一種套管彎曲試驗(yàn)新方法
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摘要：本文介紹了一種彎曲試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)實(shí)施方法和計(jì)算公式的推導(dǎo)，并對(duì)試驗(yàn)方法的精度和可行性用實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明，得出四點(diǎn)彎模型可更準(zhǔn)確模擬定向井的彎曲井況，且實(shí)施起來(lái)比較方便,應(yīng)變法測(cè)量彎曲狗腿度可實(shí)現(xiàn)狗腿度的精確測(cè)量和控制。
論文關(guān)鍵詞：彎曲模型,應(yīng)變,狗腿度
定向井、大斜度井、水平井、稠油熱采井等等固井下套管作業(yè)中，套管有可能由于受三維應(yīng)力狀態(tài)而發(fā)生彎曲，定向井、水平井的0-90度造斜段彎曲度更大�；谔坠茉诰械膹澢鸂顩r，很多學(xué)者提出了不少井況下套管的彎曲模型、仿真和計(jì)算方法等【1-7】，但是要評(píng)判套管在定向井固井作業(yè)中的整管彎曲使用性能，還是整管串的實(shí)際使用性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)最有說(shuō)服力，那么套管的使用性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)中彎曲如何實(shí)現(xiàn)呢，在本文中就討論這個(gè)問(wèn)題。
二、套管彎曲模型的建立
定向井中固井下套管時(shí)受軸向拉伸或壓縮，橫向內(nèi)壓或外壓，彎曲段有彎曲作用，因此套管在彎曲段為縱橫彎曲，在井下彎曲段一般都有扶正器，扶正器與井壁充分接觸，我們視其為絞支，其井下具體受力模型如圖1【2】所示，F(xiàn)為所受拉力，q為套管柱自重。由于試驗(yàn)時(shí)套管比在井下套管柱要短的多，其自重對(duì)管的彎曲力微乎其微，因此假設(shè)其為零，但為了在試驗(yàn)中更好的模擬實(shí)際彎曲行程的狗腿度，需對(duì)樣管施加橫向載荷。實(shí)際井況中彎曲套管柱受均勻載荷產(chǎn)生彎曲，因此套管的實(shí)際使用性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)中彎曲試驗(yàn)也應(yīng)使套管柱盡量承受均布載荷，以更接近實(shí)際使用工況。四點(diǎn)彎模型相對(duì)其他形
式的彎曲模型，兩個(gè)加載點(diǎn)中間部分可以得到均布彎矩，如圖2所示。而且加載點(diǎn)的加載在工程上較容易實(shí)現(xiàn)，用兩個(gè)液壓缸進(jìn)行加載即可完成。加載點(diǎn)中間部分有充分的空間保證彎曲變形測(cè)量?jī)x器的安裝，因此四點(diǎn)彎模型最接近井況，也是最容易實(shí)現(xiàn)的一種形式。試樣兩端鉸支，在加載點(diǎn)Ｃ和Ｄ之間彎矩是相等的。實(shí)際四點(diǎn)彎裝配圖
如圖3所示，中間兩個(gè)液壓缸缸為加載P，左為C點(diǎn)，右為D點(diǎn)。框架兩端下方分別為支撐缸，即絞支點(diǎn)A和B。
在套管的實(shí)際使用性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)中，套管是受復(fù)合力的，包括軸向載荷和徑向內(nèi)外壓，因此套管的實(shí)際使用評(píng)價(jià)試驗(yàn)中套管也是縱橫彎曲，因此此模型完全可以可靠的模擬定向井中套管的受力狀態(tài)。
三、應(yīng)變法測(cè)量狗腿度
套管的實(shí)際使用性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)中軸向載荷和徑向內(nèi)外壓是通過(guò)加載設(shè)備進(jìn)行加載并測(cè)量控制的，彎曲的測(cè)量和控制怎樣實(shí)現(xiàn)呢？根據(jù)油套管的使用性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)【7】，其載荷為Von-Mises應(yīng)力圓上或圓內(nèi)的計(jì)算載荷，此VME應(yīng)力圓為彈性應(yīng)力，也就是說(shuō)不管對(duì)套管施加幾種載荷，其載荷都在彈性范圍內(nèi)。因此其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合線彈性規(guī)律，可以用彈性應(yīng)變和彈性應(yīng)力的關(guān)系來(lái)測(cè)量和控制應(yīng)用彎曲狗腿度的大小。
