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。     

膨胀波纹管胀管器结构设计与试验

膨胀工具的结构直接影响波纹管的机械膨胀过程。设计了φ241.3 mm滚轮胀管器和球形胀管器。滚轮胀管器主要由壳体、底堵打捞短节和3组滚轮系统构成,其胀管单元的结构与运动状态设计必须保证在有效胀开波纹管管体的前提下,以胀管所需的钻压或扭矩最小为目标;球形胀管器的作用是将水力膨胀后的波纹管主体修正到要求的形状和尺寸,主要由球形胀管器接头、巴掌、球形滚轮和锁紧轴组成。对设计的2种胀管器进行了强度校核和现场试验验证,结果表明,2种胀管器工作正常,结构强度和轴承系统的性能满足使用要求。     

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。      

井眼直径对膨胀波纹管膨胀性能的影响

为了保障膨胀波纹管在石油钻井中的应用,针对Φ 215.9 mm波纹管现场试验过程中水力膨胀需求,采用有限元弹塑性分析的方法,建立波纹管膨胀模型,开展波纹管在直井中膨胀情况的仿真模拟。通过对所建模型的分析,对不同井眼直径可膨胀波纹管的波峰、波谷、长轴及不圆度随压力的变化关系进行研究,结果表明:随压力的增加,波纹管的不圆度逐渐减小,且井眼直径越大,不圆度越小;随井眼直径的增加,波峰、波谷、长轴的直径均增大。     

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。     

可膨胀割缝管膨胀性能试验研究

可膨胀割缝管（EST）是在管材上割出一系列交错排列且相互重叠的轴向割缝,比实体管更容易膨胀开。材料选择和割缝结构优化是可膨胀割缝管的关键技术。采用不同材质和不同割缝结构的割缝管进行试验,根据割缝管膨胀前后性能变化情况,优选出合理的管体材料及割缝结构。试验表明,割缝管正常膨胀压力为85kN,膨胀后其内径膨胀率达到了39％以上,管体材料具有良好的延伸性。割缝结构具有良好的抗开裂性能和止裂性能。     

波纹管成型及膨胀过程力学性能分析

为了确保膨胀波纹管能满足其在膨胀后具有尽可能大的抗外挤强度和抗内压强度等性能要求,重点对YS1、YS2和YS3这3种材料的波纹管成型及膨胀过程力学性能变化进行了分析,模拟分析了波纹管膨胀压力,并在地面对波纹管进行了膨胀试验。试验及模拟结果表明,对241.3 mm井眼用的2种管材的波纹管,液压膨胀模拟到16 MPa,具有较好的膨胀圆度;对3种常见管材、241.3 mm井眼用的波纹管,抗内压强度为23.55～30.10 MPa,满足抗内压要求。光管的抗外挤强度为5.20～8.57 MPa,在井下岩层中的抗外挤强度为15.45～20.49 MPa,满足抗外挤要求。     

可膨胀波纹管截面设计计算与评估方法

可膨胀波纹管截面设计是波纹管结构设计的关键环节,直接影响波纹管的应用效果。目前波纹管截面的设计方法过度依赖经验,计算效率和精度不高。为此,提出一种多瓣可膨胀波纹管截面设计计算方法。新方法在基本假设的基础上简化了几何模型,系统阐述了计算方法和步骤,同时提出以椭圆度为主要判断依据的计算评估方法,结合有限元仿真分析获得了优化波纹管截面结构的一般规律。分析结果表明:6瓣结构的波纹管的截面经膨胀后最容易还原为圆形;波纹管的波峰和波谷半径比越接近于1,膨胀后的椭圆度越低;多瓣波纹管的波峰处是残余应力集中的危险区域。与基于图形的试算方法相比,新方法的设计效率更高,计算结果的稳定性更强。     

可膨胀波纹管技术在韦15-19井的应用

可膨胀管包括可膨胀实体管和可膨胀波纹管，主要用于在不减小井眼尺寸的情况下封堵各种复杂地层，对损坏套管进行补贴修复，作为各种井筒封隔器以及延长技术套管长度。实体管和波纹管两者膨胀机理不一样，相比之下，可膨胀波纹管技术具有膨胀工艺简单，作业周期短的优点，该技术一直由俄罗斯掌握。中国石化勘探开发研究院经过多年的潜心研究，终于形成了具有自主知识产权的可膨胀波纹管产品及其配套的工艺技术，新研制的可膨胀波纹管壁厚8mm，抗内压强度35MPa，抗外挤强度10MPa，并在江苏油田韦15—19井进行了漏层封堵现场试验，经过扩眼、管串下入、水力膨胀、机械膨胀等工艺后获得圆满成功，标志着我国已经打破了国外公司对该技术的垄断，填补了国内在该领域的技术空白。     

可膨胀波纹管有限元分析与现场应用

为了给波纹管现场应用提供合理的理论依据,采用弹塑性有限元方法,建立了可膨胀波纹管的有限元计算模型。通过对所建模型的求解,对可膨胀波纹管的残余应力、波峰和波谷的膨胀量随压力的变化关系以及抗外挤强度随膨胀压力的变化关系进行了深入细致的研究,模拟结果和试验结果相符合。波纹管技术已在现场成功应用,解决了常规堵漏方法无法解决的恶性井漏问题。     

