连续油管在海洋垂直立管中作业的轴向力传递

陈迎春，张仕民，王文明，熊明皓，杨德福，李 寅（．中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京049；．长城钻探工程技术研究院井下所，辽宁　　盘锦400）

连续油管在海洋垂直立管中作业的轴向力传递

陈迎春1，张仕民1，王文明1，熊明皓1，杨德福1，李 寅2
（1．中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京102249；2．长城钻探工程技术研究院井下所，辽宁盘锦124010）

由于刚度较低，连续油管在进行海洋垂直式立管清管作业时可能会发生屈曲，从而导致其顶部提供的轴向载荷将不能全部传递到底部，影响正常作业。通过数值模拟，研究了连续油管在海洋垂直式立管中作业时的轴向力传递特性。研究结果表明：当立管长度一定时，连续油管轴向载荷传递效率将会随着连续油管与立管之间的环空间隙的增大而减小；当连续油管与立管之间的环空间隙一定时，连续油管轴向载荷传递效率将会随着立管长度的增大而减小。该研究成果将会对连续油管进行海洋垂直式立管清管作业提供重要理论依据。

连续油管；海洋垂直式立管；清管作业；轴向载荷；传递特性

经过多年的使用之后，海洋立管内部将会存在严重的结垢现象，这将会导致海洋立管的输送能力大幅度下降，同时也会引起很多别的安全问题。为了保障海洋立管的安全性，必须除去这些内部结垢物。目前比较先进的方法是将清管器与连续油管相连接，并利用注入头将清管下入立管内部，以进行清管作业［1-3］。该作业的示意图如图1所示：连续油管作业单元固定在海洋平台上，清管器连在连续油管末端；海洋立管的顶部悬挂在海洋平台上，底部与海底井口相连；连续油管与海洋立管之间存在环空间隙；在注入头的作用下，连续油管会带着清管器进入海洋立管，以进行清管作业。随着清管作业不断进行，清管器将会受到越来越大的阻力，因此作用在连续油管底部的压力也会越来越大。由于连续油管的刚度较低，在底部阻力达到一定值时，连续油管将会发生屈曲，如图1中的b。当连续油管发生屈曲后，连续油管与立管之间的接触力会增大，从而使连续油管与立管之间的摩擦力增大，导致顶部提供的注入力不能完全传递到底部。随着连续油管屈曲愈发严重，连续油管于立管之间的摩擦力将会剧增，最终连续油管将会发生锁死现象，致使整个作业失败。由此可见，对于连续油管在立管中作业时轴向力传递特性的研究是指导改进作业的关键因素。

图1 基于连续油管技术的海洋垂直式立管清管作业示意

1 国内外研究现状

自Lubinski［4］首次分析了钻柱正弦屈曲载荷、螺旋屈曲后，已有大量学者对进行陆地作业时连续油管的屈曲特性进行了研究［5］。近年来，K uroiwa［6］通过试验的方法，发现在海洋中套管由于自重和浮力作用呈现S形。Sim on Falser［7］在Kuroiwa的基础上通过试验研究，分析了倾斜角度和连续油管与外管之间的径向间隙对管柱受力的影响，得到了套管倾斜角度对轴力传递影响不大、套管轴力与径向间隙是相互独立的。笔者借鉴已有研究成果，搭建了管中管试验台，模拟连续油管在深海立管中进行海洋油气作业时的真实工况，分析了在海洋环境载荷作用下，不同内外管管径比及不同的立管形状时，连续油管的轴向力传递效率及管中管接触力学特性，从而得到了连续油管在悬链线边界条件下的屈曲特性。

然而目前已有的管中管研究成果都是在外管固定或半固定的边界条件下，对内管施加轴向力，没有考虑到外管的浮动边界条件，从而导致所得到的结果无法直接应用到海洋作业中。因此本文通过有限元模拟，对非固定边界下连续油管工作时的情况进行模拟，分析不同因素对于该工况下连续油管的轴向载荷传递特性的影响，以指导实际作业，为海洋油气供应安全提供保证。

2 模型构建

采用ABAQUS的动态分析模块（Dynamic Explicit）进行模拟分析。由于所建立的模型会直接影响到计算速度、收敛性和计算结果，因此建模时需要充分考虑各种因素。由表1可知，由于外管的壁厚t除以外管外径Do为：

