，，(中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 江漢機(jī)械研究所，武漢 430000)

連續(xù)油管導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)形式及受力分析

劉菲，呂維平，段文益
(中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 江漢機(jī)械研究所，武漢 430000)

對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外在役各種結(jié)構(gòu)形式的連續(xù)管導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)，以其中的3種典型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向器(支架式導(dǎo)向器、懸臂式導(dǎo)向器、單液缸支撐不可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向器)為例，分析其優(yōu)缺點(diǎn)。建立了力學(xué)模型，分析影響各種結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)向器受力的因素，為導(dǎo)向器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。分析側(cè)向力對(duì)導(dǎo)向器的影響，當(dāng)滾筒寬度較寬或連續(xù)管管徑較大的情況下，不可忽視側(cè)向力的大小。給出了各種結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)向器推薦的使用范圍。

連續(xù)油管；導(dǎo)向器；結(jié)構(gòu)；分析

Abstract：In this paper，the structure of the gooseneck used in coiled tubing unit at home and abroad is summarized，and take the typical three structures of the gooseneck as an example，including the bracket gooseneck，cantilever gooseneck，single cylinder support non-rotatable gooseneck，summarize its advantages and disadvantages，build mechanics model，analyze the factors that affect the force of various structural gooseneck，and provide the basis for the optimal design of the gooseneck.In addition，analysis the factors of the lateral force，when the width of the drum is wide or coiled tubing diameter is larger，we can not ignore the lateral force.Finally，the recommended use range of the various forms of gooseneck is given.

Keywords：coiled tubing；gooseneck；structure；analysis

隨著連續(xù)管技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)管酸化壓裂、連續(xù)管鉆井等大型、復(fù)雜、高難度作業(yè)工藝的應(yīng)用越來(lái)越多[1]，對(duì)大直徑連續(xù)管裝備的需求逐漸增多。其中，導(dǎo)向器是保證連續(xù)管裝備正常工作的重要裝置，合理的導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)形式是大直徑連續(xù)管裝備正常運(yùn)行的保障。目前，連續(xù)管應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，以及高強(qiáng)度大直徑連續(xù)管逐步投入應(yīng)用[2]，對(duì)導(dǎo)向器的要求也越來(lái)越高，如何通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)保證大直徑連續(xù)管導(dǎo)向器的安全和穩(wěn)定性是迫切需要解決的問(wèn)題。目前，導(dǎo)向器的設(shè)計(jì)除了API標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)其半徑有指導(dǎo)性建議外，對(duì)于導(dǎo)向器的結(jié)構(gòu)及適應(yīng)性還未進(jìn)行相關(guān)研究，設(shè)計(jì)者僅根據(jù)自己的想法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在選擇結(jié)構(gòu)方式時(shí)往往會(huì)存在疑惑。筆者查閱大量資料，總結(jié)出幾種典型的結(jié)構(gòu)，并分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)及詳細(xì)的受力分析，并歸納了各種結(jié)構(gòu)的適應(yīng)范圍，為不同的條件下如何選用導(dǎo)向器的結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

1 導(dǎo)向器的主要作用

導(dǎo)向器與位于井口的連續(xù)管注入頭相連[3]，如圖1，其作用是利用彎曲的弧狀結(jié)構(gòu)引導(dǎo)連續(xù)管進(jìn)出注入頭。該結(jié)構(gòu)主要由弧形鋼板、支撐裝置、固定裝置及導(dǎo)向滾輪、支撐滾輪等組成，可更換支撐滾輪來(lái)適應(yīng)不同的連續(xù)管管徑。連續(xù)管在整個(gè)起下作業(yè)過(guò)程中一共要經(jīng)歷6次彎曲[4]：出滾筒—進(jìn)入導(dǎo)向器—出導(dǎo)向器—進(jìn)入導(dǎo)向器—出導(dǎo)向器—進(jìn)入滾筒，如圖2，其中有4次均發(fā)生在導(dǎo)向器上。因此，導(dǎo)向器性能對(duì)連續(xù)管的壽命影響是至關(guān)重要的[5]，API標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)不同連續(xù)管需選擇的導(dǎo)向器彎曲半徑進(jìn)行了明確的規(guī)定，如表1，設(shè)計(jì)人員需嚴(yán)格按照API標(biāo)準(zhǔn)配備符合要求的導(dǎo)向器。另外，從設(shè)備的運(yùn)輸，整體裝備布局考慮，需對(duì)導(dǎo)向器的強(qiáng)度、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使導(dǎo)向器的性能達(dá)到最優(yōu)化。

