連續(xù)油管導向器結構形式及受力分析

，，(中國石油集團鉆井工程技術研究院 江漢機械研究所，武漢 430000)

連續(xù)油管導向器結構形式及受力分析

劉菲，呂維平，段文益
(中國石油集團鉆井工程技術研究院 江漢機械研究所，武漢 430000)

對比分析國內外在役各種結構形式的連續(xù)管導向器結構，以其中的3種典型結構的導向器(支架式導向器、懸臂式導向器、單液缸支撐不可旋轉導向器)為例，分析其優(yōu)缺點。建立了力學模型，分析影響各種結構形式導向器受力的因素，為導向器的優(yōu)化設計提供依據(jù)。分析側向力對導向器的影響，當滾筒寬度較寬或連續(xù)管管徑較大的情況下，不可忽視側向力的大小。給出了各種結構形式導向器推薦的使用范圍。

連續(xù)油管；導向器；結構；分析

Abstract：In this paper，the structure of the gooseneck used in coiled tubing unit at home and abroad is summarized，and take the typical three structures of the gooseneck as an example，including the bracket gooseneck，cantilever gooseneck，single cylinder support non-rotatable gooseneck，summarize its advantages and disadvantages，build mechanics model，analyze the factors that affect the force of various structural gooseneck，and provide the basis for the optimal design of the gooseneck.In addition，analysis the factors of the lateral force，when the width of the drum is wide or coiled tubing diameter is larger，we can not ignore the lateral force.Finally，the recommended use range of the various forms of gooseneck is given.

Keywords：coiled tubing；gooseneck；structure；analysis

隨著連續(xù)管技術的發(fā)展，連續(xù)管酸化壓裂、連續(xù)管鉆井等大型、復雜、高難度作業(yè)工藝的應用越來越多[1]，對大直徑連續(xù)管裝備的需求逐漸增多。其中，導向器是保證連續(xù)管裝備正常工作的重要裝置，合理的導向器結構形式是大直徑連續(xù)管裝備正常運行的保障。目前，連續(xù)管應用領域的不斷拓展，以及高強度大直徑連續(xù)管逐步投入應用[2]，對導向器的要求也越來越高，如何通過優(yōu)化結構設計來保證大直徑連續(xù)管導向器的安全和穩(wěn)定性是迫切需要解決的問題。目前，導向器的設計除了API標準中對其半徑有指導性建議外，對于導向器的結構及適應性還未進行相關研究，設計者僅根據(jù)自己的想法來進行設計，在選擇結構方式時往往會存在疑惑。筆者查閱大量資料，總結出幾種典型的結構，并分別進行結構及詳細的受力分析，并歸納了各種結構的適應范圍，為不同的條件下如何選用導向器的結構提供理論依據(jù)。

1 導向器的主要作用

導向器與位于井口的連續(xù)管注入頭相連[3]，如圖1，其作用是利用彎曲的弧狀結構引導連續(xù)管進出注入頭。該結構主要由弧形鋼板、支撐裝置、固定裝置及導向滾輪、支撐滾輪等組成，可更換支撐滾輪來適應不同的連續(xù)管管徑。連續(xù)管在整個起下作業(yè)過程中一共要經歷6次彎曲[4]：出滾筒—進入導向器—出導向器—進入導向器—出導向器—進入滾筒，如圖2，其中有4次均發(fā)生在導向器上。因此，導向器性能對連續(xù)管的壽命影響是至關重要的[5]，API標準中對不同連續(xù)管需選擇的導向器彎曲半徑進行了明確的規(guī)定，如表1，設計人員需嚴格按照API標準配備符合要求的導向器。另外，從設備的運輸，整體裝備布局考慮，需對導向器的強度、質量、結構等進行合理的優(yōu)化設計，使導向器的性能達到最優(yōu)化。

圖1 作業(yè)時導向器的連接形式

圖2 起下管過程中連續(xù)管經歷的彎曲

連續(xù)管外徑/mm19．025．431．75～38．1044．45～50．8060．32～88．90導向器圓弧半徑/mm12191219～13711219～18281828～24382286～3048

2 導向器結構形式

為了適應不同的管徑、不同的作業(yè)工況、不同的連續(xù)管作業(yè)機機型及運輸情況，導向器的結構形式主要有支架式、懸臂式、單液缸支撐不可旋轉/可旋轉式等。為了能節(jié)省占用空間，適應大管徑的導向器幾乎都能折疊，其結構穩(wěn)定，強度可靠，操作方便，并且質量較輕。3種典型的結構形式如圖3～5，其優(yōu)缺點如表2。

圖3 支架式導向器

圖4 懸臂式導向器

圖5 單液缸支撐不可旋轉導向器

1) 支架式導向器。導向器的支撐采用三角形支架，喇叭口段可折疊，導向器主體與連接座采用單銷軸連接，如圖3，Hydra Rig公司設計的導向器大多數(shù)為類似結構形式。

