膨胀管技术中膨胀力的理论计算

结合膨胀管材料的应力-应变试验曲线,考虑管材在膨胀过程中发生的应力强化现象,将膨胀管材看作幂强化模型,并采用单一曲线假设引入中间应力影响系数,将膨胀管在膨胀变形过程中的周向应力和等效应力联系起来,导出了管材膨胀过程中膨胀力的计算公式。应用该公式计算出的膨胀力与试验值和用有限元软件模拟计算出的膨胀力值很接近,其误差在-7.3%～-3.4%之间,验证了公式的合理性。     

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。     

实体膨胀管数值模拟及膨胀锥锥角优化设计

选择了一种实体膨胀管,对其不同锥角时的膨胀过程进行了详细的数值模拟,研究了膨胀锥锥角与膨胀压力、压力波动、膨胀后半径及轴向缩短量的关系,以期为膨胀锥的优化设计提供理论参考。建模时采用非线性有限元分析软件ABAQUS,膨胀锥为主面,膨胀管内壁为从面。结果表明,随着锥角的增大,膨胀压力和启动压力都逐渐增大,轴向缩短量随着锥角的增大而减小,锥角为15°时膨胀管轴向缩短量约为总膨胀长度的1.7%,综合膨胀压力、膨胀后半径及压力波动,比较理想的膨胀锥锥角为15～17°以及22°。     

实体膨胀管膨胀过程数值模拟及结构优化

分析了实体膨胀管膨胀过程机理及影响因素。采用ANSYS软件对不同结构的膨胀管膨胀过程进行有限元模拟,模拟过程采用非线性准静态力学法,揭示了膨胀过程中管体的轴向、径向位移的变化规律及其主要影响因素。模拟结果表明：膨胀过程中管壁变薄,膨胀载荷与膨胀工具有直接关系,合理膨胀工具半锥角为10~15°。有限元数值模拟方法可以较好地预测实体膨胀管膨胀过程主要影响因素,可对选取合理膨胀工艺提供依据。     

微沟槽织构对膨胀锥摩擦性能影响的数值模拟

目前评价膨胀管技术主要从膨胀质量上来考虑,忽略了对膨胀锥摩擦性能的分析。为此,根据弹塑性理论推导了膨胀管达到塑性变形时反作用于膨胀锥的表面压力和滑动摩擦力,再采用ANSYS有限元软件对膨胀锥膨胀过程进行仿真模拟,对比分析了微沟槽织构对膨胀锥摩擦性能的影响。研究结果表明：微沟槽织构应用到膨胀锥表面具有减小摩擦应力、减少摩擦副之间的接触面积等优点,可以有效减轻膨胀锥表面磨损,但应力集中更明显。研究结果可为微沟槽织构应用到膨胀锥上实现减摩耐磨提供理论参考。     

膨胀波纹管焊接工艺及焊缝膨胀性能分析

膨胀波纹管通过焊接连接在一起,焊缝的膨胀性能直接决定膨胀波纹管整体的膨胀性能。为了解焊缝的膨胀性能,在介绍手工焊和自动焊2类膨胀波纹管焊接工艺的基础上,利用弹塑性力学及有限元法模拟了?149.2 mm 8字形膨胀波纹管焊缝的膨胀过程、分析了焊缝的膨胀性能,并通过膨胀波纹管的试验井试验和现场试验进行了验证。由模拟分析及试验可知:膨胀波纹管膨胀过程中焊缝应力和应变最大点在波谷处的管壁外侧;焊缝和膨胀波纹管本体的应力和应变随内压变化的规律相同,焊缝的应力和应变始终大于膨胀波纹管本体,加压至30 MPa时?149.2 mm 8字形膨胀波纹管及焊缝依然在安全范围内;?149.2 mm 8字形膨胀波纹管采用液压膨胀方式加压至18 MPa即满足机械膨胀要求。研究结果表明,采用现有焊接工艺获得的焊缝满足现场膨胀需求,通过模拟获得的膨胀过程中膨胀波纹管焊缝应力和应变的变化规律与试验结果基本吻合,这对现场应用膨胀波纹管具有一定的指导作用。      

油气井堵漏波纹管加压膨胀过程中位移-应力变化规律

基于油气井钻井中的波纹管堵漏技术,采用ANSYS软件有限元分析方法和现场试验,对堵漏波纹管膨胀过程中位移-应力变化规律进行了研究。采用双重非线性分析方法计算波纹管的膨胀变形,得到了波纹管施工加压膨胀过程中的等效应力分布云图以及波纹管膨胀过程中的位移、应力变化规律。现场波纹管加压试验结果表明,波纹管加压膨胀变形过程的模拟计算结果与试验结果有着同构的一致性。波纹管加压膨胀变形过程中,其应力、应变对应于管体几何形状呈对称分布。管体各处的等效应力和应变不同,其大小主要取决于该处的曲率半径,在波峰和波谷区域产生最大等效应力和最大应变。在此基础上回归出了波纹管管径几何尺寸变化与胀圆所需压力值之间的数学关系式。     