圖1 作業(yè)時(shí)導(dǎo)向器的連接形式

圖2 起下管過(guò)程中連續(xù)管經(jīng)歷的彎曲

連續(xù)管外徑/mm19．025．431．75～38．1044．45～50．8060．32～88．90導(dǎo)向器圓弧半徑/mm12191219～13711219～18281828～24382286～3048

2 導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)形式

為了適應(yīng)不同的管徑、不同的作業(yè)工況、不同的連續(xù)管作業(yè)機(jī)機(jī)型及運(yùn)輸情況，導(dǎo)向器的結(jié)構(gòu)形式主要有支架式、懸臂式、單液缸支撐不可旋轉(zhuǎn)/可旋轉(zhuǎn)式等。為了能節(jié)省占用空間，適應(yīng)大管徑的導(dǎo)向器幾乎都能折疊，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，強(qiáng)度可靠，操作方便，并且質(zhì)量較輕。3種典型的結(jié)構(gòu)形式如圖3～5，其優(yōu)缺點(diǎn)如表2。

圖3 支架式導(dǎo)向器

圖4 懸臂式導(dǎo)向器

圖5 單液缸支撐不可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向器

1) 支架式導(dǎo)向器。導(dǎo)向器的支撐采用三角形支架，喇叭口段可折疊，導(dǎo)向器主體與連接座采用單銷軸連接，如圖3，Hydra Rig公司設(shè)計(jì)的導(dǎo)向器大多數(shù)為類似結(jié)構(gòu)形式。

2) 懸臂式導(dǎo)向器。導(dǎo)向器與注入頭僅通過(guò)連接座相連。懸臂式導(dǎo)向器包括連接座可旋轉(zhuǎn)和連接座不可旋轉(zhuǎn)兩種結(jié)構(gòu)形式，如圖4，加拿大Formost公司主要采用連接座可旋轉(zhuǎn)的懸臂式導(dǎo)向器的結(jié)構(gòu)形式。

3) 單液缸支撐不可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向器。主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為采用單個(gè)液缸支撐并折疊，但不可旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)向器與連接座有2根銷軸連接，如圖5。

表2 各種導(dǎo)向器的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3 導(dǎo)向器受力分析

對(duì)上述3種導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行力學(xué)分析。將連續(xù)管和導(dǎo)向器看成一個(gè)整體，連續(xù)管與導(dǎo)向器一起共同承擔(dān)彎矩。由于連續(xù)管承擔(dān)彎矩大小與曲率半徑有關(guān)，導(dǎo)向器確定，連續(xù)管彎矩既定。而且連續(xù)管截面較小，可視為承受彎矩能力很小。

3.1支架式導(dǎo)向器

力學(xué)模型如圖6，其中：

∑Mo=0，即：T×OC=F×MN

經(jīng)過(guò)計(jì)算，可以得到支架處受力：

式中：T為支架受力；F為連續(xù)管張力；θ，α，β為夾角(如圖6所示)。

1) 當(dāng)α=90,β=0時(shí)，有：

2) 當(dāng)α為定值，β越小，支架上的受力T越小。

3) 當(dāng)β為定值，α越大，T越小。

圖6 支架式導(dǎo)向器力學(xué)模型

支架式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在導(dǎo)向器的弧形結(jié)構(gòu)上增加了2個(gè)支架，導(dǎo)向器與注入頭框架頂部連接變?yōu)殂q支連接，消除了該連接處的彎矩，減小了連續(xù)管張緊拉力對(duì)此處的破壞力，同時(shí)也增加了導(dǎo)向器抵抗側(cè)向受力的能力。但是，支架上的受力較大，特別是當(dāng)支架較長(zhǎng)時(shí)，容易產(chǎn)生失穩(wěn)，導(dǎo)致支架破壞。設(shè)計(jì)支架式導(dǎo)向器時(shí)，盡量均衡各處受力。

3.2懸臂式導(dǎo)向器

力學(xué)模型如圖7，可以得到：

式中：Nox為導(dǎo)向器與注入頭連接處水平受力；N0y為導(dǎo)向器與注入頭連接處垂直受力；M0為導(dǎo)向器與注入頭連接處所受彎矩；F為連續(xù)管張力；R為導(dǎo)向器半徑；θ為夾角，如圖7所示。

