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。     

实体膨胀管膨胀力解析解及试验研究

采用金属塑性变形理论,用解析法研究了实体膨胀管在大的径向塑性变形下的力学响应,获得了计算实体膨胀管膨胀力和接触压力的解析解模型。据此模型,计算了139.7 mm×7.72 mm N80钢级实体膨胀管以15%的膨胀率进行膨胀时所需的膨胀力。为了验证该解析解模型的准确性,试验研究了139.7 mm×7.72 mm N80钢级实体膨胀管以15%的膨胀率进行膨胀时膨胀力的变化状态,并将试验值与实例计算值进行对比,二者最大相对误差为9.2%,属于工程许可的精度范围。因此,该解析解模型可以用于指导膨胀工具和施工工艺设计。     

基于金属密封的膨胀管悬挂力试验研究

针对膨胀管胀后与套管结合效果差,悬挂能力弱等问题,提出了金属密封结构。在厚壁圆筒理论基础上推导了膨胀管悬挂力计算公式,利用ABAQUS模拟了膨胀管与套管在不同过盈量条件下膨胀力与悬挂力的变化规律,并进行试验验证。研究结果表明:胀后膨胀管与套管之间过盈量是悬挂力的决定因素;但是随着过盈量的增加,悬挂力的增幅与膨胀力的增幅并非正相关,因此有必要根据材料特性找到膨胀力与悬挂力相对最优的阀值;研究结果可以作为膨胀管现场施工设计的参考依据。     

膨胀管补贴技术试验研究

试验研究了膨胀管材料、膨胀锥直径尺寸、锥度以及润滑介质对膨胀率、缩短率和膨胀力的影响，给出了细化膨胀作业指标和提升安全性的建议。     

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。     

膨胀管技术中膨胀力的理论计算

结合膨胀管材料的应力-应变试验曲线,考虑管材在膨胀过程中发生的应力强化现象,将膨胀管材看作幂强化模型,并采用单一曲线假设引入中间应力影响系数,将膨胀管在膨胀变形过程中的周向应力和等效应力联系起来,导出了管材膨胀过程中膨胀力的计算公式。应用该公式计算出的膨胀力与试验值和用有限元软件模拟计算出的膨胀力值很接近,其误差在-7.3%～-3.4%之间,验证了公式的合理性。     

大通径膨胀管技术试验研究

普通膨胀管存在壁薄、承载能力差等问题,并制约本体的膨胀幅度,是限制该技术进一步发展的主要因素。针对上述问题提出大通径膨胀管技术,将膨胀工具外置于膨胀管,利用液压缸作为动力,能够进一步提高膨胀幅度、降低膨胀压力。以114mm×5mm膨胀管为例进行试验,结果表明：与传统膨胀管结构相比,大通径膨胀管技术能够在相同膨胀率条件下降低膨胀压力30%;大通径技术无需悬挂橡胶,膨胀管与套管之间为全段金属密封,进一步提高膨胀管悬挂力。新技术简化了膨胀管加工工艺,提高了安全性和可靠性。     

实体膨胀管膨胀过程几何参数变化试验研究

对139.7mm×7.72mm N80钢级实体膨胀管实物膨胀过程进行了试验研究。基于实体膨胀管实物评价试验平台,设计了试验方案和检测方法,对比分析了实体膨胀管膨胀前、后几何参数变化。结果表明:实体膨胀管经膨胀变形后其外径椭圆度变大,均匀性显著变差,壁厚均匀性变化受膨胀变形的影响并不显著。     

实体膨胀管力学行为试验研究

膨胀管的膨胀过程是一种高度非线性行为,解析方法虽然可以近似求出变形力的大小,但很难对膨胀过程进行全面求解。为了较精确、全面地研究膨胀管膨胀过程,一般是采用数值模拟或实验方法。文中通过一组试验,比较详细地研究了膨胀管膨胀变形力、膨胀后套管轴向缩短量、膨胀后套管壁厚减小量、膨胀后套管的抗拉强度、屈服强度与膨胀工具模角及套管膨胀率的关系,得到了它们之间相互制约的变化规律。这些规律将为膨胀管材料的选择、膨胀工具的结构和强度设计、膨胀系统整体设计及膨胀工艺的制订提供有效的参考数据。     

实体可膨胀管变形力与膨胀工具模角关系研究

建立了实体可膨胀管膨胀过程的三维非线性接触问题有限元分析模型,通过对模型的求解,得出膨胀管与膨胀工具在不同的接触条件、可膨胀管在不同的内径膨胀率及不同的壁厚条件下,膨胀变形力与膨胀工具模角的关系。用107.95mm套管做了实体膨胀试验,通过试验测得的膨胀变形力与用模型求得的计算结果符合得很好,完全可以满足实际工程的需要,证明提出的模型及其求解结果正确可信。     

