时，将造成油管的纵向弯曲。连续油管首先变成在单一平面的波距不等的正弦波形，随着轴向压力增加，最后变成螺旋形，如图2一5所示。连续油管弯曲成螺旋形，引起附加的径向接触力，使管子与井壁的摩擦力增加，轴向力越大其摩擦力越大。在该点就形成了恶性循环，增加的任何附加力都将由于该点的磨擦而损失殆尽。连续油管在井的该锁定就称为做螺旋锁定。图2一5 连续油管在井发生纵向弯曲示意图连续油管卷绕在卷筒上产生的塑性变形会永久残留在金属晶粒构造。甚至续油管工作特性分析当油管被牵引链条拉直时，它仍将长时间

53、保留螺旋形，其螺距大约是一个卷筒卷绕长度，这种变形叫做“残余弯曲”。“残余弯曲”加大了连续油管纵向弯曲的敏感性。2.3.2 连续油管抗压强度分析连续油管在工作过程中井下段的应力是由其、外部液体压力联合作用与轴向拉伸或压缩载荷与弯曲等因素产生的。外力所产生的应力场可用3个主应力来描述，即轴向应力，径向应力与周向应力(如图2一2)。但由于连续油管的工作条件不同，3个主应力的大小和方向也相应不同。上面已经计算出连续油管所受应力(轴向应力，径向应力，周向应力 )，于是，对连续油管采用Mises屈服条件，用应力公式可表示为: (2一18)式中:为屈服极限，MPa;其余意义同前。一般情况下，连续油管在工作

54、时，压，大于外压，故油管表面的周向应力要大于外表面的周向应力(有少数情况相反)。计算表明，用Mises屈服准则判定屈服首先产生在油管的表面。因此，必须考虑油管部的屈服极限，即抗压强度。为简化计算，将式(2一14)改写成: (2一19) (2一20)将式(2一13)与(2一19)代入(2一18)得: (2一21)式中:由式(2-21)可解得: (2一22) 说明，本文的抗压强度的计算未考虑下列因素的影响:(1)在油管使用期间直径的变化(一般情况为直径的增大);(2)在油管使用期间由于腐蚀、拉伸和直径的增大而引起的壁厚的变化;(3)在油管使用期间由于塑性疲劳的存在而引起的有效屈服应力的下降;(4)

55、在卷筒和导引架上塑性弯曲引起的残余应力;(5)连续油管椭圆度。因此，实际运用中应考虑一定的安全系数，工业上一般使用1.25的安全系数。从上述公式可以看出:连续油管的抗压强度随外径的增加而降低，随轴向拉伸载荷的增加而增加;第三章 连续油管疲劳寿命计算3.1 连续油管失效分析连续油管柱是连续油管作业技术中用量大、质量要求高的管材。现场调查表明，连续油管作业机目前不能国产化的根本原因在于不能生产出国产的连续油管。而在作业数量不大的情况下，每台作业机平均每年都要消耗4000m左右的连续油管。据国外资料，世界上每年连续油管的用量为近500万米。因此，弄清连续油管失效的主要原因，从而采取相应措施提高连续油

56、管的使用寿命，对促进石油工业的发展具有重要意义。3.1.1 连续油管失效形式连续油管工作条件比较恶劣，受力状态比较复杂，其失效形式多种多样，通过失效分析，归纳起来大致有以下3大类型。(1)变形失效对连续油管，主要是塑性变形失效。实际应用中，由于连续油管的实际使用半径要比许用弯曲半径小得多，所以，连续油管通常要发生瞬时的塑性弯曲变形。当实际弯曲半径远远小于许用弯曲半径时，会引起连续油管的永久性弯曲(俗称死弯)。另外，超过连续油管抗拉极限的拉伸颈缩性变形，超过抗压限的压瘪或压扁现象等均属于变形失效的围。(2)断裂失效在连续油管的失效中断裂占的比例较大，特别是疲劳断裂，危害也较严重。主要断裂形式有:

