考虑残余应力的套管整形修复尺寸界限研究

变形套管经冲击整形后套管内存在残余应力,为了真实模拟套管冲击整形过程,探讨套管整形修复尺寸界限,采用ANSYS软件建立了变形套管冲击整形非线性接触三维有限元模型。以P110钢级、壁厚12.65 mm的177.8 mm(7 in)套管为例,分别对不考虑套管残余应力和考虑套管残余应力2种情况进行研究。研究结果表明,考虑残余应力的套管整形修复尺寸界限比不考虑套管残余应力的套管整形修复尺寸界限减小了4 mm,且考虑残余应力的套管整形修复尺寸界限与试验结果更接近。该研究结果为套管整形修复技术提供了理论参考,对于现场套管整形修复作业有一定的理论指导意义。     

旋压整形器对C110变形套管整形的实验研究

套管变形会直接影响到油气田后期增产作业和开发措施的实施,而变形井在使用旋压整形器进行整形修复时经常凭经验确定整形力和修复扭矩,如果整形力和修复扭矩过大则易造成变形套管及水泥环的破坏和卡钻事故。为此,在YAW-200压力试验机上对常用尺寸的油层套管进行压扁,然后分别由连续旋转钳和推力轴承提供扭矩和整形力,由小到大依次下入外径为126mm和129 mm的旋压整形器对变形套管(C110)进行了2次膨胀整形,得到了两种整形工具整形所需的整形力修复扭矩、变形套管的变形规律、变形套管回弹量的测试数据。实验结果表明,上述两种旋压整形器的外径级差是合理的。此外,为了确保后期生产工艺实施的可靠性,还对整形前后的变形套管进行了力学性能测试,发现整形后套管的各项力学参数均有所降低,从而导致整形后套管的承载能力降低。该研究成果为优化整形工具结构和整形施工参数提供了重要的实验数据。     

套管径向变形可修复界限研究

由于缩径变形套管的最小可修复内径没有明确值,导致采用胀管器整形时容易造成套管二次伤害。在分析胀管器冲击整形作用机理的基础上,根据缩径变形套管的整形工艺,利用ANSYS/LS-DYNA动力有限元程序编制了确定缩径变形套管可修复最小内径的计算程序。以钢级P110、φ139.7 mm不同壁厚套管为例,计算了不同缩径量下的最小修复内径,并根据计算结果绘制了缩径套管内径与胀管器规格对应图版。对计算结果进行了评价分析,结果表明,采用高效胀管器修复缩径套管时,最小修复内径取决于套管的屈服强度和需要达到的最小通径,为了达到所需的最小通径,需要在最小修复内径基础上换3~4种规格的胀管器。在中原油田文95-86井的应用表明,根据计算出的最小修复内径修复缩径套管,可以在保证不伤害套管的前提下提高修复缩径套管的成功率。      

带有橡胶筒的膨胀套管内残余应力分析

根据弹塑性力学有限元法,建立了带有橡胶筒的膨胀套管的有限元模型,该模型中建立了3对接触对单元,即芯头与膨胀套管内壁接触对;橡胶筒内壁与膨胀管外壁接触对;橡胶筒外壁与外层套管内壁接触对。详细分析了橡胶筒厚度在1.5-3.5mm内,膨胀套管内的几种残余应力的定量关系,分析了膨胀套管内不同位置处,套管内残余应力的不均匀性,而导致套管内金属晶格产生不均匀的流动性。根据残余应力的分布情况,在所研究的膨胀套管结构尺寸下,得出了橡胶筒厚度的最佳结构尺寸范围为1.7-2.0mm,在此范围内的橡胶筒厚度,可以改善套管内的残余应力分布和改善金属晶格的流动性,为带有橡胶筒的膨胀套管结构尺寸设计提供了理论数据。     

含水泥环的变形套管修复过程实验

油气田现场经常凭经验确定旋压整形器修复变形套管所需的修复力和扭矩,而不合理的整形力或扭矩容易造成变形套管和周围水泥环的二次损伤及卡钻事故。为此,在YAW-200压力试验机上分别制作了无水泥环(水泥环完全损伤)、水泥环部分损伤和水泥环未损伤等3种类型的P110SS变形套管,并采用?126 mm和?133 mm的2种旋压整形器对3种变形套管进行整形测试,得到了变形套管整形所需的整形力和修复扭矩、变形套管回弹量的测试数据。实验结果表明:(1)修复过程中整形力与扭矩整形时间的关系密切——弹性变形阶段,随修复时间增加环向应变呈线性增加,整形力和扭矩早期呈缓慢增加后期保持不变,塑性变形阶段套管开始屈服,随修复时间增加环向应变呈非线性增加,整形力和扭矩急剧降低,直到整形工具通过变形套管,直到整形力和扭矩降低到最低为止;(2)修复后的回弹量不可避免且较大(2.90~3.04 mm),表明水泥环的损伤程度对变形套管的修复具有较大影响;(3)水泥环未损伤的变形套管修复所需机械载荷大于水泥环部分损伤变形套管所需机械载荷,带水泥环变形套管修复所需机械载荷大于无水泥环变形套管所需的机械载荷。     