3.1應(yīng)變測(cè)彎曲公式的推導(dǎo)
在純彎曲試驗(yàn)中，可以根據(jù)套管的應(yīng)力差來(lái)求得其彎曲狗腿度【8】，其公式為
（3-1）
Dleg=E*（ε1-ε2）/218*D （3-2）
Dleg—彎曲狗腿度；D—樣管外徑；ε1—外弧拉應(yīng)變；ε2—內(nèi)弧壓應(yīng)變；但是樣管復(fù)合力試驗(yàn)中不只有彎曲一種載荷，還有軸向載荷（拉伸或壓縮），內(nèi)壓，外壓。由于在彎曲時(shí)樣管的內(nèi)弧受壓縮載荷，外弧受拉伸載荷，都是軸向載荷，徑向其他方向的載荷對(duì)其沒(méi)有影響，因此在徑向的內(nèi)壓和外壓應(yīng)變對(duì)彎曲沒(méi)有作用，我們只要考慮軸向載荷就可以了。
設(shè)應(yīng)變采集樣管內(nèi)弧的應(yīng)變?yōu)?epsilon;d2，采集的樣管外弧的應(yīng)變?yōu)?epsilon;d1，軸向載荷對(duì)樣管的任意部分產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)榫鹊模O(shè)應(yīng)變?yōu)?epsilon;a，那么外弧的總應(yīng)變?yōu)?br>
εd1=εa+ε1 （3-3）
內(nèi)弧的總應(yīng)變?yōu)?epsilon;d2=εa+ε2， （3-4）
ε1-ε2=（εd1-εa）-（εd2-εa）=εd1-εd2 （3-5）
彎曲的計(jì)算公式即為
Dleg=E*（εd1-εd2）/218*D （3-6）
3.2應(yīng)變的測(cè)量、精度和可行性
應(yīng)變測(cè)量是由貼在樣管上的單軸應(yīng)變片通過(guò)ST-16數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成。將樣管表面交叉磨光，使粘貼表面形成微觀交叉紋路，此紋路有利于應(yīng)變片貼實(shí)牢固，然后將應(yīng)變片按照事先用分度盤和標(biāo)準(zhǔn)游標(biāo)卡尺畫好的位置線熟練的貼于樣管表面，保證應(yīng)變片測(cè)量方向?yàn)檩S向。將信號(hào)排線與應(yīng)變片信號(hào)線焊連在一起，系統(tǒng)通道和參數(shù)設(shè)置完成后即可采集到所測(cè)應(yīng)變。應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)精度為0.15%（F.S），滿量程為20000με。實(shí)際屈服時(shí)的應(yīng)變ε為0.2%，因此此應(yīng)變系統(tǒng)可以滿足精度和測(cè)量范圍要求。
下面以實(shí)例說(shuō)明，樣管信息如下表：
鋼級(jí)
鋼號(hào)
規(guī)格
彎曲狗腿度
L80
26CrMo4
Ф273.05*13.84
15°/30m
為了更準(zhǔn)確的測(cè)量應(yīng)變，降低隨機(jī)誤差，我們?cè)趦?nèi)弧和外弧分別貼兩個(gè)應(yīng)變片，且距兩個(gè)加載點(diǎn)中點(diǎn)距離相同，所測(cè)值取平均值。按照上述程序粘貼和鏈接應(yīng)變片后，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)[9]復(fù)合力試驗(yàn)，此試驗(yàn)為拉伸內(nèi)壓加彎曲循環(huán)試驗(yàn)，具體加彎曲和不加彎曲時(shí)應(yīng)變曲線見圖4所示，圖中水平未分開的線為拉伸時(shí)樣管的應(yīng)變曲線，向上下兩側(cè)分開的為加彎曲載荷后的應(yīng)變曲線，上為外弧，下為內(nèi)弧，應(yīng)變示值均值分別為外弧1005με，內(nèi)弧為-207με，用式（3-6）計(jì)算可得彎曲狗腿度為15.002°/30m，因此用此方法可準(zhǔn)確的測(cè)量彎曲狗腿度。
四、結(jié)論
4.1用四點(diǎn)彎曲模型可近似有效模擬定向井的彎曲井況。
4.2通過(guò)應(yīng)變測(cè)量彎曲狗腿度計(jì)算公式的推導(dǎo)可知可以直接用所測(cè)綜合應(yīng)變測(cè)量狗腿度，使應(yīng)變計(jì)算狗腿度變得更方便，減少了試驗(yàn)過(guò)程中操作人員的
4.3應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)精度和可行性完全滿足復(fù)合力試驗(yàn)中測(cè)量狗腿度的要求。
參考資料
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