摩擦因数对膨胀套管影响的有限元模拟研究

应用ABAQUS大型通用有限元软件和数值模拟分析方法,建立了膨胀套管膨胀过程的三维弹塑性非线性接触问题的有限元力学分析模型,直观地对膨胀套管的膨胀过程进行了模拟。分析得到摩擦因数与膨胀套管的总轴向位移、所需膨胀力和膨胀套管膨胀后壁厚减薄量的关系曲线以及定量关系的拟合计算式。分析还认为摩擦因数对膨胀后套管的最大等效残余应力和膨胀过程中的接触应力影响很小。     

新一代旋转可膨胀管系统力学特性研究

利用有限元模拟分析方法,研究了新一代旋转可膨胀管系统的力学特性,得出如下结论:(1)膨胀心头旋转角速度对可膨胀管自由端面总轴向位移、对可膨胀管壁厚减薄量、对膨胀后膨胀管最大残余应力的影响均很小;(2)随着膨胀心头旋转角速度的增加,所需最大膨胀力迅速减小,可用拟合多项式表示;(3)随着膨胀心头旋转角速度的增加,膨胀过程中产生的最大接触应力整体上呈增加趋势,也可用拟合多项式表示。     

壁厚椭圆度缺陷对膨胀套管性能的影响

套管的椭圆度缺陷对套管的强度等性能有显著的影响。利用有限元法建立了考虑壁厚不均缺陷的膨胀套管的非线性接触力学模型，进行了有限元模拟分析，得到了套管椭圆度在膨胀前后的变化规律及其对膨胀后套管力学性能的影响，为膨胀套管的设计和进一步研究提供了一定的理论依据。     

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随着不圆度和壁厚不均度的增加，套管的临界挤毁压力逐渐减少，并且不圆度对套管抗挤强度影响较大。一般情况下，石油套管同时存在着不圆度和壁厚不均度等初始几何缺陷，这些制造缺陷的存在势必降低套管的抗挤毁性能。API Bul 5C3给出了抗挤强度的计算公式，但仅仅提供了管材屈服强度、管径、壁厚等基本输入参量，而未考虑管体不圆度和壁厚不均度等初始几何缺陷的影响。实践证明，不圆度和壁厚不均度对套管抗挤强度的影响是相当可观的。文章运用有限元法详细研究了初始不圆度和壁厚不均度对套管抗挤强度的影响规律，并提出进一步降低和控制套管初始几何缺陷的工艺措施。     

非均匀载荷对TP130TT套管抗挤强度的影响

认识影响新型套管(TP130TT×152.4mm×16.90mm)的抗挤强度的诸种因素,对正确选用这种套管具有重要的指导意义。采用有限元法,计算和分析了套管缺陷(壁厚不均度、椭圆度)及非均匀载荷等因素对套管抗挤强度的影响规律。计算结果表明,在非均匀外挤载荷作用下,这种套管仍具有较高的抗挤能力;在静水压力的作用下,套管抗挤强度随着其壁厚不均度和椭圆度的增加而降低。     

外压作用下套管抗挤强度研究

为提高套管挤毁压力的计算精度,应用统计方法对213根套管全尺寸挤毁试验数据进行了方差分析。结果表明,径厚比、屈服强度是套管抗挤强度的主要影响因素,不圆度、壁厚不均度、残余应力等因素对套管抗挤强度的影响呈随机性分布。利用有限元方法对外径不圆度、壁厚不均度和残余应力的不同组合进行模拟分析得出,数值相同的外径不圆度、壁厚不均度及平均残余应力组合不同时,套管的挤毁压力相差很大。提出了新的套管挤毁压力计算公式,计算表明精度可满足工程要求。     