油井堵漏可膨胀波纹管的有限元分析

可膨胀波纹管技术具有膨胀工艺简单,作业周期短等优点。应用ANSYS仿真分析了波纹管的成型工艺,模拟了波纹管的水力膨胀作业,对波纹管膨胀过程中的应力、位移和圆度进行了分析;最后计算了波纹管的抗内、外压强度。分析结果表明,成型后波纹管的残余应力最大为258.02 MPa,位于波谷区域。波纹管外径比加工前减小了24.2 mm,适应于Ф244.5 mm井眼。根据强度分析,波纹管抗内压强度为33 MPa;根据结构失稳分析,波纹管抗外挤强度为4.5 MPa。     

膨胀波纹管端头整形装置的研制及应用

膨胀波纹管端头形状差异大，焊接时错边量较大，导致焊缝强度低，而采用常规整形工具整形存在工具被卡风险大的问题，为解决这一问题，研制了膨胀波纹管端头整形装置。该装置采用加热波纹管的方法提高管材韧性；内模具采用三瓣楔形结构，分解了整形作用力，降低了模具被卡的风险；通过分析整形过程中内模具的受力，优化了内模具的长度。室内和现场试验表明:采用膨胀波纹管端头整形装置对膨胀波纹管端头进行整形，整形精度较高，可将错边量由4~5 mm减小至1 mm以内，降低了整形作用力和模具被卡的风险，提高了焊缝的强度和管串的承压能力。研究表明，采用膨胀波纹管端头整形装置可以减小错边量，提高焊缝的质量和强度，降低整形工具被卡的风险。      

双套压力体系侧钻井尾管及悬挂器段铣技术

沈301S井是辽河油田古潜山区块的一口双套压力体系侧钻井。原井完井过程中,用?177.8 mm技术套管封隔上部高压地层,下部低压储层悬挂?127 mm尾管完井。侧钻时,若在悬挂器上方开窗,面临两套压力体系,钻进过程中因上塌下漏现象严重,无法钻至目的层位;若在?127 mm尾管内部开窗,则存在深井小井眼开窗侧钻、施工泵压高、完井难度大等问题。若采取高效段铣技术将?177.8 mm技术套管内的?127 mm尾管悬挂器及尾管段铣至潜山面以下再侧钻,则可同时解决上述问题。为此,优选了适配的钻井液体系,研制了专门的段铣工具,通过优化段铣参数和施工工艺,成功实现了沈301S井的老井侧钻。该井仅用12.4 d（其中纯段铣时间6.63 d）就完成了183.14 m的?127 mm尾管段铣任务,单只工具折合进尺可达200 m以上。高效段铣技术为有尾管悬挂的小井眼多套压力体系侧钻、有尾管悬挂的水平井调层、钻井阻卡管柱处理、挖潜剩余油提供了一种行之有效的技术手段。     

■241.3 mm井眼等井径膨胀管封堵技术研究与评价

等井径膨胀管可作为临时套管为深部复杂地层构建临时井壁,实现复杂地层无内径损失的机械封堵作业,封堵后仍保持原有井身结构,为深井安全穿越复杂地层提供一种新的技术方案。文章在介绍等井径膨胀管系统的结构设计和技术原理基础上,重点从膨胀管材优选及应力分析、膨胀螺纹结构设计和变径膨胀锥优化设计三方面对系统关键技术进行研究,通过室内性能评价和全过程井下试验,验证了系统的功能和工艺的可行性。现场应用时,井下电视影像显示：等径膨胀后管体及螺纹仍具有良好的完整性和密封性,内径达245 mm,作为临时技术套管封堵地层,满足■241.3 mm钻头安全下入及钻井服役要求,为复杂地层等井径封堵应用奠定了基础。     

波纹管技术在哈萨克斯坦肯基亚克盐下油田的应用

哈萨克斯坦肯基亚克盐下油田石膏层和盐岩层同时出现在一个裸眼井段,开发使得石炭系压力系数逐渐降低至1.5,而二叠系压力系数仍为1.79,造成在施工过程中经常发生漏失和溢流、坍塌,使用波纹管可以解决该问题。通过研究地层岩性和压力,确定了波纹管下入深度;结合井身结构确定了波纹管的外径、压力等级。膨胀的波纹管内径和同井段所钻的井眼内径相同,且能够承受井内液柱压力或地层挤压,为钻井作业的顺利施工提供了保证。采用该技术解决了由于地层岩性不同和压力不同造成的复杂情况,不仅为安全钻进提供了技术保证,而且保护了储层,对今后推广波纹管技术有一定的借鉴意义。     

膨胀波纹管在小井眼的安全应用工况模拟试验研究

膨胀波纹管可以用于封隔小井眼斜井段坍塌煤层和泥岩，为解决地层坍塌问题提供了新的手段，但其适用工况不确定，影响了其推广应用。为确定膨胀波纹管在小井眼的安全应用工况条件，应用有限元法模拟分析了影响斜井段中φ149.2mm膨胀波纹管安全应用的主要因素；在弯曲井筒内开展了膨胀波纹管的膨胀试验，分析了井眼曲率、井径对膨胀效果的影响。研究结果表明，在相同条件下，井径越大，波纹管膨胀后的直径越大；井眼曲率越大，膨胀波纹管Mises应力越大，不圆度越大。试验和数值分析结果表明，二者有着较好一致性。通过分析确定了φ149.2 mm膨胀波纹管安全应用工况条件，可以保障膨胀波纹管的安全施工。