数值模拟法在膨胀套管修复套损井技术中的应用

为了分析膨胀套管在套损井修复过程中的应力、应变及残余应力情况,剖析膨胀过程中管材内部变化规律,利用ANSYS软件建立了膨胀套管在套损井修复应用中的有限元模型,优选模型的边界条件,进行模型的数值模拟分析.数值模拟结果直观地反映了管材膨胀过程中的应力一应变情况,结合实验室台架试验及现场施工,总结出可在制管、套管膨胀和后处理3个阶段采取有效措施消减残余应力;膨胀套管在高压液体作用下发生二次形变后.内径尺寸比膨胀锥的外径单边增加0.9～1.3 mm,据此修正了膨胀锥、膨胀套管和原套管尺寸间的经验公式.在华北油田京708井采用膨胀套管技术修复套损井,施工完成后,产油量增加,含水率降低,达到施工要求,表明膨胀套管补贴套损井技术的有限元数值模拟分析符合油田现场施工的需求.     

屈服强度对膨胀管残余应力分布的影响

为了获得膨胀管膨胀后的残余应力分布,应用ANSYS/LS-DYNA有限元软件模拟膨胀管膨胀过程.膨胀管材料采用双线性随动硬化模型,改变材料的屈服强度,得到了残余应力随屈服强度的变化趋势,为膨胀管材料的选取、过大残余应力的预防和消除等工作提供了依据;改用应变率相关的材料模型,验证了应变率效应对残余应力的影响,对膨胀管材料...     

实体膨胀管的膨胀力有限元数值模拟及其应用

针对塔河油田深井侧钻井巴楚组和桑塔木组地层泥岩垮塌难题,优选φ139.7 mm实体膨胀管对复杂泥岩段进行机械封隔。根据弹塑性有限元理论,利用有限元数值模拟研究了φ139.7 mm实体膨胀管的膨胀特性,探讨了膨胀率、屈服强度、摩擦系数和膨胀锥锥角对膨胀力的影响规律。在塔河油田 TK6-463CH 井进行了实体膨胀管的现场施工应用,将该井膨胀锥锥角设计为10°,预测膨胀力为603~607 kN,与实际计算结果相比误差小于8%,表明该方法具有合理可行性,为深井侧钻井膨胀管设计及膨胀管施工提供了技术支持。      

实体膨胀管膨胀工具优化分析

为了使膨胀管技术在国内得到大范围应用,采用三维弹塑性接触问题有限元法着重研究膨胀工具的锥角、定径长在膨胀过程中变形力以及残余应力的变化规律。采用ANSYS10.0建立膨胀管模型以及膨胀锥三维实体模型,单元类型选择Solid95,网格划分采用映射网格。研究结果表明,在膨胀锥锥角保持不变的情况下,膨胀锥定径长对膨胀后套管的残余应力没有太大影响,但对套管膨胀所需要的膨胀力有较大影响;膨胀锥锥角对套管最大残余应力没有影响,但对膨胀力的影响十分明显,当膨胀力的径向分力大于材料的抗拉强度时,材料将发生破坏。     

套管膨胀性能试验研究

利用10mm×30°和10mm×45°倒角的膨胀头对J55和N80两种φ114．3mm（41／2英寸）套管进行了膨胀试验，结果表明，30°倒角膨胀头膨胀套管所需的力小于45°倒角的膨胀头；套管膨胀过程中出现3次峰值载荷；J55套管比N80套管易膨胀，J55套管膨胀后的壁厚减薄率大于N80套管，而长度缩短率小于N80套管。     

循环载荷下饱和岩石的应力—应变动态响应

通过对饱和砂岩和大理岩的循环载荷实验，本文研究了应力-应变曲线的细微差异，指出对于不同孔隙流体和不同性质的岩石，其应力-应变滞后回线的形状是不同的。这是由这些岩石在循环载荷下应变相对应力的响应不同造成的，在加载阶段应变的相位可能超前、并行或者落后于应力的相位。本文引入了Preisach—Mayergoyz模型(简称PM模型)，并对这种现象进行了模拟。通过构筑PM空间密度函数，求出饱和岩石的应力-应变状态方程，并模拟了其轴向应变-径向应变滞后回线。根据模拟结果可以认为，PM空间中不同的密度函数在一定程度上反映了饱和岩石在地震波载荷作用下的本构关系响应的不同性质。     

含腐蚀凹坑缺陷管道的极限载荷研究

腐蚀凹坑是石油与天然气输送及石化管道常见的缺陷之一 ,会使管道产生应力集中 ,抗疲劳载荷能力降低。为寻求腐蚀球形凹坑对压力管道极限载荷的影响 ,用有限元弹塑性分析法和试验方法 ,对含腐蚀球形凹坑缺陷的压力管道进行研究 ,得到了含不同球形腐蚀凹坑缺陷压力管道在内压和弯矩联合作用下的极限载荷。试验研究证明 ,在内压和外弯矩作用下 ,腐蚀球形凹坑底部应变值最大 ,并首先屈服 ,试验测定载荷 -应变曲线与有限元计算的基本一致 ,最大误差为 7 3 2 %。腐蚀凹坑半径相同时 ,管道的极限载荷随凹坑深度的增加而降低 ;而凹坑深度相同时 ,极限载荷随凹坑半径的加大而降低。     

