基于ANSYS软件的连续管井口压曲分析

肖峰

(汉江机械制造有限公司，四川德阳618000)

基于ANSYS软件的连续管井口压曲分析

肖峰

(汉江机械制造有限公司，四川德阳618000)

采用有限元分析软件ANSYS，对井口处注入头链条底部与防喷器橡胶心子顶部之间的无支撑长度的连续管进行数值分析计算，得到了不同参数下的连续管静力压曲临界载荷，分析了无支撑段连续管长度、连续管的截面面积对压曲载荷的影响规律。结果表明，压曲临界载荷随着连续管管径和壁厚的增大而增大，而随着无支撑段管长的增加而减少。该分析方法与分析结果可用于指导井口处连续管作业的设计与施工。

连续管;井口;屈曲;有限元分析

连续管也称柔性管或盘管，它强度高、塑性好并具有一定抗腐蚀性。目前已广泛应用于钻井、修井、测井、完井、海洋管线集输等各个作业领域，连续管作业装备被称为“万能作业机”［1］。其中，注入头是连续管作业机最为重要的部件，而在连续管作业机进行作业时，注入头链条底部与防喷器橡胶心子顶部之间的无支撑长度的连续管，会在注入连续管过程中因为注入头对其向下的注入力，可能会出现严重弯曲［2］。因此，如何确定此部分的临界压曲载荷，确保连续管顺利下入进行作业，降低连续管弯曲折断等作业事故具有重要意义。

1 连续管井口压曲分析

1.1 力学模型

图1是井口处连续管严重弯曲后的状态图。而本文中所要进行的是井口处连续管将要发生弯曲失稳时的分析，且忽略注入头与连续管以及防喷器橡胶心子与连续管间的间隙，因此，CT(连续管)在注入头中的约束可以认为为固定端，CT发生弯曲失稳时防喷器橡胶心子对CT的约束也可以近似为固定端。因此，井口无支撑段连续管可以简化为两端固定的压杆模型，如图2所示。

针对图2所示的力学模型，给出如下边界条件:

在y=0处三个方向的位移为0，ux=uy=uz=0，旋转角位移同时都为0，即:θx=θy=θz=0;

在y=400 mm处x、z方向的位移为0，ux=uz=0，旋转角位移同时都为0，即:θx=θy=θz=0。

1.2 连续管井口压曲有限元分析

对于两端固定的压杆，由失稳后挠曲线形状具有对称性以及反弯点处弯矩为零可知，长度为l的两端固支连续管的临界压曲载荷与长度为的悬臂支撑连续管的相等，所以数值计算中取长度为100 mm的悬臂支撑连续管。所以建立的数值模型为一端固定，另一端施加载荷的压杆。

模型采用理想弹塑性模型，单元为beam189，并考虑初始几何缺陷(可以认为由初始曲率引起)，用非线性屈曲分析的弧长法进行数值计算［3］。以下讨论管内无内压作用下，不同连续管参数对其非线性屈曲的影响。

1.2.1 无支撑段长度对非线性屈曲的影响

取六组无支撑段长度，其长度分别为400 mm、440 mm、480 mm、520 mm、560 mm、600 mm，保持连续管尺寸等参数不变。连续管外径取Φ50.8mm内径取Φ43.992mm，弹性模量为206 GPa，屈服强度为552 MPa［4］。进行ANSYS分析，可得不同管长下连续管非线性屈曲极限载荷，如图3所示。

从图3中可以明显看出，随着无支撑长度的增加，非线性屈曲极限载荷不断减小，安全性也就越低，也越容易发生失稳。

1.2.2 连续管外径对非线性屈曲的影响

取六组不同连续管外径，其值分别为Φ25.4 mm、Φ31.75mm、Φ38.1 mm、Φ44.45 mm、Φ50.8 mm、Φ60.33 mm，保持连续管壁厚、长度等参数不变。连续管壁厚取2.769 mm，管长取400 mm，弹性模量为206 GPa，屈服强度为552 MPa。进行ANSYS分析，可得不同外径下连续管非线性屈曲极限载荷，如图4所示。

从图4中可以明显看出，随着连续管外径的增加，非线性屈曲极限载荷不断增大，安全性也就越高，也越不容易发生失稳。

1.2.3 连续管壁厚对非线性屈曲的影响

取六组不同连续管壁厚，其值分别为2.769 mm、3.175 mm、3.404 mm、3.962 mm、4.445 mm、4.775 mm，保持连续管外径、长度等参数不变。连续管外径取Φ50.8 mm，管长取400 mm，弹性模量为206 GPa，屈服强度为552 MPa。进行ANSYS分析，可得不同壁厚下连续管非线性屈曲极限载荷，如图5所示。

从图5中可以明显看出，随着壁厚的增加，非线性屈曲极限载荷不断增大，安全性也就越高，也越不容易发生失稳。

2 连续管井口压曲的预防措施

连续管在强行下入过程中，当其下入力大于临界压曲载荷时，连续管有可能会出现严重弯曲。从前面有限元分析结果可知，可以从以下三个方面预防连续管在井口的压曲:

1)在满足作业要求的前提下，可以通过缩短井口处连续管长度，也可以在此段连续管周围配置压曲导向器来减少无支撑段长度，来预防连续管在井口的压曲问题。

2)在满足作业要求的前提下，在连续管壁厚、长度等参数不变的情况下，适当增大连续管外径，以改变连续管截面面积，增大屈曲极限载荷，来预防连续管在井口的压曲问题。

3)在满足作业要求的前提下，在连续管外径、长度等参数不变的情况下，适当增大连续管壁厚，以改变连续管截面面积，增大屈曲极限载荷，来预防连续管在井口的压曲问题。

另外，我们也可以通过改变连续管材料特性，提高连续管管材的屈服极限，来预防连续管压曲问题。

3 结论

利用有限元分析软件ANSYS，对井口处无支撑段连续管静力压曲问题进行了数值分析计算，通过非线性屈曲分析方法，得到了不同参数下的连续管静力压曲临界载荷，分析了无支撑段连续管长度、连续管的截面面积对屈曲载荷的影响，分析计算结果表明，屈曲载荷随着管径和壁厚的增大而增大，而随着无支撑段管长的增加而减少。因此，在连续管的实际工程应用中，在满足作业要求的前提下，可以适当增加连续管管径、壁厚或者减少无支撑段连续管的长度来预防连续管在井口的压曲问题，保证作业的安全性。

［1］毕宗岳.连续油管与作业技术国际研讨会论文集［C］.宝鸡:宝鸡石油钢管有限责任公司，2010.

［2］李宗田.连续油管技术手册［M］.北京:石油工业出版社，2003.

［3］尚晓江，邱峰，赵海峰，等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2005.

Analysis of Coiled Tubing Wellhead Buckling with ANSYS Software

XIAO Feng
(Hanjiang Machinery Manufacturing Co.，Deyang 618000，Sichuan，China)

The paper analyzed the coiled tubing between BOP rubber borders and the bottom of injector chain in wellhead by using software ANSYS，obtained static buckling load of coiled tubing in different parameters，and analyzed the law of the buckling load of coiled tubing with different length and sectional area.The results show that static buckling load is increased with larger diameter and thicker wall of coiled tubing but reduced with the larger length of coiled tubing.The analysis methods and results can be used to guide the design and construction of coiled tubing operation in the wellhead.

coiled tubing;wellhead;buckling;finite element analysis

TE933.8

B

1008-9446(2011)01-0029-04

2011-02-18

肖峰(1984－)，男，新疆石河子人，德阳市汉江机械制造有限公司助理工程师，主要从事石油机械的设计研究。