57、l)过载断裂。如连续油管在下入井中速度过快时，遇到井下堵塞导致其卡断，或在起出作业过程中由于井下落物导致其拉断等。2)低应力脆断。如连续油管焊缝的脆性断裂。3)应力腐蚀断裂。如在含硫量较高的油气井中工作时，硫化物应力腐蚀开裂。应力腐蚀断口的宏观特征一般有3个区域，即断裂源区、裂纹扩展区、快速拉断或撕裂区。4)氢脆断裂。当油管材料中含有过多的氢时，在拉应力作用下易产生氢脆。氢脆断口的宏观特征是在断口边缘上可观察到白点或白色亮环。5)疲劳断裂和腐蚀疲劳断裂。由于连续油管要不断地导入或绕下滚筒，并通过弯曲形导向架，因而会受到交变循环应力作用，而井中往往又有腐蚀介质的侵蚀。所以，连续油管受到疲劳或腐蚀

58、疲劳作用的工况最多。(3)表面损伤失效表面损伤主要包括3个方面:l)腐蚀。包括均匀腐蚀(如连续油管在长时间存放过程中的锈蚀)，小孔腐蚀(即点蚀，如连续油管在使用或存放过程中外表面的点蚀)和缝隙腐蚀(如连续油管的焊缝与连续油管材料之间的腐蚀)。2)磨损。连续油管在井下与生产油管或套管之间的磨损，连续油管与导向架和注入头上鞍形夹紧块之间的磨损等。3)机械损伤。连续油管在运输途中表面碰伤，在清蜡作业中受到落入井下的刮蜡器的划伤;在注入过程中由于夹持过紧而在表面留下压痕等。3.1.2 连续油管失效原因 (l)连续油管本身质量问题1）连续油管壁厚不均匀州。一方面，连续油管在制造时壁厚就不均匀;另方面，在

59、使用过程中，由于弯曲疲劳的作用，在曲率半径小的一侧受压，壁厚基本不变，而在曲率半径大的一侧受拉，壁厚变薄。现场取样测量也发现，外径31.75mm的连续油管，平均壁厚2.2089mm，而实测最大壁厚为2.23mm，最小仅2.18mm。腐蚀性泄漏与连续油管的壁厚不均不无关系。2)现场焊接质量差。一盘连续油管长度为2000-4000m，当进行深井作业时，需将两段连续油管焊接在一起使用。由于我国焊接技术上的差距，使得焊接达不到要求。即便使用国外焊机和工艺，往往也达不到要求的水平。失效分析发现，焊缝失效一般表现为脆性断裂失效，其主要原因是焊接与焊后热处理选择不当，在焊缝产生了未熔合或灰斑缺陷。并且焊缝与

60、热影响区强度低。冲击韧性差，造成大量失效事故。现场发现，除辽河等油田外，其他油田的连续油管均存在焊接质量不过关的问题。3)材料性能低，制造工艺复杂。国使用的主要是从美国优质管公司引进的QT一700材料连续油管，属ASTM-606一4钢的改进产品，而目前国外已经在生产和使用其改进后的QT一800和QT一1000材料。另外，连续油管在生产制造过程中，工艺过程比较复杂。一般要经过多次热处理过程，如轧制管材前的加热，管材环卷焊接，高频感应退火，成形后的水冷与空冷，消除应力退火等。任何一个工艺处理不当，都会给连续油管留下缺陷。失效分析表明，有相当一部分连续油管失效是由部缺陷引起的。4)划痕得不到与时修补

61、。连续油管在使用过程中，当表面出现部分划伤痕迹时，不能与时采取措施进行修补，使得被划伤表面成为人为的壁薄部分，在腐蚀介质的作用下，形成腐蚀凹坑，使局部的腐蚀电流急剧增大，因而加快了连续油管的腐蚀速度，使连续油管首先在划伤痕迹处出现腐蚀泄漏失效。(2)连续油管使用管理问题1)存放不当。连续油管作业机在作业完成后，很少进行防锈处理，因此，腐蚀严重，特别对连续油管，易锈蚀，使其寿命大大缩短。如某油田的作业机年作业十几次，作业过程受到雨淋，在库中明显看到在滚筒外层的连续油管全部生锈变黄。某油田在引进作业机的同时，进口了十几盘连续油管，由于长期存放，管体氧化出现腐蚀麻点和凹坑;也有的因木制滚筒腐烂导致连续油管缺少支撑而产生挤压皱折或折断。.2)下井前检验不严。包括对连续油管的检验和对井下情况的检验。某些井下作业队使用