基于有限元的膨胀管膨胀过程力学分析

为了研究膨胀管在膨胀过程中的力值分布、膨胀管外形尺寸的变化,以及管内的残余应力分布,对膨胀管和膨胀锥进行三维建模.通过ANSYS软件对膨胀过程进行有限元分析,得到膨胀管的应力分布、膨胀力值、残余应力、轴向收缩量以及壁厚变化情况.为现场施工提供理论指导.     

膨胀管关键技术研究及首次应用

膨胀管技术作为一种新兴技术越来越受到石油工程界的重视,采用该技术可以改善现有井身结构以及增大完井井眼直径,利于后续的钻井及采油工程作业。运用有限元模拟方法对膨胀管技术的重点和难点即膨胀锥和连接螺纹进行了研究,设计了膨胀锥模型和膨胀套管连接螺纹,确定了膨胀锥的几何形状、尺寸、锥角以及连接螺纹的形式、形状、密封面、扭矩台肩。通过2口井的膨胀管技术现场试验,成功地验证了膨胀管技术在现场应用的可靠性,为今后在石油钻井及完井过程中优化井身结构、减少井下复杂情况、增大完井井径及套管修复,提供了一套最新的解决方案。     

交变载荷作用下焊接接头残余应力释放机理

海洋结构物在波浪中频繁遭受周期性交变载荷的作用,容易引起焊缝周围高应力区域发生应力释放。采用数值模拟方法对结构焊接过程进行仿真计算,得到焊接残余应力分布情况。研究交变载荷作用下垂直和平行于焊缝方向残余应力的变化特点,讨论载荷幅值和应力比等因素对应力释放的影响规律。结果表明,应力释放程度与高应力区域塑性应变量有关,载荷幅值越大、应力比越接近-1更易使结构产生新的塑性应变,应力释放现象也越明显。     

膨胀管非线性大变形过程中摩擦问题模拟研究

膨胀管的膨胀过程属于非线性大变形过程,其接触摩擦问题用一般方法很难求解,依据修正的库伦摩擦定律,结合套管大变形问题的增量分析过程,用数值模拟方法详细分析了在不同摩擦因数下套管膨胀后套管的壁厚变化规律、等效应力变化规律以及轴向收缩量变化规律。选用ANSYS模拟分析技术,采用114mm×7.34mmAPI标准的N80套管,将内直径从99.32mm扩张到119.20mm。分析结果表明,在相同膨胀锥使套管膨胀的情况下,不同摩擦因数对套管的力学性能存在较大影响,摩擦因数越小,膨胀后套管残余应力越大;套管膨胀时,必须综合考虑膨胀过程中壁厚的变化、轴向收缩量的变化、膨胀后残余应力的变化,从而合理选择润滑措施。     

油气井井漏井壁与波纹管接触应力分析

基于钻井过程中的波纹管堵漏技术,采用有限元分析方法对与井壁接触情况下的堵漏波纹管膨胀过程进行了研究。模拟了井眼中波纹管的膨胀变形,得到了波纹管施工加压膨胀和井壁接触过程中的等效应力分布云图、波纹管的位移、应力变化规律,以及波纹管膨胀后和井壁的接触状况。波纹管加压膨胀变形过程中,其应力、应变对应于管体几何形状呈对称分布,管体各处的等效应力和应变不同。波纹管并非在全周长上与井壁发生接触,部分弧段没有接触压力。膨胀内压增加时,接触区域扩大,接触压力有明显升高。井壁只在波纹管与其最先接触点,以及随后接触的波峰顶点处会出现较高的Mises应力。该方法为油气井钻井过程中出现的井漏波纹管堵漏施工时膨胀内压的确定提供了依据。     

膨胀管抗外挤强度试验研究

膨胀管膨胀后其抗外挤能力降低是制约膨胀管技术发展的重要因素。通过试验模拟实体膨胀管膨胀时的力学环境,分析了管材壁厚及残余应力在塑性膨胀过程中的变化规律。结果表明:膨胀管大塑性变形会导致壁厚减少,壁厚不均匀程度放大,并产生残余应力;膨胀管内表面产生拉应力,外表面产生压应力,应力差值在薄壁端最大,薄壁端也是膨胀管在外压作用下的屈服点;在膨胀管变形过程中薄壁端的变形速率高于厚壁端的变形速率,产生的残余应力与实测值基本相符,说明膨胀管原始壁厚的不均匀变形是残余应力增加、抗外挤能力降低的主要因素。