石油天然气用管弯曲试验方法研究.pdf

石油天然气用管弯曲试验方法研究 石油天然气用管弯曲试验方法研究 张丽敏 天津钢管集 团有限公 司， 天津 3 0 0 3 0 1 [ 摘要】 介绍了一种弯曲试验模型及试验实施方法和计算公式的推导， 并对试验方法的精度和可行性用实例进行 说明。由此得出四点弯模型可准确模拟定向井的弯曲井况， 且实施起来比较方便； 应变法测量弯曲狗腿度可实现狗 腿 度的精确测量 和控制 。 【 关键词】 弯曲； 模 型； 应 变； 狗腿度 ； 试验 ； 研 究 S t ud y on Be ndi ng Te s t M e t ho d f o r Oi l a nd Na t ur a l Ga s Pi pe ZHANG Li -mi n T i a n j i n P i p e[ G r o u p ] C o r p o r a t i o n ， T i a n j i n 3 0 0 3 0 1 ， C h i n a Abs t r a c t Th e p a p e r i nt r o d u c e s a b e n d t e s t mo d e l a n d i t s e x e c u t i o n me t h o d a n d c a l c u l a t i o n f o r mu l a d e r i v a t i o n ，a n d e x pl a i ns t h e t e s t me t h o d p r e c i s i o n a n d f e a s i bi l i t y wi t h e x a mp l e s ．Th e r e f o r e ，i t c a n b e s e e n t h a t t h e f o u r -p o i n t be n d mo de l c a n a c c u r a t e l y s i mu l a t e t he b e n d c o nd i t i o ns o f d i r e c t i o n a l we l l a n d i s c o n v e n i e n t t o e x e c ut e ； o v e r a l l a n g l e c h a ng e r a t e c a n b e p r e c i s e l y me a s u r e d a nd c o n t r o l l e d b y s t r a i n i n g me t h o d． Ke y wo r ds b e n d；mo d e l ；s t a i n；o v e r a l l a n g l e c h a n g e r a t e ；t e s t ；s t u d y 1 引言 定向井 、 大斜度井、 水平井 、 稠油热采井等固井下 套管作业 中 ， 套 管有可能 由于受三维应力状态 而发生 弯曲， 定向井 、 水平井的 0 。 ～ 9 0 。 造斜段弯曲度更大。 基 于套管在井中的弯曲状况 ， 很多学者提出了一些井况 下套管的弯曲模型、 仿真和计算方法等[ 1 - 7 ] 。但是要评 判套管在定向井固井作业中的整管弯曲使用性能， 用 整管串的实际使用性能评价试验则最有说服力 ， 那么 套管的使用性能评价试验中弯曲如何实现呢， 本文就 讨论这个 问题 。 2 套管弯曲模型的建立 定向井中固井下套管时受轴向拉伸或压缩 ， 横向 内压或外压， 弯曲段有弯曲作用， 因此套管在弯曲段 为纵横弯曲， 在井下弯曲段一般都有扶正器 ， 扶正器 与井壁充分接触 ， 我们视其为绞支 ， 其井下具体受力 模型如图 1 所示 翻 ， F为所受拉力， q为套管柱 自重 ， 厂 为套管弯曲挠度。 由于试验时套管比在井下套管柱要 短得多 ， 其 自重对管的弯曲力微乎其微 ， 因此假设其 为零 ， 但为了在试验中更好地模拟实际弯曲行程的狗 腿度 ， 需对样管施加横向载荷。实际井况中弯曲套管 收稿 日期 2 0 1 2 0 9 1 0 修回 日期 2 0 1 2 1 0 2 0 作者简介 张丽敏 1 9 7 9 一 ， 女 ， 硕士 ， 工程师 ， 主要从事冶金方 面的 图 1 套管柱受力模型 柱受均匀载荷产生弯曲， 因此套管的实际使用性能评 价试验中弯曲试验也应使套管柱尽量承受均布载荷 ， 以更接近实际使用工况。四点弯两端绞支模型两个加 载点中间部分可以得到均布弯矩， 如图 2 所示 ， 而且 加载点的加载在工程上较容易实现， 用两个液压缸进 行加载即可完成。 加载点中间部分有充分的空间保证 弯曲变形测量仪器的安装 ， 因此四点弯模型较接近井 况 ， 也是最容易实现的一种形式。 试样两端绞支， 在加 研究工作 。 图 2 四点弯 曲模型 研 究 与 应 用 一 2 1 天舜 幺 管 载点 c和 D之间弯矩是相等的。实际四点弯装配图 如图 3 所示 ，中间两个液压缸 1 和 2为加载点 P ， 左 为 C点， 右为 D点。框架两端下方 3和4分别为两个 支撑缸 ， 即绞支点 和 B 。 在套管的实际使用性能评价试验中， 套管是受复 合力的， 包括轴向载荷和径向内外压 ， 因此套管的实 际使用评价试验中套管也是纵横弯曲， 此模型完全可 以模拟定向井中套管的受力状态。 3 应变法测量狗腿度 套管的实际使用性能评价试验中轴 向载荷和径 向内外压是通过加载设备进行加载并测量控制的。 