套管膨胀加固模拟仿真分析

基于弹塑性理论,建立了修井作业中套管膨胀加固非线性有限元模型,对套管加固补贴件的非线性膨胀过程进行了数值模拟,分析了膨胀过程中所需的驱动力以及加固密封效果,并根据计算结果提出了一些意见和建议.     

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。     

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。     

套管膨胀过程数值模拟与试验研究

采用弹塑性有限元接触方法建立了J55钢级φ114.3 mm套管膨胀过程的力学模型,模拟分析膨胀过程,得出了套管膨胀后的应力云图、长度缩小率及壁厚收缩率.数值模拟与试验结果相符,证明有限元模拟结果可以为套管膨胀技术应用提供理论依据.     

双稳态膨胀筛管有限元模拟研究

为了进一步推进双稳态膨胀筛管的应用,开展了对双稳态膨胀筛管的有限元模拟研究。利用ANSYS软件建立了双稳态膨胀筛管的有限元模型,对其膨胀过程进行了有限元分析,并对双稳态膨胀筛管的膨胀力、膨胀率,及膨胀后的等效应力、轴向位移变化等问题做了分析探讨,验证了双稳态膨胀筛管具有膨胀载荷小,膨胀过程中保持恒定的轴向长度等优点。进一步肯定了双稳态膨胀筛管在实际生产中应用的可行性与有效性。     

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。     

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。     

膨胀套管中的橡胶筒尺寸设计分析

根据带有橡胶筒的膨胀套管有限元力学模型,对套管膨胀过程中橡胶变形和套管内的应力变化、橡胶筒两侧的接触压力,以及摩擦因数引起的膨胀参数变化等做了分析研究;对橡胶筒的厚度、长度做了定量和定性分析,发现在橡胶与套管之间的接触摩擦因数作用下,橡胶过长将会在纵向产生“堆积”现象,在有限空间中,使其受较大的接触压力而失效。研究结果表明为了使橡胶筒能有足够的支承力支承套管,可在膨胀套管外面安装多个橡胶筒,相邻橡胶筒之间的间距必须大于2.5倍的橡胶筒纵向伸长量,以免橡胶筒纵向伸长后相互间干扰而形成“堆积”现象。推荐本膨胀结构尺寸中橡胶筒壁厚1.7~2.0mm,橡胶筒长度170~250mm为最佳范围。     

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     

膨胀套管螺纹联接设计研究

鉴于API标准套管螺纹及目前广泛使用的特殊螺纹无法满足膨胀套管的技术要求等问题,设计出内外壁都与管体平齐的直联型膨胀套管螺纹联接。对设计进行了计算机有限元模拟分析,采用大型非线性有限元分析软件MSC.Marc,将膨胀套管螺纹联接按轴对称问题处理,选用轴对称节点四边形实体单元。模拟分析表明,设计的螺纹在上扣过程中,其等效VME应力分布呈现啮合螺纹端部较高、中间部分较低的趋势,最大值约为271 MPa,符合膨胀套管螺纹的基本要求,膨胀后的结构及密封性能满足现场要求。     

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。     

壁厚不均缺陷对膨胀套管性能的影响

采用有限元法分析了壁厚不均缺陷对膨胀套管性能的影响。分析研究结果表明(1)壁厚不均的膨胀套管膨胀后壁厚不均度增大;(2)壁厚不均的膨胀套管膨胀后各部位壁厚均减小,最薄侧壁厚减薄量随壁厚不均度的增加呈上升趋势,而最厚侧壁厚减薄量随壁厚不均度的增加呈下降趋势;(3)壁厚不均度对膨胀套管自由端面轴向总位移影响很小;(4)膨胀套管壁厚不均度小于0.2时,所需最大膨胀力变化不大;壁厚不均度大于0.20时,所需最大膨胀力迅速降低;(5)壁厚不均度对膨胀套管膨胀后的残余应力影响很小。     

J55膨胀套管实物试验研究

选取6根Ф139.7 mm(51/2英寸)J55套管,在膨胀锥角5、8和10°及膨胀速度5和10m/min条件下,对其中5根套管内壁做润滑处理后进行实物膨胀试验研究,另外1根套管只做原始抗挤强度试验。结果表明,磷化润滑处理后的套管与心头间的摩擦因数小于牛油石灰润滑处理后套管与心头间的摩擦因数,改善膨胀套管内壁的润滑条件,可以大大减小膨胀液压力;随着摩擦因数的减小,膨胀后套管的轴向缩短率增大,壁厚减薄幅度减小,有利于提高膨胀后套管的抗挤强度;膨胀前套管的抗外挤毁压力为51.3 MPa,膨胀后套管的平均抗外挤毁压力为28.7 MPa,其抗外挤毁压力降低了44.1%。     

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。     

侧钻水平井膨胀套管完井新技术

针对侧钻水平井完井过程中存在固井质量差、井筒内径过小、后续作业困难等问题,开发了侧钻水平井膨胀套管完井新技术。该技术能够有效扩大生产套管内径,具有完井管柱坐挂和封隔2种功能。地面试验表明,膨胀套管完井管柱工艺设计合理,可以解决常规侧钻井完井过程中出现的问题;该管柱密封性好、操作简便、成本低、效率高,具有较高的推广应用价值。     

过套管补贴技术研究与应用

针对膨胀管补贴后的套管段内径变小,无法实现该处套管以下套损部位补贴的问题提出过套管补贴技术。该技术使用活塞液压缸作为动力系统,液力锚定器作为锚定系统,将膨胀工具外置于膨胀管,进一步提高膨胀管的通过性与膨胀率。室内试验与现场应用表明:该技术使用的工具结构简单,装配方便,膨胀管与套管之间为全段金属密封,8%膨胀率的膨胀管与1 m套管之间悬挂力超过80 kN;动力系统能够承受30 MPa压力,满足使用要求;现场应用工艺设计合理,能成功解决已补贴段套管内径过小、待补贴位置难以精确定位的问题。     

实体膨胀管补贴技术的研究与应用

随着油田的开采,国内老井越来越多,套管损坏也越来越频繁,急需一种方便、有效的套管补贴技术。实体膨胀管基本原理简单,工艺技术成熟,和常规套管补贴技术相比有诸多优点,如膨胀前直径小易于下管,膨胀后内通径大、强度高、补贴长度可按需要进行调整,悬挂密封性能强等,因此实体膨胀管对套管修复有很强的适应性。通过现场应用,总结了施工中的关键工序、注意问题,提出了改进意见,为今后实体膨胀管的补贴施工积累了经验。