連續(xù)油管在海洋垂直立管中作業(yè)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(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京049；．長城鉆探工程技術(shù)研究院井下所，遼寧　　盤錦400）

連續(xù)油管在海洋垂直立管中作業(yè)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(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京102249；2．長城鉆探工程技術(shù)研究院井下所，遼寧盤錦124010）

由于剛度較低，連續(xù)油管在進(jìn)行海洋垂直式立管清管作業(yè)時(shí)可能會發(fā)生屈曲，從而導(dǎo)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(yè)。通過數(shù)值模擬，研究了連續(xù)油管在海洋垂直式立管中作業(yè)時(shí)的軸向力傳遞特性。研究結(jié)果表明：當(dāng)立管長度一定時(shí)，連續(xù)油管軸向載荷傳遞效率將會隨著連續(xù)油管與立管之間的環(huán)空間隙的增大而減??；當(dāng)連續(xù)油管與立管之間的環(huán)空間隙一定時(shí)，連續(xù)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(xù)油管進(jìn)行海洋垂直式立管清管作業(yè)提供重要理論依據(jù)。

連續(xù)油管；海洋垂直式立管；清管作業(yè)；軸向載荷；傳遞特性

經(jīng)過多年的使用之后，海洋立管內(nèi)部將會存在嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象，這將會導(dǎo)致海洋立管的輸送能力大幅度下降，同時(shí)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(nèi)部結(jié)垢物。目前比較先進(jìn)的方法是將清管器與連續(xù)油管相連接，并利用注入頭將清管下入立管內(nèi)部，以進(jìn)行清管作業(yè)［1-3］。該作業(yè)的示意圖如圖1所示：連續(xù)油管作業(yè)單元固定在海洋平臺上，清管器連在連續(xù)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(xù)油管與海洋立管之間存在環(huán)空間隙；在注入頭的作用下，連續(xù)油管會帶著清管器進(jìn)入海洋立管，以進(jìn)行清管作業(yè)。隨著清管作業(yè)不斷進(jìn)行，清管器將會受到越來越大的阻力，因此作用在連續(xù)油管底部的壓力也會越來越大。由于連續(xù)油管的剛度較低，在底部阻力達(dá)到一定值時(shí)，連續(xù)油管將會發(fā)生屈曲，如圖1中的b。當(dāng)連續(xù)油管發(fā)生屈曲后，連續(xù)油管與立管之間的接觸力會增大，從而使連續(xù)油管與立管之間的摩擦力增大，導(dǎo)致頂部提供的注入力不能完全傳遞到底部。隨著連續(xù)油管屈曲愈發(fā)嚴(yán)重，連續(xù)油管于立管之間的摩擦力將會劇增，最終連續(xù)油管將會發(fā)生鎖死現(xiàn)象，致使整個(gè)作業(yè)失敗。由此可見，對于連續(xù)油管在立管中作業(yè)時(shí)軸向力傳遞特性的研究是指導(dǎo)改進(jìn)作業(yè)的關(guān)鍵因素。

圖1 基于連續(xù)油管技術(shù)的海洋垂直式立管清管作業(yè)示意

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)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(xué)者對進(jìn)行陸地作業(yè)時(shí)連續(xù)油管的屈曲特性進(jìn)行了研究［5］。近年來，K uroiwa［6］通過試驗(yàn)的方法，發(fā)現(xiàn)在海洋中套管由于自重和浮力作用呈現(xiàn)S形。Sim on Falser［7］在Kuroiwa的基礎(chǔ)上通過試驗(yàn)研究，分析了傾斜角度和連續(xù)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(dú)立的。筆者借鑒已有研究成果，搭建了管中管試驗(yàn)臺，模擬連續(xù)油管在深海立管中進(jìn)行海洋油氣作業(yè)時(shí)的真實(shí)工況，分析了在海洋環(huán)境載荷作用下，不同內(nèi)外管管徑比及不同的立管形狀時(shí)，連續(xù)油管的軸向力傳遞效率及管中管接觸力學(xué)特性，從而得到了連續(xù)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(nèi)管施加軸向力，沒有考慮到外管的浮動邊界條件，從而導(dǎo)致所得到的結(jié)果無法直接應(yīng)用到海洋作業(yè)中。因此本文通過有限元模擬，對非固定邊界下連續(xù)油管工作時(shí)的情況進(jìn)行模擬，分析不同因素對于該工況下連續(xù)油管的軸向載荷傳遞特性的影響，以指導(dǎo)實(shí)際作業(yè)，為海洋油氣供應(yīng)安全提供保證。

2 模型構(gòu)建

采用ABAQUS的動態(tài)分析模塊（Dynamic Explicit）進(jìn)行模擬分析。由于所建立的模型會直接影響到計(jì)算速度、收斂性和計(jì)算結(jié)果，因此建模時(shí)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(jìn)行建模，類型定為S4 R，采用Free technique對其進(jìn)行劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格單元為Q uad-dominated，計(jì)算方法為advancing front。由于內(nèi)管的壁厚除以內(nèi)管外徑do為：

