实体膨胀管膨胀推力理论模型研究

膨胀管技术作为21世纪石油行业的核心技术之一被越来越广泛的使用.其中膨胀管膨胀力是膨胀管技术的关键参数,它是确定膨胀载荷和设计、优化膨胀工具的理论基础.针对实体膨胀管结构特点和塑性大变形膨胀过程,采用弹塑性力学分析方法,结合膨胀管实际应用情况,建立了实体膨胀管力学模型及膨胀力计算模型.模型不仅考虑了达到膨胀管塑性极限所需最小膨胀力,也考虑了保径段回弹对膨胀力的影响.因此,采用该模型能较准确地计算膨胀锥向下运动所需要的最小推力.对膨胀力计算模型进行极值分析,得到了膨胀锥角和摩擦系数的关系,为优化膨胀工具提供了理论依据.     

实体膨胀管膨胀力影响因素数值模拟

根据弹塑性有限元理论,建立了膨胀套管膨胀所需膨胀液压力与摩擦因数、膨胀率、膨胀锥锥角的非线性接触的有限元力学模型。通过所建模型的求解,对膨胀液压力的影响因素进行了深入研究,并定量分析了摩擦因数、膨胀率、膨胀锥锥角对膨胀力的影响规律。研究表明:在其他条件相同的情况下,膨胀液压力随摩擦因数或膨胀膨胀幅度增加而线性增大,随膨胀锥角的增大,膨胀液压力呈现先减小后增大的规律。此研究为膨胀工艺的设计提供了理论参考。     

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美国Enventure公司已在中国石化胜利油田成功地完成了世界上第200口和第201口膨胀套管作业,也是目前国内仅有的两口膨胀套管井,文章针对这两口井的膨胀套管结构参数和材料特性参数进行了膨胀过程的力学研究。膨胀套管结构为J55钢级107.9 mm套管膨胀至139.7 mm套管内壁,用弹塑性有限元接触问题对膨胀套管膨胀过程的力学问题建立了有限元力学模型,并对其膨胀力学过程进行了详细研究。文中提出了膨胀套管力学研究的主要参数,通过计算机数值模拟分析,对这些主要参数进行了详细分析,针对力学行为最敏感的参数－摩擦系数、膨胀锥角的变化进行了大量的组合分析,将膨胀锥角直线接触改为圆弧接触后,改善和降低了膨胀套管内的残余应力,提高了其强度性能。同时,优化出了研究的膨胀套管结构尺寸下,膨胀芯头的最佳锥角为9.8°。文章研究结果对开发国内自主产权的膨胀套管结构设计、润滑设计等具有重要的指导意义。     

膨胀套管技术中膨胀工具的力学机理研究

以弹塑性力学为理论基础,计算机有限元模拟为研究手段,对膨胀工具结构进行了模拟分析,完成了对膨胀工具作用原理的研究和结构的优化设计。将模拟结果与国外的实际膨胀作业和国内的试验结果进行了对比,得出以下结论:①膨胀套管在膨胀时与摩擦力和膨胀锥角有关;②高接触应力不利于润滑,且膨胀头与膨胀套管内壁的接触面易发生粘接,造成管体损坏;③API标准中,N80钢级套管膨胀幅度为20%时,最佳膨胀锥角α可取9.8°。     

抗硫膨胀管力学性能及膨胀动力性能研究

为解决高含硫气田开发后期可能出现的套管漏失及腐蚀穿孔问题,优选了抗硫膨胀管材质,采用试验分析方法,研究了抗硫膨胀管膨胀前后力学性能变化及套管环空条件下腐蚀后的力学性能损伤。研究结果表明,膨胀管材质膨胀后与膨胀前相比,屈服强度提高了64.7%,抗拉强度提高了20.2%,伸长率降低了31.9%,能够满足膨胀管的使用性能要求。膨胀管腐蚀后仍保持较好的塑性性能和冲击韧性,其中腐蚀后膨胀管屈服强度增加了14.8%,抗拉强度提高了1.8%,伸长率增长了3.9%,冲击功提高了10.6%,冲击韧度提高了10.5%。在此基础上设计了膨胀管膨胀系统,试验分析了膨胀系统膨胀动力性能,得出了膨胀管膨胀系统启动运行压力,验证了膨胀系统运行的可靠性。所得研究结果可为高含硫气田的高效开发提供技术储备。     

