钻井连续管力学特性研究

论文摘要

随着连续管（CT）技术和钻井技术的发展,近年来该技术已经成为国外钻井技术的热点。研究、开发以及推广连续管作业技术对石油勘探开发具有重要的意义。本文重点对连续管屈曲及轴向载荷传输、工作力学特性及工作疲劳寿命进行分析,完成工作包括:（1）采用能量守恒原理,分别对处于斜井段、垂直井段和弯曲井段的连续管进行临界屈曲载荷分析,得到连续管的临界屈曲载荷。利用拉格朗日乘子方法分别对管柱处于不同屈曲形式下（无屈曲-正弦屈曲-螺旋屈曲）进行管柱与套管壁的接触载荷计算。并对管柱的屈曲行为进行ABAQUS计算机模拟分析。（2）考虑管柱的屈曲,分析连续管在斜井段、垂直井段和弯曲井段的轴向载荷传输特性,建立管柱的轴向载荷传递模型。（3）研究了连续管的工作力学特性。建立了连续管弯曲、抗内压强度和外部挤毁压力、直径增长、纵向伸长（缩短）及卡点位置分析计算模型,并应用ABAQUS有限元软件对管柱挤毁压力进行数值模拟分析。研究结果表明,连续管在起下作业时均将发生交变的弯曲塑性变形;椭圆度越大,抗外挤能力越弱;在一定的内压作用下重复工作后,连续管直径会增长,管壁变薄;连续管在作业时的纵向伸长量较大,产生附加作用力。（4）建立了连续管工作寿命计算模型,并研究了影响连续管工作寿命的因素（敏感性分析）以及提高连续管使用寿命的方法。计算表明,内压、管柱外径、管柱壁厚、卷筒直径、导向拱半径、杨氏模量、工作介质等严重影响连续管的寿命。可采用增大卷筒直径和导向拱半径、尽量增加大直径连续管的壁厚以及优先选用小直径的连续管等办法来提高连续管的使用寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 连续管概述
• 1.1.1 连续管发展概况
• 1.1.2 连续管作业机简介
• 1.1.3 连续管用途
• 1.2 国内外应用概况
• 1.2.1 国外应用现状
• 1.2.2 国内应用现状
• 1.3 国内外研究概况
• 1.4 钻井连续管力学特性研究的意义
• 1.5 本文的研究思路和主要内容
• 第二章 钻井连续管的屈曲分析
• 2.1 问题陈述及建模方法
• 2.1.1 问题陈述
• 2.1.2 主要假设
• 2.1.3 能量守恒原理
• 2.1.4 拉格朗日乘子法
• 2.2 斜直井段连续管的屈曲分析
• 2.2.1 屈曲形式
• 2.2.2 临界屈曲载荷
• 2.2.3 接触载荷
• 2.3 垂直井段连续管的屈曲分析
• 2.3.1 临界屈曲载荷
• 2.3.2 接触载荷
• 2.4 弯曲井段连续管的屈曲分析
• 2.4.1 临界屈曲载荷
• 2.4.2 接触载荷
• 2.5 屈曲分析计算结果及结论
• 2.5.1 斜直井段计算
• 2.5.2 垂直井段计算
• 2.5.3 弯曲井段计算
• 2.5.4 结论
• 2.6 管柱屈曲分析的计算机模拟
• 2.6.1 ABAQUS 简介
• 2.6.2 连续管屈曲模拟分析
• 第三章 连续管轴向载荷传输
• 3.1 斜直井段轴向载荷
• 3.1.1 数学模型
• 3.1.2 水平井段轴向载荷分布
• 3.2 垂直井段轴向载荷
• 3.3 弯曲井段轴向载荷
• 3.4 轴向载荷计算结果及分析
• 3.4.1 斜直井段轴向载荷传递特性
• 3.4.2 水平井段轴向载荷传递特性
• 3.4.3 垂直井段轴向载荷传递特性
• 3.4.4 连续管的“锁定”
• 3.4.5 连续管轴向载荷综合算例分析
• 3.5 结论
• 第四章 连续管工作特性分析
• 4.1 连续管弯曲分析
• 4.1.1 连续管卷绕时的弯曲分析
• 4.1.2 连续管在井口处的压曲分析
• 4.2 连续管的挤毁破裂压力及计算机模拟分析
• 4.2.1 连续管工作应力分析
• 4.2.2 连续管屈服极限判据
• 4.2.3 连续管抗内压（破裂压力）分析
• 4.2.4 连续管抗外挤（挤毁压力）分析
• 4.2.5 连续管抗外挤计算机模拟分析
• 4.2.6 数学理论模型与有限元分析的比较
• 4.2.7 结论
• 4.3 连续管直径增长分析
• 4.4 连续管伸长（缩短）分析及卡点计算
• 4.4.1 连续管伸长（缩短）分析
• 4.4.2 连续管卡点计算
• 第五章 连续管失效分析及工作疲劳寿命计算
• 5.1 连续管失效分析
• 5.1.1 连续管失效形式
• 5.1.2 连续管失效原因
• 5.1.3 避免连续管失效建议
• 5.2 连续管工作疲劳寿命计算
• 5.2.1 连续管疲劳寿命计算概述
• 5.2.2 连续管危险点应力分析
• 5.2.3 连续管疲劳寿命预测模型
• 5.3 影响连续管疲劳寿命因素分析
• 5.4 提高连续管使用寿命的方法
• 第六章 应用软件的编制
• 6.1 应用软件开发的意义
• 6.2 软件功能设计
• 6.3 软件总体结构
• 6.4 软件各模块简介
• 6.4.1 管柱屈曲
• 6.4.2 力学特性
• 6.4.3 工作疲劳寿命
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