將內(nèi)管設(shè)為梁單元，類型為Wire Tim oshenko B31，網(wǎng)格單元為2-node linear beamin space。根據(jù)實(shí)際進(jìn)行清管作業(yè)時(shí)的工況，該管中管系統(tǒng)的邊界條件設(shè)為：將立管兩端端面設(shè)為全固定；連續(xù)油管頂部和底部的x和y方向線自由度固定；將內(nèi)外管之間接觸設(shè)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(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，將外管的材料取為聚甲基丙烯酸甲酯，屈服強(qiáng)度為77．2mPa；內(nèi)管材料為SS210，屈服強(qiáng)度為245．0mPa，具體的參數(shù)如表1。

表1 模擬用內(nèi)管和外管的尺寸mm

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

表2 管子組合及環(huán)空間隙

3 模擬結(jié)果與分析

3．1 微元段受力分析

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

圖2 微元段進(jìn)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(diǎn)的軸向力，Ti＋dTi（l）為該微元段末端點(diǎn)的軸向力，F(xiàn)Ni為內(nèi)外管之間的接觸壓力，F(xiàn)fi為內(nèi)外管之間的摩擦力，W為內(nèi)管的自重力。根據(jù)牛頓第三定律，可

由圖3可知，內(nèi)外管之間初始的接觸力FN0即為內(nèi)管的

隨著兩端受力變大后，連續(xù)油管的初始平衡狀態(tài)將會被打破，以致發(fā)生屈曲。當(dāng)連續(xù)油管所受軸向力超過其臨界正弦屈曲載荷時(shí)，它將變成正弦狀。連續(xù)油管的臨界正弦屈曲載荷Fcrs計(jì)算公式為［8］：

當(dāng)連續(xù)油管所受軸向力超過其臨界正弦屈曲載荷時(shí)，它將變成正弦狀。連續(xù)油管的臨界正弦屈曲載荷Fcrh計(jì)算公式為［8］：

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

3．2 環(huán)空間隙影響

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

圖3 環(huán)空間隙對于連續(xù)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(xù)油管的內(nèi)管尺寸如何，連續(xù)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(huán)空間隙為rc＝16．0mm時(shí)連續(xù)油管的末端力最大；在立管長度和注入力相同的情況下，環(huán)空間隙為rc＝18．0mm時(shí)連續(xù)油管的末端力最小。出現(xiàn)這種情況的原因?yàn)椋焊郊咏佑|力FN A的計(jì)算如式（7）所示，因此FN A會隨著rc的增大而增大。同時(shí)，內(nèi)外管之間的摩擦力計(jì)算如式（9）所示，由此可知內(nèi)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(xù)油管的末端力會隨著環(huán)空間隙rc的增大而減小。

當(dāng)注入力為1 200．0 N時(shí)，不同工況下的末端力如表3所示。

表3 注入力為1 200 N時(shí)的連續(xù)油管末端力值

由表3可知，當(dāng)立管長度L＝4 000．0mm時(shí)，環(huán)空間隙rc為17．0mm時(shí)的連續(xù)油管末端力比環(huán)空間隙rc為18．0mm時(shí)的連續(xù)油管末端力高3．4%；環(huán)空間隙rc為16．0mm時(shí)的連續(xù)油管末端力比環(huán)空間隙rc為17．0mm時(shí)的連續(xù)油管末端力高3．3%。

當(dāng)立管長度L＝8000．0mm時(shí)，環(huán)空間隙rc為17．0mm時(shí)的連續(xù)油管末端力比環(huán)空間隙rc為18．0mm時(shí)的連續(xù)油管末端力高34．7%；環(huán)空間隙rc為16．0mm時(shí)的連續(xù)油管末端力比環(huán)空間隙rc為17．0mm時(shí)的連續(xù)油管末端力高4．8%。

當(dāng)L＝16000．0mm時(shí)，環(huán)空間隙rc為17．0mm時(shí)的連續(xù)油管末端力比環(huán)空間隙rc為18．0mm時(shí)的連續(xù)油管末端力高37．2%；環(huán)空間隙為16．0mm時(shí)的連續(xù)油管末端力比環(huán)空間隙為17．0mm時(shí)的連續(xù)油管末端力高14．4%。

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

因此，隨著外管長度L的增加，內(nèi)外管之間的摩擦力將會增大，從而使環(huán)空間隙rc對于連續(xù)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(shí)的連續(xù)油管軸向力傳遞特性如圖4所示。

圖4 立管長度L對連續(xù)油管軸向載荷傳遞影響

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

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

4 結(jié)論

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

2） 本文得出的是定性結(jié)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(jié)果。

3） 本文的研究將會對連續(xù)油管進(jìn)行海洋立管清管作業(yè)提供重要的理論依據(jù)。

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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