2) 懸臂式導向器。導向器與注入頭僅通過連接座相連。懸臂式導向器包括連接座可旋轉和連接座不可旋轉兩種結構形式，如圖4，加拿大Formost公司主要采用連接座可旋轉的懸臂式導向器的結構形式。

3) 單液缸支撐不可旋轉導向器。主要結構特點為采用單個液缸支撐并折疊，但不可旋轉，導向器與連接座有2根銷軸連接，如圖5。

表2 各種導向器的優(yōu)缺點對比

3 導向器受力分析

對上述3種導向器結構形式進行力學分析。將連續(xù)管和導向器看成一個整體，連續(xù)管與導向器一起共同承擔彎矩。由于連續(xù)管承擔彎矩大小與曲率半徑有關，導向器確定，連續(xù)管彎矩既定。而且連續(xù)管截面較小，可視為承受彎矩能力很小。

3.1支架式導向器

力學模型如圖6，其中：

∑Mo=0，即：T×OC=F×MN

經過計算，可以得到支架處受力：

式中：T為支架受力；F為連續(xù)管張力；θ，α，β為夾角(如圖6所示)。

1) 當α=90,β=0時，有：

2) 當α為定值，β越小，支架上的受力T越小。

3) 當β為定值，α越大，T越小。

圖6 支架式導向器力學模型

支架式結構特點是在導向器的弧形結構上增加了2個支架，導向器與注入頭框架頂部連接變?yōu)殂q支連接，消除了該連接處的彎矩，減小了連續(xù)管張緊拉力對此處的破壞力，同時也增加了導向器抵抗側向受力的能力。但是，支架上的受力較大，特別是當支架較長時，容易產生失穩(wěn)，導致支架破壞。設計支架式導向器時，盡量均衡各處受力。

3.2懸臂式導向器

力學模型如圖7，可以得到：

式中：Nox為導向器與注入頭連接處水平受力；N0y為導向器與注入頭連接處垂直受力；M0為導向器與注入頭連接處所受彎矩；F為連續(xù)管張力；R為導向器半徑；θ為夾角，如圖7所示。

當F、R一定時，θ越小，Nox越大，Noy及M0越小。θ=0時，Noy及M0最小。

圖7 懸臂式導向器力學模型

懸臂式導向器僅靠導向器與注入頭框架頂部相連，所以導向器與框架連接處的彎矩最大。連續(xù)管管徑越大，要求匹配的導向器半徑越大，這樣連續(xù)管上的張力也越大，導致該彎矩更大。對于懸臂式不可旋轉導向器，其導向器主體形變也最大，并且對連續(xù)管在張緊時的側向力將無法克服。

以2 286 mm(90 英寸)導向器為例，連續(xù)管為QT800型，壁厚4.8 mm。F的受力點在90°處，滾筒底徑2 600 mm，連續(xù)管張力為47.6 kN。進行導向器計算，0°處彎矩經計算為1 08.81 kN·m，彎矩非常大。因此，懸臂式不可旋轉導向器僅適用于小管徑連續(xù)管，且側向力不大的情況。

對于懸臂式帶液缸支撐的可旋轉導向器，在液缸支撐下可大幅減小在懸臂情況下的導向器最大變形位移，并且可以克服側向力的影響。當導向器與框架連接處加強后，是適應大管徑連續(xù)管較好的導向器結構形式，特別適用于超寬滾筒。但是，在設計可旋轉導向器時，導向器與注入頭的連接處既要可旋轉，同時還要承受較大的彎矩。因此，在設計可旋轉的適應大直徑連續(xù)管導向器時，對導向器和注入頭的連接座要求非常高。

3.3單液缸支撐不可旋轉導向器

單液缸支撐不可旋轉導向器為超靜定結構，同時導向器主體為弧形結構，采用材料力學方法求解起來比較困難。因此，選擇有限元方法，建立有限元模型，采用MATLAB軟件進行求解。力學模型如圖8所示。

圖8 單液缸支撐不可旋轉導向器力學模型

1) 有限元模型。

當γi≤φ時

當γi>φ時

單元桿的撓度和轉角為：

式中：E為拉伸彈性模量；I為慣性矩。

各點在全局坐標系下的角度為：

各個坐標點之間的關系如下：

2) 初始條件。

m=(Fy+Ny)xn+(Fx+Nx)yn

考慮到是小變形的情況下：

根據(jù)以上各式即可求得各點的撓度及轉角。

3) 求解。

以2 540 mm(100 英寸)導向器為例進行計算，已知條件α=120°，β=100°，φ=120°，連續(xù)管拉力F=47.6 kN。連接座處截面慣性矩I1=2.56×108cm4，導向器前端截面慣性矩I2=3.61×107cm4，支撐液缸截面慣性矩I3=3.22×106cm4，支撐液缸長度L=3 850 mm。