双金属复合管液压成型的有限元模拟及残余接触压力计算

应用有限元通用软件ABAQUS,对双金属复合管塑性成型过程中的力学行为进行弹塑性分析,建立了不同材料复合管胀管压力与残余接触压力之间的对应关系。通过有限元模拟,得出不同材料在间隙消除阶段的最小成型胀管压力,外管弹性极限胀管压力及接触压力、外管刚发生屈服时的胀管压力和接触压力以及外管完全发生塑性变形的极限胀管压力和接触压力,卸载后的残余接触压力。结果表明,当外管材料为X65C时,内外管卸载后残余接触压力为0,当外管材料为L360QS时,卸载后内外管残余接触压力为3.495 MPa,并且胀管压力处于弹性极限胀管压力49.78 MPa和塑性极限胀管压力54.6 MPa时,外管将出现塑性变形,在胀接时,必须控制胀管压力小于塑性极限胀管压力,否则,外管将出现塑性流动,这是不允许的。     

页岩气水平井压裂对井筒完整性的影响

以弹塑性力学为基础,借助复变函数与应力场分解,对页岩气压裂过程中水平段套管-水泥环-地层系统的力学行为进行分析研究,通过接触面上位移连续条件得到了系统各接触表面的受力表达式;以Drucker-Prager岩土屈服条件为破坏准则,得到了水泥环达到屈服时的最大套管内压力,并讨论了套管及水泥环参数变化对系统受力行为的影响规律。计算结果表明:水泥环内表面比套管更容易达到屈服极限,水泥环厚度对水泥环内壁受力影响较小;增加套管壁厚,有利于保护井筒的完整性;套管内径和水泥环弹性模量对水泥环内壁受力影响较大,套管内径和水泥弹性模量越小,则水泥环越安全。研究结果对于页岩气压裂过程中井筒完整性设计控制具有一定的参考价值。     

大膨胀率实体膨胀管膨胀载荷的塑性力学计算

已有的可膨胀管膨胀模型的力学分析和载荷计算多数建立在弹塑性力学基础上,忽略了套管材料在塑性阶段的应力强化效应,以及膨胀区向定径区过渡时的管体弯曲对轴向应力增量的影响。鉴于此,在已有模型的基础上,采用单一曲线假设和幂强化力学模型,建立了大膨胀率膨胀管膨胀载荷的力学模型,运用ANSYS Workbench14.5建立了膨胀管膨胀过程的三维轴对称模型,并进行了大膨胀率膨胀管膨胀载荷计算。研究结果表明,当膨胀率在15%～30%之间变化、膨胀力最优半锥角在12°～22°之间变化时,所需膨胀力最小;当其他参数恒定,摩擦因数、管半径、壁厚和膨胀率中任一个作为自变量时,膨胀力与该自变量呈线性递增关系。因此,选择合适的摩擦因数、膨胀率和壁厚对降低膨胀管施工难度相当重要;膨胀管应选择强化系数相对较小、硬化指数较大的管材,这样膨胀时所需膨胀力较小。     

15CrMo实体膨胀管最优锥角有限元分析

利用有限元分析软件,根据弹塑性有限元接触问题的相关理论建立了可膨胀管膨胀过程的力学模型。对壁厚6mm的ф108mm管进行膨胀过程的计算机模拟,着重研究在不同膨胀率下,膨胀锥角与锥体完成胀管所需的液压力的变化关系;确定不同膨胀率下所需的液压力最小的锥角值,即获得最优的锥角;研究了最优锥角下膨胀管的力学性能,通过参数优化设置,为现场应用提供理论依据。     

