内容简介
连续管工程失效是制约连续管发展的瓶颈问题。《连续管工程失效与安全评定》集连续管工程失效理论研究、实验研究和数值模拟研究于一体，是在当前国内外连续管工程*新技术的基础上，对作者长期从事连续管工程失效和安全评定研究*新成果的总结。《连续管工程失效与安全评定》主要内容包括连续管腐蚀失效、冲蚀磨损失效、疲劳裂纹萌生与扩展、疲劳寿命评估、基于极限承载的安全评定、基于数据驱动的安全评定等。
目录
目录
第1章 连续管装备与工程 1
1.1连续管作业机关键部件 1
1.1.1注入头及导向器 1
1.1.2 滚筒 2
1.1.3井口压力控制系统 2
1.1.4动力与控制系统 3
1.1.5数据采集系统 3
1.1.6 连续管 3
1.2连续管钻磨桥塞作业 7
1.2.1 井眼轨迹 8
1.2.2 连续管规格 9
1.2.3上提及下放轴向力分布 11
1.2.4 悬重 12
1.2.5钻塞作业能力计算 13
参考文献 15
第2章 连续管失效与作业载荷 16
2.1国外连续管工程失效 16
2.1.1总体失效情况 16
2.1.2工程失效典型案例 17
2.2国内连续管工程失效 18
2.2.1总体失效情况 18
2.2.2工程失效典型案例 18
2.3连续管载荷与缺陷21
2.3.1连续管载荷 21
2.3.2连续管缺陷形式 25
参考文献 26
第3章 连续管腐蚀失效 28
3.1连续管腐蚀机理 28
3.2连续管抗腐蚀性能测试 29
3.2.1低碳微合金钢连续管抗腐蚀性能 30
3.2.2耐蚀合金连续管抗腐蚀性能 31
3.3二氧化碳腐蚀实验 35
3.3.1高温高压腐蚀实验 35
3.3.2电化学腐蚀实验 41
3.4完整连续管电化学腐蚀有限元模拟 47
3.4.1连续管电偶腐蚀有限元模拟 47
3.4.2 连续管 CO2腐蚀有限元模拟 54
3.5含缺陷连续管电化学腐蚀有限元模拟 59
3.5.1含缺陷连续管应力腐蚀有限元模型 59
3.5.2矩形缺陷对连续管电化学腐蚀的影响 62
3.5.3椭球形缺陷对连续管电化学腐蚀的影响 70
参考文献 77
第4章 连续管冲蚀磨损失效 78
4.1连续管剩余寿命理论 78
4.1.1连续管壁厚损失模型 78
4.1.2连续管剩余使用寿命模型 79
4.2连续管内含砂冲蚀磨损 80
4.2.1连续管加砂水力压裂冲蚀磨损几何模型 80
4.2.2控制方程及数值模型 81
4.2.3边界条件及模型验证 83
4.2.4影响连续管内壁冲蚀磨损敏感参数分析 85
4.3连续管在井筒含砂冲蚀磨损 89
4.3.1连续管外壁冲蚀几何模型及边界条件 89
4.3.2影响连续管外壁冲蚀磨损因素分析 91
4.3.3振动状况下连续管冲蚀磨损规律分析 94
4.4含缺陷连续管冲蚀磨损 97
4.4.1有限元计算几何模型及边界条件 97
4.4.2缺陷参数对连续管冲蚀影响分析 98
4.5焊肉对连续管冲蚀速率的影响 102
4.5.1数值模型及边界条件 102
4.5.2焊肉结构参数对冲蚀速率影响分析 103
参考文献 106
第5章 连续管与套管摩擦磨损 107
5.1工程问题 107
5.2高温摩擦磨损试验方案及方法 108
5.3高温及润滑介质对摩擦磨损的影响研究 110
5.3.1摩擦磨损试验结果分析 110
5.3.2白光干涉三维形貌结果分析 113
