基于ANSYS軟件的連續(xù)管井口壓曲分析

肖峰

(漢江機(jī)械制造有限公司，四川德陽618000)

基于ANSYS軟件的連續(xù)管井口壓曲分析

肖峰

(漢江機(jī)械制造有限公司，四川德陽618000)

采用有限元分析軟件ANSYS，對井口處注入頭鏈條底部與防噴器橡膠心子頂部之間的無支撐長度的連續(xù)管進(jìn)行數(shù)值分析計算，得到了不同參數(shù)下的連續(xù)管靜力壓曲臨界載荷，分析了無支撐段連續(xù)管長度、連續(xù)管的截面面積對壓曲載荷的影響規(guī)律。結(jié)果表明，壓曲臨界載荷隨著連續(xù)管管徑和壁厚的增大而增大，而隨著無支撐段管長的增加而減少。該分析方法與分析結(jié)果可用于指導(dǎo)井口處連續(xù)管作業(yè)的設(shè)計與施工。

連續(xù)管;井口;屈曲;有限元分析

連續(xù)管也稱柔性管或盤管，它強(qiáng)度高、塑性好并具有一定抗腐蝕性。目前已廣泛應(yīng)用于鉆井、修井、測井、完井、海洋管線集輸?shù)雀鱾€作業(yè)領(lǐng)域，連續(xù)管作業(yè)裝備被稱為“萬能作業(yè)機(jī)”［1］。其中，注入頭是連續(xù)管作業(yè)機(jī)最為重要的部件，而在連續(xù)管作業(yè)機(jī)進(jìn)行作業(yè)時，注入頭鏈條底部與防噴器橡膠心子頂部之間的無支撐長度的連續(xù)管，會在注入連續(xù)管過程中因?yàn)樽⑷腩^對其向下的注入力，可能會出現(xiàn)嚴(yán)重彎曲［2］。因此，如何確定此部分的臨界壓曲載荷，確保連續(xù)管順利下入進(jìn)行作業(yè)，降低連續(xù)管彎曲折斷等作業(yè)事故具有重要意義。

1 連續(xù)管井口壓曲分析

1.1 力學(xué)模型

圖1是井口處連續(xù)管嚴(yán)重彎曲后的狀態(tài)圖。而本文中所要進(jìn)行的是井口處連續(xù)管將要發(fā)生彎曲失穩(wěn)時的分析，且忽略注入頭與連續(xù)管以及防噴器橡膠心子與連續(xù)管間的間隙，因此，CT(連續(xù)管)在注入頭中的約束可以認(rèn)為為固定端，CT發(fā)生彎曲失穩(wěn)時防噴器橡膠心子對CT的約束也可以近似為固定端。因此，井口無支撐段連續(xù)管可以簡化為兩端固定的壓桿模型，如圖2所示。

針對圖2所示的力學(xué)模型，給出如下邊界條件:

在y=0處三個方向的位移為0，ux=uy=uz=0，旋轉(zhuǎn)角位移同時都為0，即:θx=θy=θz=0;

在y=400 mm處x、z方向的位移為0，ux=uz=0，旋轉(zhuǎn)角位移同時都為0，即:θx=θy=θz=0。

1.2 連續(xù)管井口壓曲有限元分析

對于兩端固定的壓桿，由失穩(wěn)后撓曲線形狀具有對稱性以及反彎點(diǎn)處彎矩為零可知，長度為l的兩端固支連續(xù)管的臨界壓曲載荷與長度為的懸臂支撐連續(xù)管的相等，所以數(shù)值計算中取長度為100 mm的懸臂支撐連續(xù)管。所以建立的數(shù)值模型為一端固定，另一端施加載荷的壓桿。

模型采用理想彈塑性模型，單元為beam189，并考慮初始幾何缺陷(可以認(rèn)為由初始曲率引起)，用非線性屈曲分析的弧長法進(jìn)行數(shù)值計算［3］。以下討論管內(nèi)無內(nèi)壓作用下，不同連續(xù)管參數(shù)對其非線性屈曲的影響。

1.2.1 無支撐段長度對非線性屈曲的影響

取六組無支撐段長度，其長度分別為400 mm、440 mm、480 mm、520 mm、560 mm、600 mm，保持連續(xù)管尺寸等參數(shù)不變。連續(xù)管外徑取Φ50.8mm內(nèi)徑取Φ43.992mm，彈性模量為206 GPa，屈服強(qiáng)度為552 MPa［4］。進(jìn)行ANSYS分析，可得不同管長下連續(xù)管非線性屈曲極限載荷，如圖3所示。