當(dāng)F、R一定時(shí)，θ越小，Nox越大，Noy及M0越小。θ=0時(shí)，Noy及M0最小。

圖7 懸臂式導(dǎo)向器力學(xué)模型

懸臂式導(dǎo)向器僅靠導(dǎo)向器與注入頭框架頂部相連，所以導(dǎo)向器與框架連接處的彎矩最大。連續(xù)管管徑越大，要求匹配的導(dǎo)向器半徑越大，這樣連續(xù)管上的張力也越大，導(dǎo)致該彎矩更大。對(duì)于懸臂式不可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向器，其導(dǎo)向器主體形變也最大，并且對(duì)連續(xù)管在張緊時(shí)的側(cè)向力將無(wú)法克服。

以2 286 mm(90 英寸)導(dǎo)向器為例，連續(xù)管為QT800型，壁厚4.8 mm。F的受力點(diǎn)在90°處，滾筒底徑2 600 mm，連續(xù)管張力為47.6 kN。進(jìn)行導(dǎo)向器計(jì)算，0°處彎矩經(jīng)計(jì)算為1 08.81 kN·m，彎矩非常大。因此，懸臂式不可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向器僅適用于小管徑連續(xù)管，且側(cè)向力不大的情況。

對(duì)于懸臂式帶液缸支撐的可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向器，在液缸支撐下可大幅減小在懸臂情況下的導(dǎo)向器最大變形位移，并且可以克服側(cè)向力的影響。當(dāng)導(dǎo)向器與框架連接處加強(qiáng)后，是適應(yīng)大管徑連續(xù)管較好的導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)形式，特別適用于超寬滾筒。但是，在設(shè)計(jì)可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向器時(shí)，導(dǎo)向器與注入頭的連接處既要可旋轉(zhuǎn)，同時(shí)還要承受較大的彎矩。因此，在設(shè)計(jì)可旋轉(zhuǎn)的適應(yīng)大直徑連續(xù)管導(dǎo)向器時(shí)，對(duì)導(dǎo)向器和注入頭的連接座要求非常高。

3.3單液缸支撐不可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向器

單液缸支撐不可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向器為超靜定結(jié)構(gòu)，同時(shí)導(dǎo)向器主體為弧形結(jié)構(gòu)，采用材料力學(xué)方法求解起來(lái)比較困難。因此，選擇有限元方法，建立有限元模型，采用MATLAB軟件進(jìn)行求解。力學(xué)模型如圖8所示。

圖8 單液缸支撐不可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向器力學(xué)模型

1) 有限元模型。

當(dāng)γi≤φ時(shí)

當(dāng)γi>φ時(shí)

單元桿的撓度和轉(zhuǎn)角為：

式中：E為拉伸彈性模量；I為慣性矩。

各點(diǎn)在全局坐標(biāo)系下的角度為：

各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)之間的關(guān)系如下：

2) 初始條件。

m=(Fy+Ny)xn+(Fx+Nx)yn

考慮到是小變形的情況下：

根據(jù)以上各式即可求得各點(diǎn)的撓度及轉(zhuǎn)角。

3) 求解。

以2 540 mm(100 英寸)導(dǎo)向器為例進(jìn)行計(jì)算，已知條件α=120°，β=100°，φ=120°，連續(xù)管拉力F=47.6 kN。連接座處截面慣性矩I1=2.56×108cm4，導(dǎo)向器前端截面慣性矩I2=3.61×107cm4，支撐液缸截面慣性矩I3=3.22×106cm4，支撐液缸長(zhǎng)度L=3 850 mm。

當(dāng)無(wú)支撐時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖9，得最大位移為88 mm。

當(dāng)有液缸支撐時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖10，得最大位移為34.6 mm，液缸的受力N=17 kN。

把上述分析中的液缸看做支架，并在已知條件相同的情況下計(jì)算支架式導(dǎo)向器的受力情況。

計(jì)算得：T=268.38 kN

可見支架式結(jié)構(gòu)的支撐架受力遠(yuǎn)大于單液缸支撐不可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向器上液缸的受力。