5.3.3高温影响下扫描电镜结果分析 116
5.3.4磨损断面形态表征 117
5.4生物润滑剂对摩擦磨损的影响 120
5.4.1生物润滑剂润滑特性对比 120
5.4.2不同浓度藕粉润滑特性对比 123
5.4.3不同浓度魔芋胶润滑特性对比 127
5.5基于响应面法的Archard磨损模型修正 131
5.5.1 连续管 -套管磨损有限元模型建立 131
5.5.2有限元仿真及结果分析 133
5.5.3基于响应面法的修正指数优化 136
5.5.4修正摩擦磨损模型建立 139
参考文献 143
第6章 连续管裂纹萌生与扩展 144
6.1基于原位疲劳法的连续管疲劳裂纹萌生 144
6.1.1材料和实验方案 144
6.1.2 实验结果 145
6.1.3讨论与分析 150
6.2缺陷处裂纹萌生数值模拟研究 156
6.2.1 CT90连续管材料金相组织观察 156
6.2.2晶体有限元模型建立 158
6.2.3连续管裂纹萌生规律研究 161
6.3含刮痕缺陷处裂纹萌生及扩展 165
6.3.1有限元模型的建立 165
6.3.2连续管裂纹自然萌生研究 166
6.3.3裂纹萌生后扩展规律 169
参考文献 172
第7章 完整连续管疲劳寿命评估 173
7.1纯低周弯直疲劳 173
7.1.1低周弯直疲劳理论模型 173
7.1.2低周弯直疲劳数值模拟 176
7.1.3 软件编制 182
7.2扭转疲劳 185
7.2.1反扭矩对疲劳寿命影响的数值模型建立 186
7.2.2反扭矩对疲劳寿命影响的因素分析 187
7.3弯扭内压组合下疲劳寿命研究 191
7.3.1理论模型建立 191
7.3.2有限元数值模拟 192
7.3.3影响因素分析 193参考文献 195
第8章 含缺陷连续管疲劳寿命评估 196
8.1含体积缺陷连续管疲劳寿命有限元分析 196
8.1.1含体积缺陷连续管疲劳寿命有限元模型建立 196
8.1.2有限元结果讨论与分析 199
8.2含体积缺陷连续管疲劳寿命实验研究 206
试读
第1章连续管装备与工程
本章概述连续管作业机的主要组成部分，包括注入头、导向器、滚筒、连续管、控制室等，并详细介绍它们的结构组成及工作原理，以便读者宏观地认识连续管装备。同时以典型的连续管钻磨桥塞作业为案例，优选连续管及作业装备，初步了解连续管作业过程。连续管装备及工程概述，为连续管工程失效研究奠定基础。
1.1连续管作业机关键部件
连续管的起源可追溯到20世纪40年代第二次世界大战期间盟军的“PLUTO”计划，该计划在英吉利海峡铺设一条海底输油管道。这条输油管道由23条管线组成，管线由内径为76.2mm、对缝焊接而成的连续钢管制成。1962年，美国加利福尼亚石油(California Oil)公司和波恩石油工具(Bowen Oil Tools)公司联合研制了**台连续管轻便修井装置，所用连续管外径为33.4mm，主要用于墨西哥海湾油气井的冲砂洗井作业。进入20世纪90年代，连续管作业机(coiled tubingunit，CTU)迅猛发展，并广泛应用于修井、钻井、完井、测井等作业，涵盖了油气勘探、开发和生产的全过程，被誉为“万能作业机”[1，2]。
如图1.1所示，连续管作业机一般采用车载移动结构，主要由注入头、导向器、滚筒、连续管、控制室等部件组成，包含井口压力控制、动力与控制以及数据采集等系统。
