連續油管在海洋垂直立管中作業的軸向力傳遞

陳迎春，張仕民，王文明，熊明皓，楊德福，李 寅（．中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京049；．長城鉆探工程技術研究院井下所，遼寧　　盤錦400）

連續油管在海洋垂直立管中作業的軸向力傳遞

陳迎春1，張仕民1，王文明1，熊明皓1，楊德福1，李 寅2
（1．中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京102249；2．長城鉆探工程技術研究院井下所，遼寧盤錦124010）

由于剛度較低，連續油管在進行海洋垂直式立管清管作業時可能會發生屈曲，從而導致其頂部提供的軸向載荷將不能全部傳遞到底部，影響正常作業。通過數值模擬，研究了連續油管在海洋垂直式立管中作業時的軸向力傳遞特性。研究結果表明：當立管長度一定時，連續油管軸向載荷傳遞效率將會隨著連續油管與立管之間的環空間隙的增大而減小；當連續油管與立管之間的環空間隙一定時，連續油管軸向載荷傳遞效率將會隨著立管長度的增大而減小。該研究成果將會對連續油管進行海洋垂直式立管清管作業提供重要理論依據。

連續油管；海洋垂直式立管；清管作業；軸向載荷；傳遞特性

經過多年的使用之后，海洋立管內部將會存在嚴重的結垢現象，這將會導致海洋立管的輸送能力大幅度下降，同時也會引起很多別的安全問題。為了保障海洋立管的安全性，必須除去這些內部結垢物。目前比較先進的方法是將清管器與連續油管相連接，并利用注入頭將清管下入立管內部，以進行清管作業［1-3］。該作業的示意圖如圖1所示：連續油管作業單元固定在海洋平臺上，清管器連在連續油管末端；海洋立管的頂部懸掛在海洋平臺上，底部與海底井口相連；連續油管與海洋立管之間存在環空間隙；在注入頭的作用下，連續油管會帶著清管器進入海洋立管，以進行清管作業。隨著清管作業不斷進行，清管器將會受到越來越大的阻力，因此作用在連續油管底部的壓力也會越來越大。由于連續油管的剛度較低，在底部阻力達到一定值時，連續油管將會發生屈曲，如圖1中的b。當連續油管發生屈曲后，連續油管與立管之間的接觸力會增大，從而使連續油管與立管之間的摩擦力增大，導致頂部提供的注入力不能完全傳遞到底部。隨著連續油管屈曲愈發嚴重，連續油管于立管之間的摩擦力將會劇增，最終連續油管將會發生鎖死現象，致使整個作業失敗。由此可見，對于連續油管在立管中作業時軸向力傳遞特性的研究是指導改進作業的關鍵因素。

圖1 基于連續油管技術的海洋垂直式立管清管作業示意

1 國內外研究現狀

自Lubinski［4］首次分析了鉆柱正弦屈曲載荷、螺旋屈曲后，已有大量學者對進行陸地作業時連續油管的屈曲特性進行了研究［5］。近年來，K uroiwa［6］通過試驗的方法，發現在海洋中套管由于自重和浮力作用呈現S形。Sim on Falser［7］在Kuroiwa的基礎上通過試驗研究，分析了傾斜角度和連續油管與外管之間的徑向間隙對管柱受力的影響，得到了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。筆者借鑒已有研究成果，搭建了管中管試驗臺，模擬連續油管在深海立管中進行海洋油氣作業時的真實工況，分析了在海洋環境載荷作用下，不同內外管管徑比及不同的立管形狀時，連續油管的軸向力傳遞效率及管中管接觸力學特性，從而得到了連續油管在懸鏈線邊界條件下的屈曲特性。

然而目前已有的管中管研究成果都是在外管固定或半固定的邊界條件下，對內管施加軸向力，沒有考慮到外管的浮動邊界條件，從而導致所得到的結果無法直接應用到海洋作業中。因此本文通過有限元模擬，對非固定邊界下連續油管工作時的情況進行模擬，分析不同因素對于該工況下連續油管的軸向載荷傳遞特性的影響，以指導實際作業，為海洋油氣供應安全提供保證。