将立管用Shell进行建模，类型定为S4 R，采用Free technique对其进行划分网格，网格单元为Q uad-dominated，计算方法为advancing front。由于内管的壁厚除以内管外径do为：

将内管设为梁单元，类型为Wire Tim oshenko B31，网格单元为2-node linear beamin space。根据实际进行清管作业时的工况，该管中管系统的边界条件设为：将立管两端端面设为全固定；连续油管顶部和底部的x和y方向线自由度固定；将内外管之间接触设为面对面接触。

需要说明的是，为了便于后期将模拟所得的结果与实验结果进行对比，将外管的材料取为聚甲基丙烯酸甲酯，屈服强度为77．2mPa；内管材料为SS210，屈服强度为245．0mPa，具体的参数如表1。

表1 模拟用内管和外管的尺寸mm

为分析环空间隙和不同外管长度对于连续油管轴向载荷传递特性的影响，共进行了9组不同工况的模拟分析，具体参数如表2所示。

表2 管子组合及环空间隙

3 模拟结果与分析

3．1 微元段受力分析

为了分析连续油管在立管中的轴向力传递特性，首先该管中管系统中的选取任一微元段进行受力分析，如图2所示。

图2 微元段进行受力分析

图2中，dl为该微元段长度，Ti为该微元段初始点的轴向力，Ti＋dTi（l）为该微元段末端点的轴向力，FNi为内外管之间的接触压力，Ffi为内外管之间的摩擦力，W为内管的自重力。根据牛顿第三定律，可

由图3可知，内外管之间初始的接触力FN0即为内管的

随着两端受力变大后，连续油管的初始平衡状态将会被打破，以致发生屈曲。当连续油管所受轴向力超过其临界正弦屈曲载荷时，它将变成正弦状。连续油管的临界正弦屈曲载荷Fcrs计算公式为［8］：

当连续油管所受轴向力超过其临界正弦屈曲载荷时，它将变成正弦状。连续油管的临界正弦屈曲载荷Fcrh计算公式为［8］：

当连续油管发生屈曲后，内外管之间将会存在附加接触力FN A，其计算公式为：式中：E为连续油管的弹性模量；I为连续油管截面的轴惯性矩；rc为环空间隙mm；当连续油管为正弦屈曲时，c＝0．125；当连续油管为螺旋屈曲时c＝0．25。因此内外管之间的总接触力为：内外管之间的摩擦力为：式中：f为摩擦因数。

3．2 环空间隙影响

将连续油管顶部所受的轴向力定义为注入力，连续油管末端所受的轴向力定义为末端力。不同环空间隙下的连续油管轴向力传递特性如图3所示。

图3 环空间隙对于连续油管轴向载荷传递影响

由图3可知，不论立管的长度和连续油管的内管尺寸如何，连续油管的末端力始终小于注入力；在立管长度和注入力相同的情况下，环空间隙为rc＝16．0mm时连续油管的末端力最大；在立管长度和注入力相同的情况下，环空间隙为rc＝18．0mm时连续油管的末端力最小。出现这种情况的原因为：附加接触力FN A的计算如式（7）所示，因此FN A会随着rc的增大而增大。同时，内外管之间的摩擦力计算如式（9）所示，由此可知内外管之间的摩擦力会随着接触力增大而增大。由式（3）可知，连续油管的末端力会随着环空间隙rc的增大而减小。

当注入力为1 200．0 N时，不同工况下的末端力如表3所示。

表3 注入力为1 200 N时的连续油管末端力值

由表3可知，当立管长度L＝4 000．0mm时，环空间隙rc为17．0mm时的连续油管末端力比环空间隙rc为18．0mm时的连续油管末端力高3．4%；环空间隙rc为16．0mm时的连续油管末端力比环空间隙rc为17．0mm时的连续油管末端力高3．3%。

当立管长度L＝8000．0mm时，环空间隙rc为17．0mm时的连续油管末端力比环空间隙rc为18．0mm时的连续油管末端力高34．7%；环空间隙rc为16．0mm时的连续油管末端力比环空间隙rc为17．0mm时的连续油管末端力高4．8%。

当L＝16000．0mm时，环空间隙rc为17．0mm时的连续油管末端力比环空间隙rc为18．0mm时的连续油管末端力高37．2%；环空间隙为16．0mm时的连续油管末端力比环空间隙为17．0mm时的连续油管末端力高14．4%。