普光气田套管变形井滚压整形修复技术

普光气田高含H₂S和CO₂,套管变形井井深、产层套管钢级高、套管壁厚,套管修复难度大,直接影响到后期增产作业和开发措施的实施。为此,提出采用套管滚压整形修复技术来实现套管变形井的投产。通过普光302井现场应用实例,介绍了滚压整形技术原理和施工工艺过程,提出了套管滚压整形胀头选择的建议：①胀头型号应根据套管变形程度进行从小到大的选择;在自然状态下,滚珠当量圆直径（遇阻直径）应大于整形套管内径4～6 mm,即一次整形量应控制在4～6 mm,依次渐进达到整形要求;②依据多次整形数值分析,套管挤压变形后的回弹量为1.0～1.5 mm。对于不同钢级和壁厚的套管,整形量设计时,一次整形量应稍大于套管材质的弹性形变量。实践证明该技术具有对钻柱强度要求低、整形阻力小、对整形钻具和套管损伤小, 是一种新型的套管整形技术。     

用有限元法分析石油套管定径产生的残余应力

为消除石油套管轧制和热处理后的尺寸及圆度误差等,一般要采用定径工艺。而作为石油套管制造最后生产环节的定径工艺决定了石油套管的尺寸和几何形状,同时也影响其机械性能。文章研究满足石油套管的尺寸和圆度要求下的定径量与残余应力的关系,进行石油套管定径时的变形规律分析,以便减小定径工艺产生的残余应力,获得最佳的定径效果,提高石油套管的机械性能,为定径工艺的制定提供理论依据。     

组合式液压胀管整形修复技术

通过研究组合式液压胀管整形修复装置,实现快速修复套管,大幅提高了修复套管变形整形成功率。     

膨胀套管中的残余应力问题

为探求套管径向扩张膨胀后的残余应力大小、产生原因及对套管性能的影响,进行了套管的实物膨胀试验,用切环法对膨胀后套管的横向残余应力进行了测量分析,发现套管膨胀后具有高的环向收缩残余应力,这种残余应力削弱了套管的抗挤强度。分析了套管膨胀后残余应力较高的原因,认为套管膨胀过程中的不均匀变形是套管膨胀后残余应力大的主要原因。介绍了衡量套管不均匀变形程度的指标-截面形状变化指数,并用试验数据对该指标的应用进行了检验。最后从制管工艺及膨胀工艺2方面提出了减弱套管膨胀后残余应力的措施。     

非均匀地应力下套管变形和整形复位分析

通过建立非线性有限元模型,用有限元软件对套管的承载能力进行分析。对套管的变形形态与地应力作用大小、应力范围之间的关系和非均匀地应力的求解进行了研究。用ANSYS中的非线性弹簧单元模拟地应力的作用,并建立了套管受压损坏后的有限元模型,对套管的整形修复过程进行了分析模拟,得到了在大港油田现有条件下可修复的套损套管范围。建立了套管修复后的力学模型,对套管再次受压变形损坏进行了预测,并与首次变形的计算结果进行了对比。     

套管整形用梨形胀管器的参数优化实验

梨形胀管器整形技术是一种高效率的套管修复技术,整形力的大小是工具优化设计和现场施工参数设计的重要依据。为此,在YAW-200压力试验机上对常用尺寸的油层套管进行压扁,然后由YS32-500型的四方柱万能液压试验机提供整形力,由小到大依次下入梨形胀管器对变形套管(C110)进行了3次膨胀整形,得到了不同尺寸梨形胀管器整形所需的整形力、梨形胀管器的磨损量、变形套管的回弹量的测试数据,进而对其测试结果进行分析和评价,找到了梨形胀管器外径与整形力、变形套管的回弹量、梨形胀管器的磨损量之间的关系。实验结果表明:梨形胀管器外径级差的合理性决定了整形力的大小、变形套管的回弹量、梨形胀管器的磨损量,同时,为了减少卡钻事故并兼顾整形效率,梨形胀管器的单次整形量不宜过大。该研究成果为优化梨形胀管器结构和整形施工参数提供了重要的实验数据。     

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.     