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。     

钻井膨胀管膨胀过程中不均匀变形的试验研究

模拟井眼中的钻井实体膨胀管膨胀时的力学环境 ,选用 35CrMo钢管 ,对实体膨胀管在 5种不同膨胀幅度下的管子壁厚不均度及不圆度的变化规律进行了试验研究。发现膨胀管在膨胀后其壁厚不均度及不圆度会比原来的增大 ;膨胀使管子某些管段出现了开裂 ,但在纵向上的不同管段管子出现缺陷的情况不同 ,说明钻井膨胀管膨胀过程中存在着较严重的不均匀变形现象 ,这种不均匀变形是造成膨胀后管子抗挤强度降低的一个重要因素。为此建议 :(1)对膨胀管的初始不均度及不圆度作出比API标准更严格的要求 ,使其膨胀后即使壁厚不均度及不圆度比原来的增大 ,也不至于增加太大 ;(2 )在井眼中实施膨胀管作业时 ,必须从膨胀工艺上采取措施减轻管子横向和纵向上的不均匀变形。     

P110钢级Ф139.7mm×10.54mm高抗挤套管抗挤毁性能分析及挤毁强度预测

为了研究P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm套管挤毁位置几何参数对挤毁强度的影响,对套管抗挤毁强度进行准确预测,抽取不同批次试样9根,分别进行拉伸试验、残余应力检测和几何参数测量,并结合套管全尺寸挤毁试验结果,分析了影响该规格套管抗外压挤毁性能的主要因素及套管挤毁失效位置与几何缺陷的关系。此外,还对挤毁压力的理论/实际偏差与管体壁厚、壁厚不均度、管径、椭圆度及残余应力的关系进行了分析,拟合得出P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm套管挤毁强度更精准的预测公式。结果表明,在屈服强度相近、壁厚不均度在1.35%~9.21%、椭圆度小于0.56%的前提下,P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm套管的壁厚对抗挤毁强度的影响程度远远大于管体外径、壁厚不均度和椭圆度的影响。     

套管尺寸偏差与挤毁强度关系的新认识

为了探讨API 5CT规范规定的套管尺寸公差对套管挤毁强度的影响,选取了J55钢级Ф139.7 mm×7.72 mm、L80钢级Ф177.8 mm×10.36 mm和P110钢级Ф244.5 mm×13.84 mm 3种有代表性的油田常用套管,采用有限元法对其在不同外径和壁厚偏差影响下的套管挤毁强度进行了非线性分析、计算,得到了单独考虑外径、壁厚及同时考虑外径和壁厚尺寸偏差下的套管挤毁强度及其变化规律。计算可知,在API 5CT规范规定的尺寸公差范围内,即使套管外径和壁厚的最不利偏差同时出现在同一横截面上,套管的挤毁强度仍然会在API额定值之上,椭圆度对套管挤毁强度的影响大于壁厚不均度的影响,套管圆周上壁厚最薄点决定着套管挤毁强度,壁厚不均度对套管挤毁强度的影响非常小,API给出的大外径套管额定挤毁强度偏保守。对于尺寸公差符合API 5CT规范的套管,其挤毁强度一般会高于API额定值一定幅度。      

J55套管的膨胀性能研究

膨胀管技术是21世纪石油钻采行业的核心技术之一,掌握膨胀管在径向膨胀过程中发生永久塑性变形的力学性能变化是膨胀管选材的核心。为此,采用膨胀锥自上而下对J55套管（Φ114.3 mm） 进行了膨胀工艺试验,测定并比较了9.3%的径向膨胀后与膨胀前的力学性能。研究结果揭示了J55套管的膨胀性能：套管的长度减小约4.4%,壁厚减小约6%,不均匀变形程度增加;由于加工硬化,套管的洛氏硬度和抗拉强度增加,而断后伸长率和断面收缩率出现不同程度下降,但均满足API SPEC 5CT标准。断口SEM形貌进一步表明膨胀前后均属于韧性断裂,膨胀后断口上的韧窝小而浅,且分布不均匀,断面较膨胀前的更为平整。该试验成果为膨胀管的材质研究、加工质量控制与工程应用提供了数据支持。     

