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连续油管力学行为及低周疲劳寿命研究

肖晖  
【摘要】:连续油管技术在油气田钻井、完井、采油、洗井等领域的应用与日俱增,在石油领域发挥着越来越重要的作用,享有"万能作业设备"的美称。然而,由于环境恶劣、外部载荷以及缺陷等因素,使得连续油管的服役时间得不到保障,因此亟需采用理论方法和有限元技术研究外部载荷对连续油管极限承载能力和疲劳寿命的研究,得出相应的主控参数和优化参数。本文根据现场工况,以2.375"连续油管作为研究对象,基于经典力学,建立了多组载荷耦合下连续油管的数学模型和有限元模型,研究连续油管在多组载荷下的极限承载能力。连续油管在工作过程中,将承受拉伸载荷、弯曲变形载荷、内压和挤压载荷这四种载荷。为了得出影响连续油管极限承载能力的主控载荷,采用波动载荷分布的方法,对比分析连续油管在不同载荷下,其应力值的变化情况。根据连续油管得出的主控载荷,阐述了连续油管的多轴原理,并且根据经典的Tresca和Von Mises准则,建立了一种新的塑性模量,解释了连续油管的多轴棘轮效应以及连续油管应力-应变之间的关系。同时以连续油管建立的新塑性模量作为理论基础,建立2.375"连续油管的有限元模型,来研究连续油管的直径变化。基于拉弯-拉直的实际工况,研究了造成连续油管低周疲劳寿命的原因,并且以塑性应变为理论基础建立了连续油管的低周疲劳寿命模型和有限元模型,并且通过相关实验结果验证了模型的正确性。此外,对比分析了内压、弯曲半径以及壁厚对1.25"、1.75""、2.375"三种型号连续油管疲劳寿命的影响。借助局部应变法,基于完整连续油管低周疲劳寿命模型,引入应力集中系数与应变集中系数建立了含缺陷连续油管的低周疲劳寿命模型。以缺陷深度、环向开度、轴向长度和缺陷形状作为研究对象,分别研究了这几种缺陷对1.25"、1.75"、2.375"三种型号连续油管疲劳寿命的影响。本文不仅针对连续油管在多组载荷作用下,得出影响连续油管极限承载能力的主控载荷,还根据实际情况建立了完整连续油管和含缺陷连续油管的低周疲劳寿命模型,为连续油管的现场操作提供了理论基础。


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