由此可见，随着外管长度L的增加，环空间隙rc对于连续油管轴向载荷传递效率的影响也将增加。出现这种现象是由于：微元段内内外管之间的摩擦力计算公式如式（9）所示，则整段内，内外管之间的摩擦力为：

因此，随着外管长度L的增加，内外管之间的摩擦力将会增大，从而使环空间隙rc对于连续油管轴向载荷传递效率的影响增加。

3．3 立管长度的影响

不同立管长度时的连续油管轴向力传递特性如图4所示。

图4 立管长度L对连续油管轴向载荷传递影响

由图4可知，当环空间隙rc和注入力相同的情况下，立管长度为L＝4 000．0mm时，连续油管的末端力最大；当环空间隙rc和注入力相同的情况下，立管长度为L＝1 6000．0mm时，连续油管的末端力最小。由此可见，随着立管长度L的增大，连续油管的轴向载荷传递效率将会下降。出现这种现象的原因在上节中已经提到：

连续油管与立管之间的摩擦力Ff可以由式（10）来计算，因此摩擦力Ff会随着立管长度L的增大而增大。由式（3）可知，随着摩擦力的增大，注入力将会由于摩擦损失无法全部传递至末端力。因此，摩擦力越大，末端力越小。即立管长度越大，末端力越小。

同时，由表3可知，随着环空间隙rc的减小，立管长度对于连续油管轴向力传递效率的影响将会增加，这是由于：连续油管与立管之间的摩擦力Ff可以由式（10）来计算，因此当环空间隙rc较小时，随着外管长度L的增加，内外管之间的摩擦力将会增大，从而使连续油管轴向载荷传递效率的影响增加。

4 结论

1） 连续油管在海洋垂直式立管中作业时，连续油管的轴向载荷传递效率将会随着连续油管与立管之间的环空间隙的增大而减小，同时会随着立管长度的增大而减小。因此在实际作业时，应尽量选取小的管径比。

2） 本文得出的是定性结论，下一步将会针对这种特殊工况，建立理论模型，以期得出更加精确的结果。

3） 本文的研究将会对连续油管进行海洋立管清管作业提供重要的理论依据。

［1］ Tan G B，Zhang Sm，Zhu X X．Design of the speed regulating PIG with butterfly bypass-valve［C］／／2nd，International Conference onmanufacturing Science and Engineering，2011；Guilin，China：429-432．

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［4］ Arthur Lubinski．A study on the buckling of rotary Drilling Strings［J］．A PI Drilling Production Practice，1950（5）：178-214．

［5］ 陈迎春，张仕民，王文明，等．连续油管屈曲力学特性研究进展［J］．石油矿场机械，2013，42（12）：15-20．

［6］ K uroiwa T，Nishigakim，O kam oto N，et al．Interaction between Riser and Tubing in C V A R System［C］／／Proceedings of the Proceedings of the T welfth（2002）International Offshore and Polar Engineering Conference，m ay 26，2002-m ay 31，2002．

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［8］mitchell R F．Tubing buckling—The state of the art ［R］．SP E 104267，2006．

Computational Study on Axial Load Transfer Behavior of A Coiled Tubing W orking in Amarine Vertical Riser

CHENYingchun1，ZHANG Shimin1，WANGWenming1，XIO N Gminghao1，YANGDefu1，LI Yin2
（1．College ofmechanical Engineering，China University of Petroleum，Beijing102249，China；2.GWDC Technology Academyof Engineering，Panjin124010，China）

Due to its low stiffness，Coiled Tubing（CT）would bucklewhen proceedingmarine vertical riser pigging operation．In that case，the injecting force would not be able to completely transfer intoitsend，whichwouldfinallydamageCTandriserandmaketheoperationfailed．AcomputationalstudyisprecededonaxialloadtransferbehaviorofCT workinginamarineverticalriser． into its end，w hich w ould finally da mage C T and riser and make the operation failed．A co m puta- tional study is preceded on axial load transfer behavior of C T w orking in a marine vertical riser． Results shows that axialforce transfer efficiency ofinner pipe will decrease with annular clearance increasing w hen the length of outer pipe is fixed；the axial force transfer efficiency of inner pipe will decrease with the increasing of riser length w hen the annular clearance is fixed．T he research done above might provide im portant theoretical supports for the marine riser pigging operation． Keywords：coiled tubing；marine vertical riser；pigging；axial load；transfer behavior

T E933．801

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．004