2 模型構建

采用ABAQUS的動態分析模塊（Dynamic Explicit）進行模擬分析。由于所建立的模型會直接影響到計算速度、收斂性和計算結果，因此建模時需要充分考慮各種因素。由表1可知，由于外管的壁厚t除以外管外徑Do為：

將立管用Shell進行建模，類型定為S4 R，采用Free technique對其進行劃分網格，網格單元為Q uad-dominated，計算方法為advancing front。由于內管的壁厚除以內管外徑do為：

將內管設為梁單元，類型為Wire Tim oshenko B31，網格單元為2-node linear beamin space。根據實際進行清管作業時的工況，該管中管系統的邊界條件設為：將立管兩端端面設為全固定；連續油管頂部和底部的x和y方向線自由度固定；將內外管之間接觸設為面對面接觸。

需要說明的是，為了便于后期將模擬所得的結果與實驗結果進行對比，將外管的材料取為聚甲基丙烯酸甲酯，屈服強度為77．2mPa；內管材料為SS210，屈服強度為245．0mPa，具體的參數如表1。

表1 模擬用內管和外管的尺寸mm

為分析環空間隙和不同外管長度對于連續油管軸向載荷傳遞特性的影響，共進行了9組不同工況的模擬分析，具體參數如表2所示。

表2 管子組合及環空間隙

3 模擬結果與分析

3．1 微元段受力分析

為了分析連續油管在立管中的軸向力傳遞特性，首先該管中管系統中的選取任一微元段進行受力分析，如圖2所示。

圖2 微元段進行受力分析

圖2中，dl為該微元段長度，Ti為該微元段初始點的軸向力，Ti＋dTi（l）為該微元段末端點的軸向力，FNi為內外管之間的接觸壓力，Ffi為內外管之間的摩擦力，W為內管的自重力。根據牛頓第三定律，可

由圖3可知，內外管之間初始的接觸力FN0即為內管的

隨著兩端受力變大后，連續油管的初始平衡狀態將會被打破，以致發生屈曲。當連續油管所受軸向力超過其臨界正弦屈曲載荷時，它將變成正弦狀。連續油管的臨界正弦屈曲載荷Fcrs計算公式為［8］：

當連續油管所受軸向力超過其臨界正弦屈曲載荷時，它將變成正弦狀。連續油管的臨界正弦屈曲載荷Fcrh計算公式為［8］：

當連續油管發生屈曲后，內外管之間將會存在附加接觸力FN A，其計算公式為：式中：E為連續油管的彈性模量；I為連續油管截面的軸慣性矩；rc為環空間隙mm；當連續油管為正弦屈曲時，c＝0．125；當連續油管為螺旋屈曲時c＝0．25。因此內外管之間的總接觸力為：內外管之間的摩擦力為：式中：f為摩擦因數。

3．2 環空間隙影響

將連續油管頂部所受的軸向力定義為注入力，連續油管末端所受的軸向力定義為末端力。不同環空間隙下的連續油管軸向力傳遞特性如圖3所示。

圖3 環空間隙對于連續油管軸向載荷傳遞影響

由圖3可知，不論立管的長度和連續油管的內管尺寸如何，連續油管的末端力始終小于注入力；在立管長度和注入力相同的情況下，環空間隙為rc＝16．0mm時連續油管的末端力最大；在立管長度和注入力相同的情況下，環空間隙為rc＝18．0mm時連續油管的末端力最小。出現這種情況的原因為：附加接觸力FN A的計算如式（7）所示，因此FN A會隨著rc的增大而增大。同時，內外管之間的摩擦力計算如式（9）所示，由此可知內外管之間的摩擦力會隨著接觸力增大而增大。由式（3）可知，連續油管的末端力會隨著環空間隙rc的增大而減小。

當注入力為1 200．0 N時，不同工況下的末端力如表3所示。

表3 注入力為1 200 N時的連續油管末端力值

由表3可知，當立管長度L＝4 000．0mm時，環空間隙rc為17．0mm時的連續油管末端力比環空間隙rc為18．0mm時的連續油管末端力高3．4%；環空間隙rc為16．0mm時的連續油管末端力比環空間隙rc為17．0mm時的連續油管末端力高3．3%。