图1.1连续管作业机
1.1.1注入头及导向器
注入头的主要作用是将连续管持续输送至井下进行作业，并且在作业完成后顺利回收
连续管。注入头夹紧系统是整个注入头的核心区域，夹紧系统从功能上分夹紧与传动两部分。在作业过程中，现场工作人员根据经验与**的负载与夹紧、张紧*线图对夹紧油缸以及张紧油缸进行实时调整。注入头对连续管的上提与下放功能，是由夹紧与传动两个部分协调实现。夹紧油缸推动夹紧推板进而传递到卡瓦上实现连续管夹持动作。传动系统通过滚子链的传动带动卡瓦实现连续管连续地上升或下放。
注入头导向器即鹅颈，主要作用是引导连续管进入夹紧系统。因连续管通常采用钢质材料，具备一定的韧性，因此合理的鹅颈结构可以降低连续管磨损风险，增加连续管使用寿命。注入头鹅颈系统一般由四个部分构成，分别是鹅颈主体组件、鹅颈折叠组件、鹅颈支撑组件及鹅颈液压系统。在作业过程中连续管从滚筒至鹅颈折叠组件，通过开角的鹅颈折叠组件及两个尼龙导向辊子实现初步定位，再通过鹅颈上滚轮实现精确导向。在设计时需考虑整体强度、高空作业安全性、结构紧凑性等因素。
1.1.2滚筒
连续管滚筒作为连续管作业机的核心部分，在作业过程中发挥着重要的作用。滚筒由筒芯和边凸缘组成，其转动由液压马达控制。液压马达在连续管起下时能够在油管上保持一定的拉力，确保连续管紧绕在滚筒上。滚筒前上方装有排管器和计数器，排管器控制连续管整齐排列，计数器用于记录连续管的下入和起点的长度。滚筒所能缠绕连续管的长度和直径的大小主要取决于滚筒的外径、宽度、滚筒筒芯的直径、运输设备及公路承载能力的要求等。
1.1.3井口压力控制系统
连续管作业设备的井口压力控制系统主要由两部分组成，为四闸板防喷器组和注入头下部防喷盒(填料盒)。
四闸板防喷器组是连续管作业机的重要组成部分，所有连续管作业中都应安装。该装置包括四套液压驱动防喷芯子。四套液压驱动防喷芯子自上而下为：全封闸板总成、剪切闸板总成、卡瓦闸板总成和半封闸板总成。全封闸板总成用于失控时在地面封井，芯子的弹性密封元件彼此关紧实现全封闭式密封，全封时油管或其他物件不得穿过芯座。剪切闸板总成用于防喷器以下的油管卡死时或有其他需要(如作为生产管柱或虹吸管悬挂)时机械剪断油管。在需要剪断时，剪切闸板围拢油管并加压，使油管受剪切而断开。卡瓦闸板总成装有卡瓦，用于支撑管柱重量。另外当卡瓦关闭时，芯子内缘与连续管外缘压实将管子固定，以防止井内高压把油管从井内冲出。半封闸板总成用于把连续管外环空与大气隔离，其密封弹性元件与油管外径相匹配，当芯子关闭时，实现油管外环空的密封。
在连续管进出井口的过程中，防喷盒能够有效地密封连续管周围环空压力，防止油、气、水等的溢出，从而避免油气资源浪费和环境污染。这一设备不仅保障了作业顺利进行，还确保了人员安全，是连续管作业中的重要井控设备。
1.1.4动力与控制系统
连续管作业机动力系统来自底盘发动机。底盘发动机通过传动轴驱动分动箱，分动箱带有液压泵，分别驱动防喷器、滚筒、排管器、注入头、辅助液路等。连续管作业机所有传动为液压传动，具体回路有防喷器液压系统、先导控制液压系统、滚筒液压系统、排管器液压系统、辅助液压系统、注入头液压系统等。
1.1.5数据采集系统
连续管作业机配备了相应的数据采集系统，可显示和记录其工作参数。数据采样速率足以显示和记录相关参数的变化过程，同时可在现场进行实时数据
