连续油管疲劳及寿命计算00

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1、摘要连续油管(CT)是相对于常规螺纹联接油管而言的，它又称为挠性油管、蛇形管或盘管。连 续油管(CT)技术广泛应用于油气田修井、钻井、完井、测井、增产等作业，在油气田勘探与开 发中发挥越来越重要的作用。研究、开发及推广应用连续油管作业技术，将会进一步提高勘探 开发效益。连续油管工作条件比较恶劣,受力状态比较复杂。失效形式可分为变形失效,断裂失效,表面 损伤失效,其疲劳断裂失效占的比例较大。疲劳寿命是衡量其可靠性的关键指标。连续油管的疲 劳是应力状态较复杂的多轴低周疲劳,目前该疲劳寿命预测理论还不成熟, 为此,在前人疲劳研 究方法的基础上,建立了连续油管的疲劳寿命预测模型。在该模型中,将连续油管

2、的复杂应力转 化为等效的单向拉伸应力,将连续油管的低周疲劳应变-寿命关系转化为应力-寿命关系,得到了 一个半经验寿命公式。用国外连续油管的部分疲劳实验数据验证，结果表明,建立的寿命预测模 型计算寿命值与实验值基本接近,模型基本正确。分析了影响连续油管寿命的因素以及提高连续油管使用寿命的方法。研究表明，内压、油 管外径、油管壁厚、卷筒直径、导向拱半径、杨氏模量、抗拉强度等严重影响了连续油管的寿 命。因此，可采用增大卷筒直径和导向拱半径、尽量增加大直径连续油管的壁厚以及优先选用 小直径的连续油管等办法来提高连续油管的使用寿命。关键词: 连续油管； 受力分析 ； 工作特性 ； 疲劳寿命目录第一章 前

3、言 11.1 连续油管发展概况 11.2 国内外应用概况 31.2.1 国外应用现状 31.2.2 国内应用现状 41.3 国内外连续管疲劳寿命研究状况 61.4 研究连续油管疲劳寿命的意义 8第二章 连续油管受力分析及工作特性 92.1 连续油管及其用途 92.1.1 连续油管作业机简介 92.1.2 连续油管分类 102.1.3 连续油管用途 102.2 连续油管应力分析 122.3 连续油管工作特性分析 142.3.1 连续油管弯曲分析 142.3.2 连续油管抗内压强度分析 17第三张 连续油管疲劳寿命计算 193.1 连续油管失效分析 193.1.1 连续油管失效形式 193.1.2

4、 连续油管失效原因 203.1.3 避免连续油管失效建议 213.2 连续油管疲劳寿命计算 223.2.1 连续油管疲劳寿命计算概述 223.2.2 连续油管危险点应力分析 243.2.3 连续油管疲劳寿命预测模型 253.2.4 分析与讨论 263.3 影响连续管疲劳寿命因素分析 293.4 提高连续油管使用寿命方法 30第四章 结论 34致谢 35参考文献 36第一章 前言1.1 连续油管发展概况连续油管(Coiled Tubing,简称CT)又称挠性油管、盘管或柔管。是相对于常 规单根螺纹连接油管而言的,是一种缠绕在卷筒上,可以连续下入或起出的一根无 螺纹连接的长油管(可达7 925 m

5、)。从连续管的制造上来说，连续管(Coild Tubing, CT)是由若干段长度在百米以上的柔性管通过对焊或斜焊工艺焊接而成的无接头连 续管，长度一般达几百米至几千米,又被称为挠性油管、蛇形管或盘管山。连续管是 一种高强度和高韧性的管材，卷在滚筒上，被广泛应用于修井、测井和钻井等领域。 连续油管作业最初的概念是在油气井的生产油管内下入小直径的连续油管完成特 定的修井作业，如洗井、打捞等。从井中起出的连续油管卷绕在大直径的卷筒上, 以便运移。连续油管作业无论从作业操作和采油生产看都比常规螺纹连接油管有很 多优点，节省起下油管时间，消除了上卸单根的繁重劳动, 可以连续向井下循环修 井液、定量定点

