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.     

膨胀套管关键技术的分析

膨胀套管技术是一项节约井眼直径的钻井新技术,起源于美国Enventure公司,现已广泛应用于深水井、复杂地层井的钻井勘探和对套损井的修复再生产,取得了巨大的经济效益和社会效益,而我国对该技术的研究还处于理论探索阶段.文章通过对膨胀套管的关键技术进行分析,指出了研究思路和方法,促进了该技术在我国的推广应用.     

等井径膨胀套管系统研制与试验

为了解决深井超深井钻遇复杂地层时实现无内径损失的机械封堵难题,通过优选大膨胀率管材、设计大变形膨胀螺纹和变径膨胀工具,研制了?219.1 mm等井径膨胀套管系统。通过室内试验,评价了?219.1 mm等井径膨胀套管系统的机械性能、膨胀性能,试验结果显示:?219.1 mm等井径膨胀套管系统膨胀后的抗外挤强度为15.1 MPa,抗内压强度为29.3 MPa,连接强度为1 850 kN,满足等井径膨胀套管作为“应急套管”临时封堵的要求;膨胀压力18～20 MPa,膨胀过程顺利,膨胀后整个系统性能良好。在测试?219.1 mm等井径膨胀套管系统井下功能性和裸眼下入性的基础上,进行了井下全过程试验,?219.1 mm等井径膨胀套管系统膨胀顺利,膨胀后内径为245.0 mm,满足?241.3 mm工具下入要求,达到了等径膨胀和无内径损失钻进的目的。研究和试验结果表明,?219.1 mm等井径膨胀套管系统可实现等径膨胀,可满足等井径膨胀及封堵作业要求,为等井径膨胀套管系统现场应用奠定了基础。      

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%。     

油套管膨胀对材料性能的影响

一项正处于研究阶段的新成果—膨胀式管柱技术引发了诸多兴趣，其中对几个课题的研究显示，该技术将来投入现场应用的前景充满生机。研究包括套管膨胀对材料机械性能的影响、抗硫化物应力腐蚀断裂性能及膨胀过程中周向（切向）应力分布等。本文提供了部分实验结果。　　在完井、修井方面，这项技术能提高完井的经济性、实施复杂地层的完井和通过现场修井（如在受损套管外包层）进行故障时完井，其技术工艺包括将心轴和润滑锥总成推入比锥体内径小的可膨胀管内以实现管柱的膨胀。本装置选材至关重要，各部件的材料应具有足够的强度、良好的塑…     

APIL80套管的膨胀性能试验研究

可膨胀管膨胀性能的好坏是决定膨胀作业能否成功的关键。以APIL80套管为研究对象,进行了套管径向膨胀20.5%和25.5%的膨胀试验,对套管膨胀前后的几何精度和力学性能变化进行了对比研究。试验研究结果表明,膨胀改变了套管的力学性能,使其强度和硬度增加,而塑性降低,但套管在膨胀后仍具有较大的塑性变形空间,在膨胀后的使用中不会出现脆性开裂,同时表明套管膨胀后的相关指标满足API标准,说明L80套管是适合于膨胀的。膨胀试验研究对于可膨胀管的研究开发及制造具有重要指导意义。     

可膨胀套管技术概述

可膨胀套管技术是将为21世纪石油钻采行业起着关键性作用的技术之一。主要应用于封堵复杂层，尾管悬挂器、套管修复等多个领域，该技术的最终目的是实现使用同一尺寸的套管代替现行的多层套管，以提高对付多个复杂地层的能力，提高钻井作业效率，降低钻井成本。文中详细介绍了国内外可膨胀套管技术的发展情况。     

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。     

膨胀套管膨胀力的理论计算

根据弹塑性的理论，推导了膨胀套管在弹性变形区和塑性变形区的周向应力和径向应力计算模型，确定了膨胀套管膨胀时在膨胀芯头与套管之间所需的最小接触载荷。对膨胀芯头的受力进行了分析，考虑了膨胀芯头几何参数和金属间摩擦系数等影响因素，建立了作用在膨胀芯头上膨胀套管所需膨胀力的计算方法，对相关参数对膨胀芯头拉力的影响进行了讨论，并用实验数据对理论计算结果进行了验证，结果表明，采用本文推导的计算模型所得到的芯头膨胀拉力的计算精度满足工程应用的需要。     

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°。     

叠片式可膨胀套管扶正器设计

套管扶正器的作用是使套管在井眼内居中，保证固井时水泥浆均匀凝固在套管与井壁所形成的环形空间内，从而提高固井质量。传统的套管扶正器满足不了可膨胀套管的扶正要求。将套管扶正器环箍设计为可随膨胀管的膨胀而连续膨胀结构，成为叠片式可膨胀套管扶正器，解决了膨胀管在井眼内扶正居中的问题。     

两种典型膨胀管膨胀工艺技术研究

膨胀管技术目前已广泛应用于钻井、完井、修井和采油等各石油工程领域,膨胀工艺是其关键技术之一。针对两种最典型的"自下而上"和"自上而下"膨胀工艺,利用弹塑性有限元法建立了膨胀管膨胀过程的三维非线性接触问题力学模型,直观地模拟了不同接触条件下的膨胀过程。对比分析得到两种膨胀工艺下摩擦系数对膨胀管的轴向位移、膨胀力、壁厚减薄量、残余应力以及膨胀过程中的接触应力的影响,所得结论为膨胀管膨胀工艺的设计提供了理论依据。     

国产SEW膨胀套管实物性能研究

为进一步掌握采用SEW工艺(hot stretch-reducing electric welding,热张力减径电阻焊)制造的国产BX55和BX80膨胀套管膨胀前后管材各项力学性能的变化情况,对两种膨胀套管的组织及性能进行了检测试验。试验结果表明:BX55和BX80钢级膨胀管径向膨胀变形后,管材的屈服强度、抗拉强度会得到升高,而延伸率、冲击韧性、抗挤强度会有所下降,各项指标均满足API SPEC 5CT、API RP 5C3等标准要求。     

应用于套管补贴的膨胀管技术

针对常规补贴套管技术无法满足长井段、高井温的要求以及施工工艺复杂、工序多、修复后井眼内径变化较大的问题,提出了膨胀管补贴套管技术。介绍了该技术的技术原理、技术关键、施工方法。该技术克服了以往套管补贴技术存在的不足,具有施工工艺简单、套管修复后能产生永久性密封且井眼尺寸变化小等特点,具有广阔的推广应用前景。     

膨胀套管技术在侧钻井完井工程的应用研究

膨胀套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,增大完井井径,有利于后续钻井、采油及修井工程作业。介绍了膨胀套管技术的原理及其在侧钻井中应用的技术优势、关键技术和国产膨胀套管技术首次在裸眼井中的应用情况。     

等井径膨胀套管技术发展现状

等井径技术是膨胀套管技术的发展方向,该技术可以在钻井过程中保持无内径损失钻进,实现全井采用同一尺寸的套管完井,从而消除井眼锥度,降低建井成本,拓展现有钻探区域。介绍了等井径技术的原理和技术优势,阐述了等井径膨胀套管系统的技术发展及应用情况。     

花园油田套管腐蚀损坏的实验研究

在了解花园油田套管腐蚀损坏状况后,我们在室内进行了地层水不含ＣＯ２及含ＣＯ２的腐蚀实验。结果表明,荆沙组地层水含ＣＯ２是该油田套管腐蚀损坏的主要原因。     

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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。     

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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。