當立管長度L＝8000．0mm時，環空間隙rc為17．0mm時的連續油管末端力比環空間隙rc為18．0mm時的連續油管末端力高34．7%；環空間隙rc為16．0mm時的連續油管末端力比環空間隙rc為17．0mm時的連續油管末端力高4．8%。

當L＝16000．0mm時，環空間隙rc為17．0mm時的連續油管末端力比環空間隙rc為18．0mm時的連續油管末端力高37．2%；環空間隙為16．0mm時的連續油管末端力比環空間隙為17．0mm時的連續油管末端力高14．4%。

由此可見，隨著外管長度L的增加，環空間隙rc對于連續油管軸向載荷傳遞效率的影響也將增加。出現這種現象是由于：微元段內內外管之間的摩擦力計算公式如式（9）所示，則整段內，內外管之間的摩擦力為：

因此，隨著外管長度L的增加，內外管之間的摩擦力將會增大，從而使環空間隙rc對于連續油管軸向載荷傳遞效率的影響增加。

3．3 立管長度的影響

不同立管長度時的連續油管軸向力傳遞特性如圖4所示。

圖4 立管長度L對連續油管軸向載荷傳遞影響

由圖4可知，當環空間隙rc和注入力相同的情況下，立管長度為L＝4 000．0mm時，連續油管的末端力最大；當環空間隙rc和注入力相同的情況下，立管長度為L＝1 6000．0mm時，連續油管的末端力最小。由此可見，隨著立管長度L的增大，連續油管的軸向載荷傳遞效率將會下降。出現這種現象的原因在上節中已經提到：

連續油管與立管之間的摩擦力Ff可以由式（10）來計算，因此摩擦力Ff會隨著立管長度L的增大而增大。由式（3）可知，隨著摩擦力的增大，注入力將會由于摩擦損失無法全部傳遞至末端力。因此，摩擦力越大，末端力越小。即立管長度越大，末端力越小。

同時，由表3可知，隨著環空間隙rc的減小，立管長度對于連續油管軸向力傳遞效率的影響將會增加，這是由于：連續油管與立管之間的摩擦力Ff可以由式（10）來計算，因此當環空間隙rc較小時，隨著外管長度L的增加，內外管之間的摩擦力將會增大，從而使連續油管軸向載荷傳遞效率的影響增加。

4 結論

1） 連續油管在海洋垂直式立管中作業時，連續油管的軸向載荷傳遞效率將會隨著連續油管與立管之間的環空間隙的增大而減小，同時會隨著立管長度的增大而減小。因此在實際作業時，應盡量選取小的管徑比。

2） 本文得出的是定性結論，下一步將會針對這種特殊工況，建立理論模型，以期得出更加精確的結果。

3） 本文的研究將會對連續油管進行海洋立管清管作業提供重要的理論依據。

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Computational Study on Axial Load Transfer Behavior of A Coiled Tubing W orking in Amarine Vertical Riser

CHENYingchun1，ZHANG Shimin1，WANGWenming1，XIO N Gminghao1，YANGDefu1，LI Yin2
（1．College ofmechanical Engineering，China University of Petroleum，Beijing102249，China；2.GWDC Technology Academyof Engineering，Panjin124010，China）

Due to its low stiffness，Coiled Tubing（CT）would bucklewhen proceedingmarine vertical riser pigging operation．In that case，the injecting force would not be able to completely transfer intoitsend，whichwouldfinallydamageCTandriserandmaketheoperationfailed．AcomputationalstudyisprecededonaxialloadtransferbehaviorofCT workinginamarineverticalriser． into its end，w hich w ould finally da mage C T and riser and make the operation failed．A co m puta- tional study is preceded on axial load transfer behavior of C T w orking in a marine vertical riser． Results shows that axialforce transfer efficiency ofinner pipe will decrease with annular clearance increasing w hen the length of outer pipe is fixed；the axial force transfer efficiency of inner pipe will decrease with the increasing of riser length w hen the annular clearance is fixed．T he research done above might provide im portant theoretical supports for the marine riser pigging operation． Keywords：coiled tubing；marine vertical riser；pigging；axial load；transfer behavior

T E933．801

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．004