6、实施井下修井液的置换和充填 , 减少油层伤害和作业安全等。连续油管是一项正在引起油气工业界高度重视的新技术。典型的连续油管长 达7620m，是一根连续管状的高强度、低碳合金钢(杨氏模量2O3.SGPa、屈服强度 492.0-632.2MPa)连续管柱。传统的油气井钻井作业中，操作者要使用平均长度为 9.144m的钻杆一节一节地连接起来并通过井架支撑。使用连续油管则可将绕在 0 3180mm卷筒上的连续管柱连续地从井中下入和起出。与常规技术相比，连续油 管技术经济实用且作业效率高，在油气工业中已获得广泛认可。现代连续油管技术源于第二次世界大战期间盟军的“PLUTO”计划，该计划完 成后，盟军在英

7、国和法国之间铺设了一条穿越英吉利海峡、总长近 49000m 的海底 输油管道B。这条输油管道共由23条管线组成，其中17条为缠绕在若干个直径为 12m滚筒上的铅质管线；另外6条是内径为76.2mm、由数根6m长的管节对缝焊接 而成的钢管。 40年代后期，连续油管的发明专利已开始相继发布。现代连续油管作业技术迄今己有 30 多年的历史，其发展过程大致可分为三个 阶段，即：60 年代初至 70 年代初的初期快速发展阶段、 70 年代初至 80 年代的发 展“停滞”阶段和 80年代以后的扩大发展阶段。(1) 初期快速发展阶段1962年,美国加里福尼亚石油(California Oil)公司和波纹石油

8、工具(Bowen Oil Tools)公司联合研制了第一台连续油管轻便修井装置，所用连续油管外径为 33.4mm，主要用于墨西哥海湾油、气井的冲砂洗井作业。由于连续油管作业技术从 一开始投入使用便显示了其诸如不需上卸扣、接单根，从而可节省起下油管的时间， 并可连续向井下循环液体，减少对地层的伤害等优点，连续油管作业技 术在 60年代初至 70 年代初得到迅速发展，在油、气田生产中的应用不断扩大。1964 年，美国布朗石油工具公司(Brown Tools Co.)建立了连续油管生产线，生产外径为 19.05mm的连续油管，此后不久又开始生产外径为25.4mm的连续油管。波纹公司 于1967年建立

9、了连续油管生产线，主要生产外径为12.7mm和19.05mm的连续油 管。到了 70 年代初，又开始生产外径为 25.4mm 的连续油管。西南管材公司 (Southwesten Pipe Inc.) 于 1969 年开始生产连续油管，采用屈服强度为 345-379MPa 的钢板，并改进制造工艺，从各个方面提高了连续油管的性能。在连续油管的发展过程中，其应用装备也随着不断发展和完善。继第一台连续 油管轻便修井装置之后，1964年，布朗石油工具公司和埃索(ESSO)石油公司共同 研制出一种修井用注入头，使用的连续油管外径为19.05mm，用于陆上和海上油井 清砂作业。1967年，波纹石油工具公司研

10、制出12台“5M”型连续油管作业机，使 用外径为12.7mm的连续油管，其提升能力为22.3kN。1968 年,波纹石油工具公司 又开发出“8M”型连续油管作业机，使用外径为19.05mm的连续油管，其提升能 力为35.6kN。至70年代初，已有200多台连续油管作业机广泛用于油、气井的清 砂和注氮作业。1964-1967年，油、气工业用连续油管外径为19.05-25.4mm，1967 年至 70 年代初则主要使用外径为 12.7-25.4mm 的连续油管。这一期间，连续油管 主要用于浅井作业。(2) 发展“停滞”阶段20 世纪 70 年代初，人们将外径为 25.4mm 的连续油管从常规浅井的

11、冲砂和喷 射作业扩大应用到深井作业，但由于当时连续油管的材料强度 (屈服强度为 345379MPa)及其直焊缝强度不能满足重复循环及深井作业时所需要的高轴向载 荷要求，连续油管在深井中无法得到成功应用。进入 70 年代后，由于连续油管焊 缝失效、设备故障及井下连续油管作业事故增多等多种综合因素，人们开始对连续 油管作业技术的可靠性及安全性持怀疑态度，连续油管作业技术的发展受到严重阻 碍。70年代是连续油管技术发展史上的“灰色岁月”，但到了 70年代末至80年代 初，美国连续油管作业机的制造厂商开始针对其设备在现场的应用情况，着重在连 续油管作业设计和制造上进行技术改进，进而提高了设备的性能，扩