为 了实现弯曲的测量和控制， 根据油套管的使用性能评 价试验标准 ， 其载荷为 V o n Mi s e s 应力圆上或圆内 的计算载荷 ， 此 V ME应力圆为弹性应力 ， 也就是说不 管对套管施加几种载荷， 其载荷都在弹性范围内。因 此其应力应变关系符合线弹性规律， 可以用弹性应变 和弹性应力的关系来测量和控制弯曲狗腿度的大小。 3 ． 1 应变测 弯曲公 式的推 导 在纯弯曲试验中， 可以根据套管的应力差来求得 其弯曲狗腿度 I ， 其公式为 D l e g or 1 一 o r 2 ／ 2 1 8 x D 1 D l e g E x 1 一 2 ／ 2 1 8 x D 2 式中 D l e g 为弯曲狗腿度 ； D为样管外径； 8 为外弧拉 应变； s 为内弧压应变 ； or 、 为外弧的应力 ； 盯 为内弧 的应力 E为样管的弹性模量。但是， 样管复合力试验 中不只有弯 曲一种载荷 ，还有轴向载荷 拉伸或压 缩 ， 内压 ， 外压。由于在弯曲时样管的内弧受压缩载 荷 ， 外弧受拉伸载荷， 都是轴向载荷 ， 径向其他方向的 载荷对其没有影响， 因此在径向的内压和外压应变对 弯曲没有作用 ， 我们只要考虑轴向载荷就可以了。 设应 变采集样 管 内弧 的应 变为 s ，采集 的样 管 外弧的应变为 ，轴向载荷对样管的任意部分产生 的应变为均等的， 设应变为 ， 那么外弧的总应变为 d l 占 1 3 内弧 的总应变 为 以 s 2 4 E I - 2 一 一 占 一 一 8 以 5 弯曲的计算公式 2 即为 D l e g E d l 一 出 ／ 2 1 8 x D 6 3 ． 2 应 变的测量 、 精 度和可行性 应 变 测 量 是 由贴 在 样 管 上 的单 轴 应 变 片 通 过 s T 一 1 6数据采集系统完成。将样管表面交叉磨光， 使 粘贴表面形成微观交叉纹路 ，此纹路有利于应变片贴 一 2 2 一 鼢研 究 实牢固，然后将应变片按照事先用分度盘和标准游标 卡尺画好的位置线熟练贴于样管表面 ，保证应变片测 量方向为轴向。将信号排线与应变片信号线焊连在一 起， 系统通道和参数设置完成后即可采集到所测应变。 应变测量系统精度为 0 ． 1 5 ％ F ． S ，满量程为 2 0 0 0 0 s 。实际屈服时的应变 8 为 0 ． 2 ％， 因此此应变系统可 以满足精度和测量范围要求。样管信息见表 1 。 表 1 样 管信息表 为了更准确地测量应变， 降低随机误差 ， 我们在 内弧和外弧分别贴 2 个应变片， 且距两个加载点中点 距离相同， 所测值取平均值 。按照上述程序粘贴和链 接应变片后 ， 进行标准 复合力试验 ， 此试验为拉伸内 压加弯曲循环试验， 具体加弯曲和不加弯曲时应变曲 线如图 4 所示 ， 图中水平未分开的线为拉伸时样管的 应变曲线 ， 向上下两侧分开的为加弯曲载荷后的应变 曲线 ， 上为外弧， 下为内弧， 应变示值均值分别为外弧 1 0 0 5 ￡ ， 内弧为一 2 0 7 ￡ ， 用式 6 计算可得弯曲狗 腿度 为 1 5 ． 0 0 2 。 ／ 3 0 m，因此用此方法可准确地测 量弯 曲狗腿度 。 4结论 用四点弯曲模型可近似模拟定向井的弯曲井况。 通过应变测量弯曲狗腿度计算公式的推导可知可 以 直接用所测综合应变来测量狗腿度 ， 使应变计算狗腿 度变得更方便和直观 ， 提高了弯曲的可操作性。应变 测量系统精度和测量范围完全满足复合力试验中测 量狗腿度 的要求 。 参考资料 [ 1 ] L I U G a n g ， YI N X u e - l i a n ．E x t e r n a l p r e s s u r e 1 b r ini n g a n d b u c k l i n g l J ] ． A n y s i s o f T u b u l a r P a r t s w i t h Rib s ， 2 0 0 6 2 2 5 7 0 8 7 1 1 ． [ 2 ] 姜伟． 定向井套管柱弯曲挠度的计算及研究[J 】 _ 中国海上油气 工程 ， 1 9 9 2 ， 4 6 2 5 3 0 ． [ 3 ] P a t t i l l o P D．H o w A mo c o S o l v e d C a s i n g D e s i g n P r o b l e m i n t h e G u ff o f S u e z [ J ] ． P e t r o l e a m E n g i n n e r i n g i n t e r n a t i o n a l ， 1 9 8 1 ， 1 l 2 5 8 - 6 3 ． 【 4 】朱炳坤． 弯曲井段中套管柱挠曲变形的分析计算[ J 1． 石油矿场 机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 7 5 1 ． [ 5 ] 杨杰． 水平井套管弯曲力学模型与计算分析 【 J 1 ． 石油机械， 2 0 0 4 ， 2 4 1 0 5 - 1 1 ． f 6 ] 刘春全．三维 弯曲井眼套管动力学 建模与仿真器 开发l J l _石 油机械 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 1 2 8 3 1 ． [ 7 ] 刘扬．井下套管弯曲变形的数值模拟[ J l _大庆石油学院学报， 2 0 0 5 ． 2 9 5 3 5 3 7 ． 编辑崔建华 与 应 用 鼢