磨铣打通道技术在C3-21井的应用

对通径在φ110mm以下的φ139.7mm变形套管,采用常规胀管器进行机械整形效率低.通过对常规机械整形及普通磨铣工艺研究,研制了领眼铣锥、活动锥子导引磨鞋、扩径铣锥、保径铣棒等高效磨铣打通道工具,开展了找眼磨铣、扩径磨铣、胀管器整形、保径磨铣等工艺技术研究.成功地对C3-21井变形套管进行了修复,为此类变形套损井打通...     

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。     

套管抗挤毁强度主要影响因素试验研究

对17根Ф177.80mm套管进行几何尺寸测量、材料性能及外压挤毁试验,研究了几何尺寸、屈服强度及残余应力对套管抗挤毁强度的影响。结果表明:各因素综合影响套管的抗挤毁强度;椭圆度变化>0.5%、壁厚不均匀度>10%或其不同截面间变化>5%均将明显降低套管的抗挤毁强度;椭圆度及其不同截面间变化<0.2%,将明显提高套管的抗挤毁强度。在屈服强度达到钢级要求的同时,控制好套管的几何尺寸精度并降低残余应力,可以生产出具有较高抗挤毁强度的套管。     

辽河油田高效液压套管整形工具的研制与应用

针对辽河油田变形套管整形修复率低、施工周期长及成本高的问题,根据液力增压和滚珠挤压整形原理,研制了高效液压套管整形工具。该整形工具由整形头、增压液缸、泄压装置和液压锚定装置构成。室内试验表明:液压套管整形工具的整形效率高,与常规整形工具相比,整形效率提高约40%,且对套管损伤小,能尽可能恢复套管内径。该整形工具在辽河油田13口套损井进行了现场应用,顺利完成了12口井的套管修复,成功率92.3%。研究与应用表明,液压套管整形工具适用于套管缩径井的修复作业,能基本满足辽河油田套损井套管整形的需要。      

液压扩径整形技术在套管变形井杜813-42-63中的应用

针对常规套管整形技术在套管变形井应用中存在的技术缺欠,研究并应用了液压扩径整形技术.该技术利用小修设备及高效液压整形工具对油水井套管变形部位进行液压整形,达到缩短修井周期、提高修井效率、最大限度恢复套管通径以及提高套管变形井产能的目的,为套管变形井的修复提供了强有力的技术支持,并在曙光油田杜813-42-63井得到成功应用.现场应用结果表明,该技术施工简便,使用安全,整形效果显著,在套损井治理工作中具有较好的推广应用前景.     

油水井套管变形、错断的爆炸整形

在套管损坏井中,变形井和错断井的传统修复方法主要是用顿击整形扩径不密封加固技术,但只适用于小井段大通径的情况,对于通径小于95mm的井,整形器则无法通过,因而不能实现密封加固。大庆油田用爆炸整形技术对变形井和错断井进行修复,取得成功。本文就爆炸整形技术进行理论和试验探讨,通过6口井的实践证明,爆炸整形技术能使变形井段和错断口形成足够大的通道,满足密封加固的要求。并能用于错断口通径小达65mm的套损井,扩大了修复范围。而且具有施工工艺简单、成功率高和成本低等优点。     

液压式套管滚珠整形器的研制与应用

针对套管变形修复技术中机械整形(冲胀和磨铣工艺)普遍存在损伤套管、牺牲套管厚度、修整尺寸小、施工周期长和成本高等问题,研制了液压式套管滚珠整形器。该整形器采用变径钢珠滚压套管内壁的设计,将以往常规机械整形的面接触变为点接触,可大幅增加胀压力,且不损伤套管;中心轴内含短行程的设计确保钢珠胀管突出后能够适量缩回,防止作业管柱卡井;泄压后提放管柱工具可复位,可以实现长距离连续整形;应用小修作业机和泵车即可实施作业。该整形器在现场应用中收到很好的效果。     

套损井爆炸打通道技术工艺

针对大庆油田开发进入高含水开采阶段，油水井套管损坏显著加快的实际情况，介绍了套损井爆炸打通道工艺技术。大通径（Ф90mm以上）套损井通过爆胀整形工艺技术实现套损修复，对小通径及坍塌错断井通过爆炸穿孔工艺技术配合钻铣工艺进行整形。该工艺实现了对变形损坏的套管进行整形修复的目的。