极限工况条件下膨胀衬管长度设计方法研究与应用

根据海上油田开发后期调整钻分支井的实际情况,采用弹塑性力学分析方法对膨胀衬管的塑性极限应力进行了分析,同时根据膨胀衬管坐挂斜向器承受钻分支井时的轴向载荷及开窗侧钻时的钻头扭矩等工况,提出了极限工况条件下膨胀衬管长度设计方法,即当轴向承载和扭矩这两个条件同时得到满足时才能确定膨胀衬管长度.这一研究成果已在渤海油田开发后期调整钻分支井中得到了成功应用.     

膨胀套管膨胀心头的结构设计

根据弹塑性有限元理论 ,建立了膨胀套管和膨胀心头的力学模型。采用单级和多级膨胀心头 ,在相同工况下对N80钢级 2 4 4 5mm套管膨胀至 2 98 5mm的过程进行计算机模拟 ,得出 2种膨胀心头膨胀后套管的等效应力、接触应力和轴向收缩量模拟曲线。定性和定量分析表明 ,相同工况下 ,采用单级膨胀心头比多级膨胀心头所需推动力小 ,且膨胀后的套管壁厚大 ,抗外挤性能好。     

套管-地层系统套管载荷的弹塑性理论分析

对套管一地层系统在均匀地应力条件下的套管载荷进行弹塑性理论分析.采用Mohr-Coulomb准则,给出了受内外压厚壁筒弹、塑性区的位移和应力分布的解析解,由该解析解可直接退化得到Tresca准则条件下厚壁筒的位移和应力分布.将套管-地层系统看作是岩石和钢材两种不同材料厚壁筒的组合,在解析解的基础上,分别推导出套管-地层系统仅地层进入塑性和仅套管进入塑性两种情况下的套管载荷和极限地应力解析表达式.实例分析表明,仅地层进入塑性时,套管载荷比弹性解大,最大增幅3%;仅套管进入塑性时,套管载荷比弹性解小,减小幅度达到6%.上述结果可应用于套管设计和均匀地应力条件下的套管载荷计算.图4参9     

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膨胀套管在我国还处于探索研究阶段，章用弹塑性有限元接触问题建立了可膨胀套管膨胀过程的力学模型，对N80钢级材料的Φ114．3mm套管膨胀至Φ139．7mm进行了膨胀过程详细的计算机仿真研究，给出了摩擦系数为0．0、0．05、0．1和0．15时，膨胀套管内等效应力、套管内的残余应力随活塞位置变化的定量曲线。在大量数值模拟的基础上，得出了膨胀套管内的残余应力随摩擦系数的增大而减小的规律，最大等效应力发生在活塞锥体部分的膨胀套管内。     

Numerical Simulation of Sensitivity to Loads and Strength of Casing Under Complicated Conditions

abstract

Engineering and geological factors such as casing defects and creep formation are the most sensitive factors among all of the factors that affect casing strength and loads. Based on the basic mechanical characteristics of the creep formation and casing materials, the viscoelastic and elastoplastic constitution equations were taken respectively to simulate their mechanical behaviors. The effect of casing wear on its burst strength and the external creep pressure load distribution of the casing with defects under complex conditions are illustrated. Further, the sensitivity to casing strength damage was analyzed. The numerical simulation results can provide theoretical guidance in investigations of casing behavior under complex engineering and geological conditions and are also very useful for casing design and its applications in oil fields.     