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。     

膨胀套管的弹塑性理论分析

分析认为，膨胀套管在膨胀过程中先进入弹性阶段，然后进入弹塑性阶段，最后进入塑性流动阶段。采用弹塑性分析方法，对膨胀套管膨胀过程中套管内壁的受力与变形进行了研究，模拟了其成形的过程，并建立了解析解，为膨胀套管膨胀操作过程中确定关键操作参数提供了理论支持。根据推导出的力学模型，计算出了外径107．9mm、钢级为J55的膨胀套管膨胀到直径139．7mm时膨胀芯头拉头处的轴向力为195．94kN。     

膨胀管壁厚计算研究

膨胀管技术是在井下以机械或液压的方法使管材永久变形、完成油气井建井的技术。它不仅使井身结构产生变形，还大大降低油气井建井成本。管体膨胀后的壁厚是计算抗挤强度的关键要素，根据金属材料冷变形的原理，在对管柱膨胀进行力学分析的基础上，结合金属材料冷变形的体积不变原理，应用管子膨胀时的应力-应变关系推导出膨胀管壁厚变化的计算公式，同时编制了壁厚变化的计算软件。实验数据和计算结果的对比验证了该计算公式是可靠的。     

膨胀套管润滑措施分析

对膨胀套管作业过程中膨胀工具与套管内壁间的摩擦与润滑问题进行了研究。从理论上对膨胀套管作业的摩擦与润滑方法进行了系统的分析阐述,并对采取固态磷化润滑膜的润滑效果进行了实物试验,与普通润滑方法的润滑效果进行了对比。结果显示,采用固态磷化膜润滑具有明显的润滑效果,降低了膨胀压力,并且使膨胀过程更加稳定,膨胀后的套管尺寸精度更加均整。最终分析认为,采取固态磷化润滑膜是膨胀套管作业中简单有效且低成本的润滑方法,可以用于实际生产。     

可膨胀套管技术发展及在吐哈油田的应用

可膨胀套管的原理是通过冷拔钢管达到井下需要的尺寸，利用坐放装置将膨胀套管下入井内后，在扩管锥的作用下，在井下通过冷加工将石油管材扩到所需要的尺寸。膨胀后，膨胀管的壁厚要减小2％～5％。其直径可以膨胀约20％，其长度缩短约8％，塑性变形极限不超过30％。温西10-39井的实践证明，膨胀管技术对解决套管补贴等方面的技术难题提供了新的方案。     

膨胀套管摩擦系数与轴向位移的模拟研究

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 114 3mm套管膨胀至 139 7mm进行了膨胀过程详细的计算机模拟研究 ,给出了摩擦系数为0、 0 1和 0 15时 ,膨胀套管轴向位移随活塞位移变化的定量曲线。在大量数值模拟的基础上 ,得出了膨胀套管轴向位移δy 随摩擦系数f变化的具体表达式 ,即δy=- 33893f3 + 4 40 0f2 -4 88 6 7f + 78 2。根据活塞移动的位移 ,反算出了活塞上压力p与摩擦系数f的定量关系 ,即p =5 91 92f + 2 9 6 0 4。得出摩擦系数为 0时 ,膨胀套管处于收缩状态 ,其收缩量为 78 2mm ;当摩擦系数为 0 14时 ,膨胀套管无轴向位移 ,此值是套管收缩和伸长的临界点     

膨胀管抗外压强度试验研究

分析了套管抗外压强度计算公式,同时进行多次膨胀管补贴套管模拟试验,并对试验后的膨胀管抗外压强度进行测试。试验结果表明,膨胀管在外压作用下有弹性失稳破坏与材料屈服破坏2种失效形式,失效过程与径厚比密切相关;通常膨胀管胀后管体椭圆度保持不变,壁厚不均匀度有所增加,增加幅度与最大膨胀压力成正比;膨胀管的失稳压力高于屈服压力,在外压作用下首先发生材料屈服,然后在管体一侧出现失稳破坏,但是当膨胀管壁厚不均匀度过大时,管体会直接发生失稳破坏,导致抗外压强度降低。