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个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在原来的基础上进一步增大;对管子进行了探伤分析,发现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一样。由此说明钻井膨胀管膨胀过程中存在着较为严重的不均匀变形现象,并对造成这些不均匀变形的原因进行了分析,同时认为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。这些认识对于膨胀管管材的相关标准制定及膨胀工艺设计研究具有重要意义。     

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。     

膨胀管抗外挤强度试验研究

膨胀管膨胀后其抗外挤能力降低是制约膨胀管技术发展的重要因素。通过试验模拟实体膨胀管膨胀时的力学环境,分析了管材壁厚及残余应力在塑性膨胀过程中的变化规律。结果表明:膨胀管大塑性变形会导致壁厚减少,壁厚不均匀程度放大,并产生残余应力;膨胀管内表面产生拉应力,外表面产生压应力,应力差值在薄壁端最大,薄壁端也是膨胀管在外压作用下的屈服点;在膨胀管变形过程中薄壁端的变形速率高于厚壁端的变形速率,产生的残余应力与实测值基本相符,说明膨胀管原始壁厚的不均匀变形是残余应力增加、抗外挤能力降低的主要因素。     

基于双相不锈钢的膨胀管试验研究

针对常规膨胀管抗外压能力低,耐H2S腐蚀性能差等问题开展了双相不锈钢材料特性研究,并进行了不同壁厚管材膨胀、抗外压试验与耐H2S腐蚀测试。结果表明:双相不锈钢材料强塑性较高,屈强比合适,可以作为膨胀管材料;在干摩擦条件下双相不锈钢管材膨胀压力在35~40MPa,高于现用20G材料10%左右,但是双相不锈钢管材膨胀后抗外压强度大于25 MPa,耐H2S腐蚀速率0.021mm/a,明显优于碳钢材料,能够满足高压、高腐蚀井套管补贴需要。     

基于ANSYS/LS-DYNA的实体膨胀管膨胀力分析

应用非线性有限元分析技术,利用ANSYS软件的LS-DYNA模块动态模拟了膨胀套管的全过程,得到了膨胀力随时间变化的曲线,并分析了在不同的工艺参数（膨胀锥角、摩擦因数、膨胀速度）下的膨胀力变化情况,得出了膨胀参数与膨胀力的关系,为膨胀工具的设计及膨胀方案的优化提供了依据。     

实体膨胀管的膨胀力有限元数值模拟及其应用

针对塔河油田深井侧钻井巴楚组和桑塔木组地层泥岩垮塌难题,优选φ139.7 mm实体膨胀管对复杂泥岩段进行机械封隔。根据弹塑性有限元理论,利用有限元数值模拟研究了φ139.7 mm实体膨胀管的膨胀特性,探讨了膨胀率、屈服强度、摩擦系数和膨胀锥锥角对膨胀力的影响规律。在塔河油田 TK6-463CH 井进行了实体膨胀管的现场施工应用,将该井膨胀锥锥角设计为10°,预测膨胀力为603~607 kN,与实际计算结果相比误差小于8%,表明该方法具有合理可行性,为深井侧钻井膨胀管设计及膨胀管施工提供了技术支持。      

影响膨胀尾管悬挂器悬挂力的因素分析

为了提高膨胀尾管悬挂器的悬挂力,根据其悬挂机理,从膨胀尾管悬挂器本体的膨胀率、膨胀后膨胀本体的回弹、橡胶筒结构和外层套管内径偏差等方面分析了影响悬挂器悬挂力的关键因素。分析结果认为,膨胀尾管悬挂器本体的膨胀率增大时,悬挂器悬挂力增大,但本体发生膨胀变形所需要的膨胀力随之剧增;增加本体外壁橡胶筒长度能增大悬挂器悬挂力,膨胀力基本不变。建议开展回弹对膨胀尾管悬挂器悬挂力影响因素分析及相应对策研究,同时进行金属接触与橡胶条件下悬挂器悬挂力与密封问题的研究。     

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。     

不同应力状态下膨胀管力学性能试验研究

通常膨胀管在变形后壁厚不均匀度、管体弯曲程度会增加,导致膨胀管的抗拉、抗挤毁等力学性能下降。利用网格法分析了不同应力状态下膨胀管在膨胀过程中的金属塑性流动过程,并通过室内试验进行了对比研究,详细分析膨胀过程中的宏观现象。结果表明,残余应力会增加膨胀管塑性变形力,使膨胀过程困难,膨胀后管体弯曲变形严重;处于应力状态的膨胀管膨胀后管体网格在一侧堆积,表明金属塑性流动过程沿轴向不均衡。     

热采井膨胀管补贴技术试验研究

对用于高温热采井的膨胀管补贴工具,包括不锈钢环密封、铜敷焊密封、铜环嵌焊密封进行了试验研究。通过对耐高温材料与焊接工艺的改进,实现了膨胀压力低、耐高温、密封能力高等性能指标,为实现高温热采井膨胀管补贴技术的工业化应用奠定了基础。