12、大了连续油管 作业机的适用管径范围，并大大降低了设备的失效率。与此同时，美国连续油管制 造厂商也开始投入力量改进连续油管制造技术，并于 1978 年开发出外径 31.75mm 的连续油管。(3) 扩大发展阶段进入20世纪80年代后，连续油管作业技术出现了新的转机。随着钢材材质和 管材制造技术的改进，以及连续油管作业设备性能的不断更新，各连续油管制 造厂商抓紧时机，不断开发新的连续油管投入市场应用。 1980年，开始采用屈服强 度为 482.3MPa 的钢板轧制连续油管，明显地改善了连续油管的性能。1983 年，在 阿拉斯加，连续油管开始被用于挤注水泥作业。到了 80 年代中期，连续油管己被 应

13、用于各类泵送作业、输送井下工具及替换生产管柱，各连续油管制造厂商致力于 较大直径连续油管的开发。80年代后期，外径为38.1 mm和44.5mm的连续油管相 继问世。进入20世纪90年代后，连续油管作业技术发展迅速，连续油管作业已涉及所 有常规修井作业领域，并向更广、更复杂的应用领域扩展。至 1993 年底，全世界 在用的连续油管作业机数量已达561台，连续油管的年消耗量达426万米，连续油 管的最大作业深度达7125m,并且更大直径的连续油管不断问世。1990年，外径为 50.8mm的连续油管投入完井作业；1992年1月，外径为60.3mm的连续油管问世； 1993 年,外径为88.9mm的

14、连续油管已用于深井试油；1994 年,连续油管的最大直 径已达 114.3mm。至今，连续油管作业已涉及钻井、完井、试油、采油、修井和集输等多个作业 领域。1992年初，美国石油学会开始编制“连续油管作业和应用”作为API的推荐 作法，以宣传和规范有关连续油管的工程、设计、制造、配套、安装、试验及操作目前，世界上几大主要连续油管与连续油管作业机的制造厂商均集中在美国， 它们是精密油管技术公司(Precision Tube Technology)、优质油管公司(QualityTubing Inc) 和西南管材公司 (Southwesten Pipe Inc) 三大连续油管制造公司及 Bowen

15、， Hydra Rig(1991年与Drexel公司合并)和Otis等连续油管作业机制造公司口。1.2 国内外应用概况1.2.1 国外应用现状进入 90 年代后，连续油管作业技术向更多的领域推广应用。连续油管常规的 作业项目稳步发展，新开发的作业项目迅速增加。在美国普拉德霍湾油田西部作业 区，每年使用连续油管作业超过 1000 井次，其中包括油井打捞、清洗、安装可膨 胀式封隔器和桥塞、挤注水泥、测井、注氮举升和喷射泵操作等作业。在北海 Magnus 油田， 1990年连续油管仅用于注氮举升作业，到了1993年，该油田的连续油管作 业项目己扩展到诸如负压射孔和过油管射孔、磨铣积垢、打水泥塞封堵层

16、段及封堵 报废井、洗井等七种项目，作业项目比1990年增加了7倍，作业次数仅1991年就 是1990年的4倍【6,7。(1) 常规的作业项目稳步发展作为主要常规作业项目的连续油管注氮、洗井和注酸共占连续油管作业量的 75%，其中仅洗井一项就占总作业量的 58%。在加拿大和美国，仅在 1992 年安装 的连续油管就达 700 条。自1991 年起，连续油管用作速度管柱的设计及安装长度就己超过 6096m。(2) 新开发的作业项目迅速增加1991 年 l 月，法国 Efl 公司在巴黎盆地用连续油管对现有一口直井进行第二次 钻井加深试验成功。同年，美国 Oryx 公司在得克萨斯用连续油管侧钻水平井试验 成功。至1993 年，全世