圖9 無(wú)液缸支撐導(dǎo)向器計(jì)算結(jié)果

圖10 有液缸支撐導(dǎo)向器計(jì)算結(jié)果

液缸支撐不可旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)將懸臂式結(jié)構(gòu)與液缸支撐相結(jié)合，共同作用承受連續(xù)管的張緊力作用，液缸支撐下可大幅減小在單懸臂情況下的導(dǎo)向器最大變形位移，懸臂結(jié)構(gòu)又大幅降低了液缸上的支撐力。當(dāng)導(dǎo)向器尺寸較大，導(dǎo)向器變形位移較大，懸臂式結(jié)構(gòu)有助于增加導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，液缸支撐又能起到了減小變形的作用。但是，該結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)向力的能力有限。因此，在側(cè)向力較小(滾筒寬度較小，或?qū)蚱鞲叨取㈦x滾筒的距離較大)時(shí)，液缸支撐不可旋轉(zhuǎn)式導(dǎo)向器是大管徑連續(xù)管導(dǎo)向器的最佳選擇結(jié)構(gòu)形式。

3.4側(cè)向力分析

隨著連續(xù)管管徑及滾筒寬度的增加，導(dǎo)向器所受的側(cè)向力將越來(lái)越大，成為導(dǎo)向器受力分析中不可忽視的一部分。當(dāng)連續(xù)管的管徑及其在滾筒上的彎曲半徑一定時(shí)，側(cè)向力大小隨滾筒寬度的增加而增加，隨導(dǎo)向器高度及離滾筒距離的增加而減小。

下面以滾筒內(nèi)寬為2 450 mm，底徑為2 600 mm，輪轂外徑4 200 mm，連續(xù)管為QT800型，壁厚4.8 mm，連續(xù)管張力F為47.6 kN為例進(jìn)行計(jì)算[2]。當(dāng)導(dǎo)向器高度取8 m，導(dǎo)向器離滾筒的距離取5 m時(shí)，側(cè)向力的大小隨滾筒寬度的變化如表3所示?？梢妭?cè)向力隨滾筒寬度的增加還是比較大的，在滾筒寬度較寬的時(shí)候必須考慮側(cè)向力的影響。

表3 算例中側(cè)向力的大小隨滾筒寬度的變化

另外，對(duì)側(cè)向力影響比較顯著的就是連續(xù)管的管徑，連續(xù)管的壁厚直接影響連續(xù)管的張緊力大小。

4 結(jié)論

1) 對(duì)于不同的連續(xù)管管徑，選用導(dǎo)向器時(shí)應(yīng)該遵守API準(zhǔn)則推薦數(shù)值，不低于其最小導(dǎo)向器半徑。

2) 懸臂式不可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向器主要適用于小管徑連續(xù)管(直徑為12.7 ～25.4 mm)，導(dǎo)向器半徑小于1 828.8 mm(72 英寸)時(shí)。懸臂式帶液缸支撐的可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向器是適應(yīng)大管徑連續(xù)管較好的導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)形式，特別適用于超寬滾筒。

3) 支架式導(dǎo)向器適用于直徑44.45～60.33 mm(1～2英寸)的連續(xù)管，導(dǎo)向器半徑為1 828.8～2 540 mm(72～100 英寸)。

4) 液缸支撐不可旋轉(zhuǎn)式導(dǎo)向器在側(cè)向力不太大的時(shí)候，是大管徑連續(xù)管導(dǎo)向器的最佳選擇結(jié)構(gòu)形式，特別適用于直徑大于73.03 mm(2英寸)的連續(xù)管。但是，該結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)向力的能力有限。因此，在側(cè)向力較大(滾筒寬度較寬，或?qū)蚱鞲叨?、離滾筒的距離較小)時(shí)，也不適合采用液缸支撐不可旋轉(zhuǎn)式導(dǎo)向器。

5) 當(dāng)滾筒寬度較寬、連續(xù)管管徑較大或連續(xù)管壁厚較厚的情況下，必須考慮側(cè)向力的影響。

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StructureTypeandForceAnalysisofGooseneckUsedinCoiledTubingUnit

LIU Fei，LYU Weiping，DUAN Wenyi

(JianghanMachineryResearchInstitute，CNPCDrillingResearchInstitute，Wuhan430000，China)

TE933.802

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.006

1001-3482(2017)05-0029-05

2017-03-29

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“致密油氣連續(xù)管側(cè)鉆鉆井技術(shù)與裝備”(2016ZX05022003)

劉 菲(1982-)，女，湖北松滋人，工程師，碩士研究生，2008年畢業(yè)于西安石油大學(xué)化工過(guò)程機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)主要從事連續(xù)管技術(shù)與裝備的研究工作，E-mail：luck226@163.com。