Cr12MoV膨胀锥在管材膨胀试验中的应用

膨胀锥是膨胀工具的核心部分,对膨胀管技术的应用和发展意义重大.选用模具钢Cr12MoV为基材,设计加工了小锥度(6°)的膨胀锥,采用自上而下的膨胀工艺对J55套管和316L 不锈钢管进行径向膨胀.试验结果表明:经过1 020℃淬火+160℃低温回火处理后,Cr12MoV膨胀锥满足工作要求,并顺利完成对J55套管和316L不锈钢管的径向膨胀;2种管材的平均膨胀率分别为9.33％和9.05％,其长度减小幅度分别约为4.4％和3.6％,J55套管的回弹率要略大于316L不锈钢管.     

深井内壁磨损套管剩余抗内压强度研究

深井钻井过程中,钻柱对套管内壁造成磨损多为"月牙形"磨损。在弹塑性力学分析的基础上,应用长槽形磨损模型分析磨损套管的抗内压强度变化规律。采用有限元数值模拟计算分析了磨损套管剩余强度的变化规律。根据磨损位置产生的附加弯曲应力,对原有的长槽形磨损模型进行了改进,并与试验结果进行了对比分析。分析结果表明,套管接头直径对套管抗内压强度影响较小。使用目前套管柱强度设计中常用的均匀磨损模型进行套管强度设计,偏于安全。改进后建立的磨损套管抗内压计算模型能更准确地描述磨损套管的剩余强度,与试验值更为接近,可为套管柱强度设计提供更为合理的理论参考。     

套损井多次补贴用可变径膨胀锥设计与性能分析

针对套损井已补贴段下方无法进行多次补贴的问题,设计了一种可变径膨胀锥,以实现膨胀工具小直径入井、大直径膨胀,从而达到对套损井多次补贴的目的。在设计可变径膨胀锥结构的基础上,建立了膨胀锥闭合过程中的力学计算模型和运动计算模型,得到了膨胀力与推力、楔形角、摩擦系数的函数关系及推力与约束力、摩擦系数的函数关系。计算结果表明,可变径膨胀锥的膨胀力是推力的1.53倍,端面摩擦系数由0.1增大至0.4过程中推力增大8.8 kN,由0.5增大至0.8过程中推力增大19.0 kN,膨胀锥最大应力454 MPa。样机室内试验结果表明,该工具结构设计合理,启动压力3~5 MPa,完全闭合压力52 MPa,膨胀锥最大外径由188.0 mm增大至220.0 mm,与常规膨胀锥尺寸相同,膨胀率达17.02%。研究结果表明,可变径膨胀锥的膨胀力随推力增大而线性增大,能够实现膨胀工具小直径入井、大直径膨胀,进一步降低闭合压力后具有广阔的应用前景。      

膨胀管技术在通61-侧162井的应用

膨胀管是国外19世纪90年代开发出来的套管家族的新产品。由于含碳量低,膨胀管比普通套管柔性好,可塑性强,主要用来优化深井井身结构、处理井壁掉块及坍塌、封堵高压层或低压漏失层、修补井中损坏的套管、在裸眼井径一定的情况下增大产层段泄油面积等。通过在通61-侧162井侧钻、扩眼、下膨胀管、固井、胀管等机械方法使管体发生永久塑性变形,使该井完井管柱泄油面积较普通套管扩大了77.51%,产量较老井末期提高109.37%。由此可见,膨胀管技术具有广阔的应用前景。     

史密斯膨胀锥整形临界参数指标研究

鉴于目前对整形工具的选用规格和避免套管损伤的最大整形量还没有明确定论的现状,通过显式动力有限元程序LS-DYNA模拟膨胀锥整形过程,分析套管和水泥环的应力扩张趋势,确定了整形过程中膨胀锥应用规格和最大可整形量等临界指标。建模时切向接触条件使用Cou-lomb摩擦模型,在模型的顶面边界和底面边界施加垂直方向约束。研究结果认为,屈服强度和工程需求内径是决定膨胀锥整形临界指标的主要因素,修套过程中膨胀锥对套管和水泥环造成的破坏较大,相对于套管,水泥环更容易发生破坏。