從圖3中可以明顯看出，隨著無支撐長度的增加，非線性屈曲極限載荷不斷減小，安全性也就越低，也越容易發(fā)生失穩(wěn)。

1.2.2 連續(xù)管外徑對非線性屈曲的影響

取六組不同連續(xù)管外徑，其值分別為Φ25.4 mm、Φ31.75mm、Φ38.1 mm、Φ44.45 mm、Φ50.8 mm、Φ60.33 mm，保持連續(xù)管壁厚、長度等參數(shù)不變。連續(xù)管壁厚取2.769 mm，管長取400 mm，彈性模量為206 GPa，屈服強(qiáng)度為552 MPa。進(jìn)行ANSYS分析，可得不同外徑下連續(xù)管非線性屈曲極限載荷，如圖4所示。

從圖4中可以明顯看出，隨著連續(xù)管外徑的增加，非線性屈曲極限載荷不斷增大，安全性也就越高，也越不容易發(fā)生失穩(wěn)。

1.2.3 連續(xù)管壁厚對非線性屈曲的影響

取六組不同連續(xù)管壁厚，其值分別為2.769 mm、3.175 mm、3.404 mm、3.962 mm、4.445 mm、4.775 mm，保持連續(xù)管外徑、長度等參數(shù)不變。連續(xù)管外徑取Φ50.8 mm，管長取400 mm，彈性模量為206 GPa，屈服強(qiáng)度為552 MPa。進(jìn)行ANSYS分析，可得不同壁厚下連續(xù)管非線性屈曲極限載荷，如圖5所示。

從圖5中可以明顯看出，隨著壁厚的增加，非線性屈曲極限載荷不斷增大，安全性也就越高，也越不容易發(fā)生失穩(wěn)。

2 連續(xù)管井口壓曲的預(yù)防措施

連續(xù)管在強(qiáng)行下入過程中，當(dāng)其下入力大于臨界壓曲載荷時，連續(xù)管有可能會出現(xiàn)嚴(yán)重彎曲。從前面有限元分析結(jié)果可知，可以從以下三個方面預(yù)防連續(xù)管在井口的壓曲:

1)在滿足作業(yè)要求的前提下，可以通過縮短井口處連續(xù)管長度，也可以在此段連續(xù)管周圍配置壓曲導(dǎo)向器來減少無支撐段長度，來預(yù)防連續(xù)管在井口的壓曲問題。

2)在滿足作業(yè)要求的前提下，在連續(xù)管壁厚、長度等參數(shù)不變的情況下，適當(dāng)增大連續(xù)管外徑，以改變連續(xù)管截面面積，增大屈曲極限載荷，來預(yù)防連續(xù)管在井口的壓曲問題。

3)在滿足作業(yè)要求的前提下，在連續(xù)管外徑、長度等參數(shù)不變的情況下，適當(dāng)增大連續(xù)管壁厚，以改變連續(xù)管截面面積，增大屈曲極限載荷，來預(yù)防連續(xù)管在井口的壓曲問題。

另外，我們也可以通過改變連續(xù)管材料特性，提高連續(xù)管管材的屈服極限，來預(yù)防連續(xù)管壓曲問題。

3 結(jié)論

利用有限元分析軟件ANSYS，對井口處無支撐段連續(xù)管靜力壓曲問題進(jìn)行了數(shù)值分析計算，通過非線性屈曲分析方法，得到了不同參數(shù)下的連續(xù)管靜力壓曲臨界載荷，分析了無支撐段連續(xù)管長度、連續(xù)管的截面面積對屈曲載荷的影響，分析計算結(jié)果表明，屈曲載荷隨著管徑和壁厚的增大而增大，而隨著無支撐段管長的增加而減少。因此，在連續(xù)管的實(shí)際工程應(yīng)用中，在滿足作業(yè)要求的前提下，可以適當(dāng)增加連續(xù)管管徑、壁厚或者減少無支撐段連續(xù)管的長度來預(yù)防連續(xù)管在井口的壓曲問題，保證作業(yè)的安全性。

［1］畢宗岳.連續(xù)油管與作業(yè)技術(shù)國際研討會論文集［C］.寶雞:寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，2010.

［2］李宗田.連續(xù)油管技術(shù)手冊［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2003.

［3］尚曉江，邱峰，趙海峰，等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

Analysis of Coiled Tubing Wellhead Buckling with ANSYS Software

XIAO Feng
(Hanjiang Machinery Manufacturing Co.，Deyang 618000，Sichuan，China)

The paper analyzed the coiled tubing between BOP rubber borders and the bottom of injector chain in wellhead by using software ANSYS，obtained static buckling load of coiled tubing in different parameters，and analyzed the law of the buckling load of coiled tubing with different length and sectional area.The results show that static buckling load is increased with larger diameter and thicker wall of coiled tubing but reduced with the larger length of coiled tubing.The analysis methods and results can be used to guide the design and construction of coiled tubing operation in the wellhead.

coiled tubing;wellhead;buckling;finite element analysis

TE933.8

B

1008-9446(2011)01-0029-04

2011-02-18

肖峰(1984－)，男，新疆石河子人，德陽市漢江機(jī)械制造有限公司助理工程師，主要從事石油機(jī)械的設(shè)計研究。