當無支撐時，計算結果如圖9，得最大位移為88 mm。

當有液缸支撐時，計算結果如圖10，得最大位移為34.6 mm，液缸的受力N=17 kN。

把上述分析中的液缸看做支架，并在已知條件相同的情況下計算支架式導向器的受力情況。

計算得：T=268.38 kN

可見支架式結構的支撐架受力遠大于單液缸支撐不可旋轉導向器上液缸的受力。

圖9 無液缸支撐導向器計算結果

圖10 有液缸支撐導向器計算結果

液缸支撐不可旋轉式結構將懸臂式結構與液缸支撐相結合，共同作用承受連續(xù)管的張緊力作用，液缸支撐下可大幅減小在單懸臂情況下的導向器最大變形位移，懸臂結構又大幅降低了液缸上的支撐力。當導向器尺寸較大，導向器變形位移較大，懸臂式結構有助于增加導向器結構的穩(wěn)定性，液缸支撐又能起到了減小變形的作用。但是，該結構抵抗側向力的能力有限。因此，在側向力較小(滾筒寬度較小，或導向器高度、離滾筒的距離較大)時，液缸支撐不可旋轉式導向器是大管徑連續(xù)管導向器的最佳選擇結構形式。

3.4側向力分析

隨著連續(xù)管管徑及滾筒寬度的增加，導向器所受的側向力將越來越大，成為導向器受力分析中不可忽視的一部分。當連續(xù)管的管徑及其在滾筒上的彎曲半徑一定時，側向力大小隨滾筒寬度的增加而增加，隨導向器高度及離滾筒距離的增加而減小。

下面以滾筒內寬為2 450 mm，底徑為2 600 mm，輪轂外徑4 200 mm，連續(xù)管為QT800型，壁厚4.8 mm，連續(xù)管張力F為47.6 kN為例進行計算[2]。當導向器高度取8 m，導向器離滾筒的距離取5 m時，側向力的大小隨滾筒寬度的變化如表3所示。可見側向力隨滾筒寬度的增加還是比較大的，在滾筒寬度較寬的時候必須考慮側向力的影響。

表3 算例中側向力的大小隨滾筒寬度的變化

另外，對側向力影響比較顯著的就是連續(xù)管的管徑，連續(xù)管的壁厚直接影響連續(xù)管的張緊力大小。

4 結論

1) 對于不同的連續(xù)管管徑，選用導向器時應該遵守API準則推薦數(shù)值，不低于其最小導向器半徑。

2) 懸臂式不可旋轉導向器主要適用于小管徑連續(xù)管(直徑為12.7 ～25.4 mm)，導向器半徑小于1 828.8 mm(72 英寸)時。懸臂式帶液缸支撐的可旋轉導向器是適應大管徑連續(xù)管較好的導向器結構形式，特別適用于超寬滾筒。

3) 支架式導向器適用于直徑44.45～60.33 mm(1～2英寸)的連續(xù)管，導向器半徑為1 828.8～2 540 mm(72～100 英寸)。

4) 液缸支撐不可旋轉式導向器在側向力不太大的時候，是大管徑連續(xù)管導向器的最佳選擇結構形式，特別適用于直徑大于73.03 mm(2英寸)的連續(xù)管。但是，該結構抵抗側向力的能力有限。因此，在側向力較大(滾筒寬度較寬，或導向器高度、離滾筒的距離較小)時，也不適合采用液缸支撐不可旋轉式導向器。

5) 當滾筒寬度較寬、連續(xù)管管徑較大或連續(xù)管壁厚較厚的情況下，必須考慮側向力的影響。

[1] 陳樹杰，趙薇.國外連續(xù)油管技術最新研究進展[J].國外油田工程，2010，26(11)：44-50.

[2] 蘇新亮，李根生，沈忠厚，等.連續(xù)油管鉆井技術研究與應用進展[J].天然氣工業(yè)，2008，28(8)：55-57.

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[5] 傅陽朝，李興名.連續(xù)油管技術[M].北京：石油工業(yè)出版社，2000.

StructureTypeandForceAnalysisofGooseneckUsedinCoiledTubingUnit

LIU Fei，LYU Weiping，DUAN Wenyi

(JianghanMachineryResearchInstitute，CNPCDrillingResearchInstitute，Wuhan430000，China)

TE933.802

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.006

1001-3482(2017)05-0029-05

2017-03-29

國家科技重大專項“致密油氣連續(xù)管側鉆鉆井技術與裝備”(2016ZX05022003)

劉 菲(1982-)，女，湖北松滋人，工程師，碩士研究生，2008年畢業(yè)于西安石油大學化工過程機械專業(yè)，現(xiàn)主要從事連續(xù)管技術與裝備的研究工作，E-mail：luck226@163.com。