垂直海洋立管中連續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

（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京102249）

垂直海洋立管中連續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

（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京102249）

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

連續油管；海洋立管；載荷傳遞；有限元分析

在海洋油氣工程中，國際上廣泛應用連續油管（簡稱CT）進行海上油氣田的洗井、鉆井、修井、完井、機械采油、測井射孔、油氣輸送等方面作業［1-9］，如圖1。其優點在于：連續油管是1根連續管狀的高強度、低碳合金鋼連續管柱，最長可達7 620 m，可繞在卷筒上實現連續下入和起出，與常規技術相比經濟實用且作業效率高［10］。連續油管的缺點在于其剛度小，在下入或作業時難以承受軸向載荷而發生形變，易導致正弦屈曲或螺旋屈曲現象（陸上垂直井與水平井的屈曲現象如圖2），使得井眼與CT之間產生相互作用力，影響CT的通過能力和作業能力。

圖1 BJ公司的連續油管系統

圖2 陸上連續油管屈曲示意

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

圖3 海洋立管載荷

連續油管通過重力和注入頭提供的注入力作用穿過立管，下入到預定位置進行作業。在理想狀態下，連續油管與立管同心，從而保持垂直狀態。實際情況下，立管由于所處的外部海流載荷復雜，導致連續油管在下入過程中會受到管壁提供的摩擦阻力，連續油管在下入時會遇阻，由于剛度較低，在這些復雜力作用下連續油管將發生不可預測變形：連續油管開始產生正弦屈曲；隨著軸向力的不斷增大，連續油管將會發生螺旋屈曲；當連續油管螺旋屈曲加劇到一定程度，軸向力傳遞效率降低，嚴重時可能由于軸向力降為零而發生螺旋鎖死，導致作業失敗。因此，連續油管在立管中的載荷屈曲傳遞機理是進行連續油管作業的技術難點。

1 國內外研究現狀

在Iubinski［11］發表了第1篇管柱屈曲的文章以來，幾十年里已有大量的學者進行了相關研究：1988年，Van Den Boom［12］等人利用三維（3D）計算機程序描繪了深水海洋鉆井隔水管的運動、彎矩和受到的張力情況，并將試驗結果和計算結果進行了對比分析；近年來，Kuroiwa［13］通過室內縮比實驗研究與有限元數值軟件計算相結合的方法，分析了管中管系統的接觸力學特性，發現立管的張緊力會在內管的作用下減小。Simon Falser［14］在Kuroiwa的基礎上通過試驗，就立管傾斜角度對軸向力傳遞效率、連續油管與外管之間的徑向間隙對立管所受軸向壓力的影響進行了分析，他認為套管傾斜角度對軸力傳遞影響不大，套管軸力與徑向間隙是相互獨立的。

然而，已經存在的管中管系統研究成果都是考慮邊界條件固定時，注入連續油管，很少考慮到非固定邊界條件，從而導致所得到的結果有一定局限性。筆者通過有限元模擬連續油管在浮動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，優化管柱串的下入，為實際工程應用提供理論指導，對海洋管道進行檢測、評估和維護打下一定理論基礎。

2 模型構建

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

圖4 連續油管下入海洋立管示意及模型

其中，海洋立管與連續油管的參數如表1。

海洋管中管模型中，海洋立管采用殼單元［15］進行有限元離散，立管1長度取為60 m微元模擬，外徑取為25.4 mm，壁厚取為2 mm，總單元節點數為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；為了便于對比，立管2采用有機玻璃材料，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；連續油管采用梁單元進行有限元離散，連續管的長度取60.2 m，外徑取為6、8、10 mm，壁厚1 mm，總單元節點數為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，在計算中，立管長徑比為2 360，因此如果實際立管的外徑為0.508 m（約為20 in），那么在該長徑比條件下，實際立管的長度約為1 200 m。

表1 管道模型參數

3 載荷傳遞過程仿真

3.1 內管軸向力

隨著注入力的增大，內管會受壓發生正弦屈曲，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油管的重力。以立管材料Q345，內管外徑10 mm為例，進行計算。

式中：rb為連續油管和套管環空的半徑間隙；E為連續油管彈性模量；I為連續油管截面慣性矩，mm4；W為單位長度桿的浮重，是1個系數。

連續油管發生正弦屈曲后，載荷繼續增加到另一極限載荷Fcrh時，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，它受到注入端施加的軸向力（大小等于內管對其的反作用力T0），內管末端的軸向力（大小等于其反作用力Tn），模擬中忽略了重力，內管屈曲后，內外管之間會產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。

當注入端軸向力的繼續增大，內管會發生螺旋屈曲，根據受力平衡得：

從上式即可求得連續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，隨著時間增加，軸向力從0～1 200 N等比例增長。

模擬注入過程中，內管末端軸向力隨著注入端軸向力的變化而發生變化，圖5～6分別表示了鋼管和塑料管時，內管末端軸向力隨著注入端軸向力發生變化的曲線，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，10 mm內管末端力913.95 N；在同樣條件下，外管是立管2時，10 mm內管末端軸向力677.85 N，比外管是鋼管時小了240 N左右。因為在浮動條件下，外管剛度越小，外管發生變形越大，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時內管末端軸向力變化曲線

圖6 采用立管2時內管末端軸向力變化曲線

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

圖7 采用立管1時內管軸向力傳遞效率變化曲線

圖8 采用立管2時內管軸向力傳遞效率變化曲線

4 結論

1） 立管與連續管的內外管徑比越小，內管的軸向載荷傳遞效率越高。

2） 同等條件下，外管剛度越大，內管的軸向載荷傳遞效率越高。

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

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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

國家自然科學基金青年科學基金項目（51309237）；中國石油科技創新基金研究項目（2012D-5006-0608）；中國石油大學（北京）引進人才科研啟動基金（KYJJ2012-04-18）

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